CN107154726A - 用于对高压总线放电的设备 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于电连接至高压DC电源电的高压总线的放电电路。放电电路包括与放电电阻器电串联连接在高压总线的正导体与负导体之间的放电器开关，且放电开关包括栅极。双稳态开关包括控制栅极、电连接至高压总线的输入线以及电连接至放电开关的栅极的输出线。触发装置与双稳态开关的控制栅极通信。双稳态开关的输入线电连接至高压总线，且放电开关响应于启动信号而可控制为闭合状态以在高压总线的正导体与负导体之间提供通过放电电阻器的电流路径。

Description

用于对高压总线放电的设备
技术领域
本发明涉及对存储在高压总线上的电能放电，包括其中高电压总线向功率逆变器传递电功率的系统。
背景技术
功率逆变器电路可以包括在高压总线两端设置以提供电稳定性并且存储补充电能的大容量电容器。当功率逆变器电路不在操作中或在某些其它环境中时，可希望对存储在包括大容量电容器的高压总线上的电能放电。
发明内容
描述了一种用于电连接至高压DC电源的高压总线的放电电路。放电电路包括与放电电阻器电串联连接在高压总线的正导体与负导体之间的放电器开关，且放电开关包括栅极。双稳态开关包括控制栅极、电连接至高压总线的输入线以及电连接至放电开关的栅极的输出线。触发装置与双稳态开关的控制栅极通信。双稳态开关的输入线电连接至高压总线，且放电开关响应于从触发装置传送至双稳态开关的控制栅极的启动信号而可控制为闭合状态以在高压总线的正导体与负导体之间提供通过放电电阻器的电流路径。
上述特征和优点以及本教导的其它特征和优点从某些最佳模式的以下详述和用于实行如随附权利要求书中限定、结合附图取得的本教导的其它实施例将容易地显而易见。
附图说明
现在将通过实例方式参考附图描述一个或多个实施例，其中图示意地说明根据本发明的包括高压总线和无源放电电路的功率逆变器模块的实施例，其中高压总线电连接在高压DC电源与功率逆变器模块之间
具体实施方式
现在为了说明非限制性实施例参考附图，图示意地说明包括用于对高压总线14两端的电功率放电的无源放电电路60的功率逆变器模块20的一个实施例，其中高压总线14电连接在高压DC电源12与功率逆变器模块20之间。功率逆变器模块20可以是包括电机10的马达控制系统100的实施例的元件，该电机通过功率逆变器模块20采用来自于高压DC电源12的电功率而操作地控制。在一个非限制性实施例中，功率逆变器模块20可以在车辆上采用作为推进系统的元件。
电机10可以是马达/发电机或另一个合适的多相电机(例如，永磁装置)。功率逆变器模块20经由高压总线14的正导体16和负导体18电连接至高压DC电源12。高压总线14可以包括第一接触器44和第二接触器46，其分别可控制成将高压总线14的相应的正导体16和负导体18连接至高压DC电源12的正极侧和负极侧。第一接触器44优选地与第一触发电路40通信，且第二接触器46优选地与第二触发电路45通信。功率逆变器模块20包括大容量电容器22，其电设置在高压总线14的正导体16与负导体18之间。
第一接触器44和第二接触器46是电连接至点火开关36的感应控制式常断开开关装置。当点火开关36处于键关断状态中时，第一接触器44和第二接触器46断开，因此防止相应的正导体16和负导体18与高压DC电源12之间的电功率流。当点火开关36处于键接通状态中时，第一接触器44和第二接触器46闭合，因此允许相应的正导体16和负导体18与高压DC电源12之间的电功率流。
功率逆变器模块20包括逆变器38，其包括电串联连接在高压总线14的正导体16和负导体18之间的多个开关对。开关对的每个开关可以是具有并联设置的二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或另一个合适的高压开关(例如，场效应晶体管(FET)或碳化硅(SiC)FET)。每个开关对对应于电机10的一个相。功率逆变器模块20的其它元件优选地包括多个栅极驱动电路和控制器，其中栅极驱动电路响应于源自于控制器的控制信号(例如，脉宽调制控制信号)而控制开关的启动和停用。功率逆变器模块20包括具有电容器、电阻器的其它电部件以及其它电路部件以实现与电噪声消除、负荷平衡等有关的功能。
第一触发电路40包括经由电阻-电容(RC)电路和二极管电连接至信号线35的变压器或另一个电感装置，该信号线35电连接至第一接触器44的一侧。当第一接触器44(例如，响应于点火开关36变为键关断状态)断开时，信号线35从离散高状态变为离散低状态，从而在第一触发电路40中导致电感反冲，进而产生第一触发信号42。启动信号可以是短程感应式引发的脉冲信号，其包括从低或零电压状态变为高压状态。第一触发信号42传送至复合触发门50。
第二触发电路45类似于第一触发电路40，并且包括经由电阻-电容(RC)电路和二极管电连接至信号线37的变压器或其它电感装置，该信号线37电连接至第二接触器46的一侧。当第二接触器46(例如，响应于点火开关36变为键关断状态)断开时，信号线37从离散高状态变为离散低状态，从而在第二触发电路45中导致电感反冲，进而产生第二触发信号47。第二触发信号47传送至复合触发门50。
无源放电电路60设置在高压总线14的正导体16与高压总线14的负导体18之间。无源放电电路60包括设置成与放电电阻器24串联的放电开关25，该放电电阻器优选地具有低阻抗以促进放电。无源放电电路60进一步包括电连接在高压总线14的正导体16与负导体18之间的电容分压器电路30，其包括在第一节点63处与第二电容器64电串联连接的第一电容器62。
包括第一电容器62的电容分压器电路30与第二电容器64电串联连接并且将总线电压分流至第一节点63处的合适电压电平。双稳态开关26电连接在第一节点63与放电开关25的栅极28之间。双稳态开关26可以是晶闸管或另一种硅控整流器，并且包括栅极27。复合触发门50产生与栅极27通信的离散输出信号。晶闸管是具有多层交替的N和P型材料的固态半导体装置，当栅极27例如从复合触发门50接收到电流触发信号时，这些层用作传导电流的双稳态开关。双稳态开关26一旦被电流触发信号启动便立即传导电流，前提是双稳态开关26的两端的电压不反相。当启动双稳态开关26时，第一节点63处的电压电平足以启动栅极28以接通或闭合放电开关25可以采用其它合适的双稳态开关。
呈设置成与下拉电阻器68并联的第三电容器66的形式的RC电路设置在放电开关25的栅极28之间。点火开关36还设置在放电开关25的栅极28与高压总线14的负导体18之间。
放电开关25与放电电阻器24电串联连接在正导体16与负导体18之间。放电开关25在此实施例中可以是MOSFET装置、JFET装置，或另一种合适的开关装置。放电开关25包括漏极线、源极线和栅极28。
复合触发门50产生传送至双稳态开关26的栅极27的离散输出信号。复合触发门50可以呈配置有多个输入线和离散输出线的多输入逻辑装置的形式，该离散输出线与双稳态开关26的栅极27通信。复合触发门50可以是逻辑“或”门或另一个合适的逻辑装置。输入线优选地包括第一触发信号42、第二触发信号47和与输入线53、54和55相关联的多个输入信号(包括第二、第三、第四和第五启动信号)。第二、第三和第四启动信号可以源自于车辆控制器、服务控制器、加速度计、安全气囊传感器或另一合适来源。
当所有输入线53、54和55具有低值时，来自于复合触发门50的离散输出信号优选地是离散低信号。此包括第一触发信号42、第二触发信号47以及第二、第三和第四启动信号的低值。当输入线53、54和55中的任一个具有高值时，来自于复合触发门50的离散输出信号是离散高值。
当具有低值的离散输出信号从复合触发门50传送至双稳态开关26的栅极27时，因为双稳态开关26的操作并未由栅极27处的低值触发，所以未发生动作。
当具有高值的离散输出信号从复合触发门50传送至双稳态开关26的栅极27时，触发双稳态开关26，且电压信号通过双稳态开关26从第一节点63传送以启动放电开关25的控制栅极28，其用于接通或闭合放电开关25。因而，当点火开关36处于键接通状态中且与输入线53、54和55相关联的第二、第三和第四启动信号全部为低时，放电开关25可控制为高压总线14的正导体16和负导体18之间的断开状态。当点火开关处于键关断状态中时或当与输入线53、54和55相关联的第二、第三和第四启动信号中的任一个转变为高状态时，放电开关25可控制为闭合状态以在高压总线14的正导体16和负导体18之间提供通过放电电阻器24的低阻抗电流路径。
放电电阻器24可以基于高压总线14两端的电势的大小以及优选或理想的放电时间来调整大小。平均额定功率可以减小至包含峰值功率能力的额定值，且因此不同于在无源系统中采用的装置的电阻。驱动低阻抗放电电阻器24的额定功率的放电功率可以基于高压总线14两端的电势的大小、优选或理想的放电时间以及大容量电容器22的电容来确定。放电开关25的设计参数可以基于高压总线14两端的电势的大小、电流、优选放电时间以及低阻抗放电电阻器24的电阻来确定。
包括与第二电容器64电串联连接的第一电容器62的电容分压器电路30将总线电压分流至第一节点63处的合适电压电平。使用通过并且围绕双稳态开关26的电流对第三电容器66充电。已充电的第三电容器66将启动通过无源元件的放电路径。在车辆关闭期间、安全气囊展开或12V电源的损耗期间，存储在HVDC继电器的螺线管或具有硬接线“或”门的其它逻辑中的电感能量可以用于激发双稳态开关26以得到允许对大容量电容器中的HV能量存储快速放电的无缝、自动断接链路。在需要以三相短路条件操作的情况中，可在逆变器20的开关对的下部开关中使用相同架构。该架构允许稳定放电并且针对其它功能性提供电路利用的最大灵活性。各种实施例允许经由其它新型信号装置连同取决于应用而调整大小的放电电阻器24驱动断接电路。
此允许快速、无源总线放电，且在车辆使用期间不消耗任何能量(5W vs 0.01W)并且不需要任何有源控制，因此保持无源。双稳态开关26仅在需要且关闭电压自然而然地接近零时允许对第三电容器66充电以驱动放电开关25的栅极28。第一电容器62和第二电容器64优选地调整大小以提供足以接通栅极28并且保持电荷直至大容量电容器22放电的电压电平。归因于超快放电，放电电阻器24可以具有减少至仅与峰值功率能力有关的额定值的平均额定功率，因此需要占据少量空间的小型放电电阻器。下拉电阻器68调整大小以逐渐地对栅极电容放电并且关断放电开关25。
本文所述的概念包括无源放电电路60，其几乎不消耗或不消耗电能，同时允许高压总线14中的电势在某些条件下快速、自动放电。快速放电的时段在某些实施例中可以小于五秒钟。相反地，无源放电电路60是利用不需要外部电源来操作的自然换向双稳态开关进行操作。在接触器44、46焊接在一起的情形中，无源放电电路60可以防止高压DC电源12过度放电。无源放电电路60可以响应于以不受控制发电机(UCG)模式的操作，并且可以在安全气囊展开的事件中提供保护。无源放电电路60可以防止高压DC电源12无意中放电，否则可能在系统掉电或经历点火开关36处于键接通状态时出现的高g力事件时会引起无意中放电。
术语控制器、控制模块、模块、控制、控制单元、处理器和类似术语是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如，微处理器)以及呈存储器和存储装置(只读、可编程只读、随机访问、硬盘等)的形式的相关非暂时性存储器部件的任何一个或各种组合。非暂时性存储器部件能够存储呈一个或多个软件或固件程序或例程的形式的机器可读指令，是组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、信号调节和缓冲电路，以及可由提供所描述功能性的一个或多个处理器访问的其它部件。输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器以及监测来自传感器的输入的相关装置，其中此类输入以预设采样频率或响应于触发事件而监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语意味着包括刻度和查找表的任何控制器可执行指令集。每个控制器执行控制例程以提供理想的功能，该功能包括监测来自感测装置和其它联网控制器的输入以及执行控制和诊断指令以控制致动器的操作。例程可以规则的间隔而执行，例如正进行的操作期间每100微秒执行一次。替代地，例程可以响应于触发事件的发生而执行。控制器之间的通信和控制器、致动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线点对点链路、联网通信总线链路、无线链路或任何另一种合适的通信链路而实现。通信包括以任何合适形式交换数据信号，包括(例如)经由导电介质交换电信号、经由空气交换电磁信号、经由光学波导交换光学信号等。数据信号可以包括表示来自传感器的输入的模拟、离散或数字化模拟信号、表示致动器命令的信号和控制器之间的通信信号。术语'模型'是指基于处理器或处理器可执行代码以及模拟装置或物理过程的物理存在的相关刻度。另外，应注意，术语“信号”意指传达信息的可检测物理量，并且可以是能够行进通过介质的任何合适的波形(例如，电、光学、磁性、机械或电磁)，诸如DC、AC、正弦波、三角波、方形、振动等。
详述和附图或图支持并且描述本教导，但是本教导的范围仅仅是由权利要求限定。虽然已详细地描述了用于实行本教导的某些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实践随附权利要求书中限定的本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于电连接至高压直流电源的高压总线的放电电路，其中所述高压总线包括正导体和负导体，所述放电电路包括：
放电器开关，其与放电电阻器电串联连接在所述高压总线的所述正导体与所述负导体之间，其中所述放电开关包括栅极；
双稳态开关，其包括控制栅极、电连接至所述高压总线的输入线以及电连接至所述放电开关的所述栅极的输出线；以及
触发装置，其与所述双稳态开关的所述控制栅极通信；
其中所述双稳态开关的所述输入线电连接至所述高压总线；以及
其中所述放电开关响应于从所述触发装置传送至所述双稳态开关的所述控制栅极的启动信号而可控制为闭合状态以在所述高压总线的所述正导体与所述负导体之间提供通过所述放电电阻器的电流路径。
2.根据权利要求1所述的放电电路，其中所述触发装置进一步包括复合触发门，其具有多个输入线和与所述放电开关的所述控制栅极通信的输出线。
3.根据权利要求2所述的放电电路，其中所述多个输入线包括从电连接至信号线的第一触发电路输出的第一触发信号，所述信号线电连接至第一接触器，所述第一接触器电连接在所述高压直流电源与所述高压总线的所述正导体和所述负导体中的一个之间。
4.根据权利要求3所述的放电电路，其中所述第一触发电路与点火开关通信。
5.根据权利要求1所述的放电电路，其中连接至所述高压总线的所述双稳态开关的所述输入线包括电连接在所述高压总线的所述正导体与所述负导体之间的电容分压器，其中所述电容分压器包括在第一节点处与第二电容器电串联连接的第一电容器，且其中所述双稳态开关的所述输入线电连接至所述第一节点。
6.根据权利要求5所述的放电电路，其中所述第一电容器和所述第二电容器调整大小以实现第一节点处的电压的大小，当启动所述双稳态开关时所述电压大小启动所述放电开关的所述栅极。
7.根据权利要求5所述的放电电路，其进一步包括下拉电阻器，所述下拉电阻器设置成与第三电容器并联在所述放电开关的所述栅极与所述高压总线的所述负导体之间。
8.根据权利要求1所述的放电电路，其进一步包括电连接在所述高压总线的正导体与负导体之间的大容量电容器，其中所述放电开关可控制为闭合状态以在所述高压总线的所述正导体与所述负导体之间提供通过所述放电电阻器的电流路径以对所述大容量电容器放电。
9.根据权利要求1所述的放电电路，其中所述高压总线将所述高压直流电源电连接至功率逆变器。
10.根据权利要求1所述的放电电路，其中所述放电开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)装置。
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