CN107870280A - 一种用于在包括igbt型晶体管的电网中检测短路的方法及相关控制装置 - Google Patents

一种用于在包括igbt型晶体管的电网中检测短路的方法及相关控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在包括IGBT型晶体管的电网中检测短路的方法，所述晶体管包括栅极、集电极和发射极，并且定义主电流在所述集电极和所述发射极之间流动时为开通状态以及所述集电极与所述发射极之间电气绝缘时为关断状态。所述检测方法包括在具有预定长度的瞬时观察窗口中观察所述主电流的时间导数的符号，以及基于所述主电流的时间导数的符号，在所述瞬时观察窗口中检测短路。

Description

一种用于在包括IGBT型晶体管的电网中检测短路的方法及相 关控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于在包括IGBT型晶体管的电网中检测短路的方法及相关控制装置。
背景技术
以一种本身已知的方式，IGBT型晶体管(绝缘栅双极型晶体管)包括三个电端子或触点，即栅极、集电极和发射极。
IGBT晶体管尤其可用作电开关。实际上，此类晶体管定义集电极与发射极电气连接时为开通状态，以及集电极与发射极彼此之间电气绝缘时为关断状态。
通过合适的控制工具，将设定电压施加在栅极上来控制两个状态之间的切换。
特别地，截止状态和开通状态之间的切换包括切换至触发阶段以及切换至截止阶段，切换至触发阶段包括将晶体管从关断状态切换为开通状态，切换至截止阶段包括将晶体管从开通状态切换为关断状态。
通常，IGBT晶体管的操作由合适的控制装置来控制，特别地，能够检测使用晶体管的电网中的短路。
此类短路，例如，可能在正在讨论的将晶体管切换至触发阶段期间，出现在支路中的另一个IGBT晶体管的集电极和发射极之间，并且可能严重损坏后者。
为了检测短路，现有控制装置执行一种检测方法，该检测方法包括分析集电极和发射极之间电压测量值，以及基于这些测量值检测短路。
然而，现有控制装置和由这些装置执行的检测短路的方法并不那么尽如人意。
特别地，电压测量值一般必须是高精度的，以便有效检测短路。此问题与高电压下操作的晶体管尤其相关，例如，在铁路领域使用的那些晶体管。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于在包括IGBT型晶体管的电网中检测短路的方法，从而能够在不必精确测量晶体管中电压值的情况下有效检测短路。
为此，本发明涉及一种用于在包括IGBT型晶体管的电网中检测短路的方法，所述IGBT型晶体管包括栅极、集电极和发射极，并且定义主电流在集电极和发射极之间流动时为开通状态以及集电极与发射极之间电气绝缘时为关断状态。
所述检测方法包括在具有预定长度的瞬时观察窗口中观察主电流的时间导数的符号，以及基于所述主电流的时间导数的符号，在瞬时观察窗口中检测短路。
根据本发明的其他有利方面，所述方法包括下列特征中的一个或多个，这些特征可以单独考虑或者根据所有可能的技术组合考虑：
-在将所述晶体管在开通状态和关断状态之间切换的阶段执行所述方法；
-所述切换阶段为切换至触发阶段，所述切换至触发阶段包括将晶体管从关断状态切换为开通状态；
-所述瞬时观察窗口的开始对应于所述切换至触发阶段的开始；
-所述方法包括以下步骤，包括在瞬时观察窗口中观察主电流的时间导数的符号，以及当主电流的时间导数在预定测试周期内为严格正时，检测短路存在；
-所述方法还包括确认短路存在的步骤，该步骤包括当主电流的时间导数在所述测试周期的延长周期内仍大于或等于0时，确认短路存在；
-所述方法包括如果检测到短路，使所述晶体管保持关断状态；
-所述观察窗口的长度包括在1μs和20μs之间。
本发明还涉及一种用于控制IGBT型晶体管的装置，所述IGBT型晶体管包括栅极、集电极和发射极，并且定义主电流在集电极和发射极之间流动时为开通状态以及集电极与发射极之间电气绝缘时为关断状态。
所述装置能够在具有预定长度的瞬时观察窗口中观察主电流的时间导数的符号，以及基于主电流的时间导数的符号，在瞬时观察窗口中检测短路。
附图说明
通过阅读以下描述，本发明的这些特征和优点将是显而易见，该描述仅仅作为一个非限制性的例子，并且将结合附图对进行描述，其中：
-图1为根据本发明的，尤其是包括IGBT型晶体管的,电网及用于控制所述晶体管的装置的示意图；
-图2为一种由图1中的控制装置执行的用于检测短路的方法的流程图；以及
-图3为用于说明图2中的用于检测短路的方法的示意图。
具体实施方式
图1中的电网10可用于至少部分地控制功率元件12的操作，功率元件12尤其包括两个端子Eaux和Ep。
电网10和功率元件12尤其可用于铁路领域，并且，例如，可用于铁路车辆舱内。
参考图1，电网10包括与功率元件12连接的晶体管14以及根据本发明所述的晶体管14的控制装置20。
晶体管14为IGBT型晶体管(绝缘栅双极型晶体管)。
晶体管14本身已知，并且尤其包括三个电端子或触点，即栅极G、集电极C和发射极E。
发射极E尤其与功率元件12的Eaux端子连接。
晶体管14定义电流IC(以下称为主电流)在集电极C和发射极E之间流动时为开通状态，以及集电极C与发射极E之间电气绝缘时为关断状态。
此外，不论晶体管14的状态如何，二极管15允许电流从发射极E向集电极C传递。
电压测量模块16一方面与晶体管14的栅极G连接，另一方面与晶体管14的发射极E连接，并且能够测量栅极G和发射极E之间的电压VGE。
电压测量模块16，例如，具有合适的电压计。
电流变化测量模块18与功率元件12的端子Eaux和Ep连接，因此能够检测流过功率元件12的主电流IC的强度的任何变化。
换句话讲，模块18能够随着时间检测主电流IC的强度值的任何增大或减少。
同样换句话讲，模块18能够检测主电流IC的时间导数dIC/dt的符号。
为此，模块18能够测量功率元件12的端子Eaux和Ep之间的电压U。因为时间导数dIC/dt与电压U线性相关，主电流IC的时间导数dIC/dt的符号是由电压U的符号确定的。实际上，电压U等于时间导数dIC/dt和功率元件12的电感的乘积。
控制装置20与晶体管14的栅极G连接，并且能够通过向栅极G施加设定电压和设定电流来控制晶体管14的操作。
控制装置20还能够执行用于检测短路的方法100，该方法将于后面进行更详细的介绍。
控制装置20还与模块16和18连接以分别重新获得电压VGE的测量值和dIC/dt的符号，并且与提供正设定电压和负设定电压的电源(未示出)连接。
该正设定电压，例如，大体上等于+15V。
该负设定电压，例如，大体上等于-15V。
控制装置20，例如，包括控制电路和计算机，该计算机与控制电路连接，并且能够对来自模块16和18的测量值进行数字处理以执行检测方法100中的至少一些步骤。
最后，控制装置20能够，例如，从中央计算机(未示出)，接收晶体管14的触发命令和截止命令。
现在将说明电网10，尤其是晶体管14，的操作。
由控制装置20对晶体管14的操作进行的控制包括切换至触发阶段、触发阶段、切换至截止阶段、及截止阶段。
在触发阶段，控制装置20通过向栅极G施加正设定电压，使晶体管14保持开通状态。
在截止阶段，控制装置20通过向栅极G施加负设定电压，使晶体管14保持关断状态。
切换至触发阶段为截止阶段和触发阶段之间的过渡阶段，尤其能够使晶体管14从关断状态切换至开通状态。
切换至截止阶段为触发阶段和截止阶段之间的过渡阶段，尤其能够使晶体管14从开通状态切换至关断状态。
切换至触发阶段和切换至截止阶段包括若干切换步骤。在这些步骤中，控制装置20在晶体管14的栅极上产生设定电流，基于正在进行的切换步骤，设定电流的强度为不同设定数值。
根据一个示例性实施例，根据主电流IC的时间漂移dIC/dt的符号、栅极G和发射极之间的电压VGE的测量值，和/或相应步骤的最大可接受持续时间，确定切换步骤之间的过渡时刻。
根据另一个示例性实施例，根据集电极和发射极之间的电压的测量值和流过集电极的电流的强度，确定这些过渡时刻。
在切换至触发阶段，控制装置20执行用于检测短路的切换方法100。
特别地，方法100包括若干步骤，其流程图在图2中示出。
在步骤110中，控制装置20在瞬时观察窗口Tobs中观察主电流IC的时间导数dIC/dt的符号。
瞬时观察窗口Tobs的开始对应于切换至触发阶段的开始。
如果主电流IC的时间导数dIC/dt在预定测试周期Tt内为严格正，装置20在步骤120中检测短路存在。否则，控制装置20推断不会发生短路。
有利地，所述方法还包括步骤130，在步骤130中，装置20确认检测到的短路存在。
特别地，在步骤130中，当主电流IC的时间导数dIC/dt在测试周期Tt的延长周期内仍大于或等于0时，控制装置20确认短路存在。否则，控制装置20推断并未发生过短路。
延长周期从测试周期Tt的结束开始，并且，例如，与瞬时观察窗口Tobs一同结束。
当已检测到短路时，控制装置20随后发出短路信号，并且使晶体管14至少在预定截止周期内保持关断状态。
测试周期Tt可由控制装置20配置，并且可在执行方法100之前，在例如，1μs和10μs之间进行调整。
观察窗口Tobs的长度可由控制装置20配置，并且可在执行方法100之前，在例如，1μs和20μs之间进行调整。
测试周期Tt和延长周期被包括在观察窗口Tobs中。
图3示出了两个实现切换至触发阶段的示例中的主电流IC和主电流IC的时间导数dIC/dt的特性。
在对应实线曲线Ic和dIC/dt的第一个示例中，未发生短路。在这种情况下，导数dIC/dt的符号在测试周期Tt内改变，所以控制装置20未检测到任何短路。
在对应虚线曲线Ic和dIC/dt的第二个例子中，发生了短路。在这种情况下，导数dIC/dt的符号在测试周期Tt内为严格正，并且在该周期外也为正。因此，控制装置20检测到短路。
我们可以看到，本发明具有一些优点。
根据本发明所述的检测方法能够仅通过在不同时间周期内对主电流IC的时间导数dIC/dt的符号进行分析来检测晶体管中的短路。
应当注意的是，对于执行该方法，不必测量主电流IC的值或其导数dIC/dt的值。因此，只有导数dIC/dt的符号对于该检测方法来说是至关重要的，从而能够简化对电网中各种测量工具的要求。
这尤其有利于在高压下操作的晶体管，尤其是在铁路领域中使用的那些晶体管。
最后，应当注意的是，无需逆变器反馈电路，尤其是无需与功率元件端子间电压连接的电路，来限制截止期间的过电压。于是，这成为本发明的一个特别的优点。

Claims (8)

1.一种用于在包括IGBT型晶体管(14)的电网(10)中检测短路的方法(100)，所述晶体管(14)包括栅极(G)，集电极(C)和发射极(E)，并且定义主电流(IC)在所述集电极(C)和所述发射极(E)之间流动时为开通状态以及所述集电极(C)与所述发射极(E)之间电气绝缘时为关断状态；
所述检测方法(100)包括在具有预定长度的瞬时观察窗口(Tobs)中观察所述主电流(IC)的时间导数(dIC/dt)的符号，以及基于所述主电流(IC)的时间导数(dIC/dt)的符号，在所述瞬时观察窗口(Tobs)中检测短路；
所述检测方法包括以下步骤：
-在所述瞬时观察窗口(Tobs)中观察(110)所述主电流(IC)的时间导数(dIC/dt)的符号；
-当所述主电流(IC)的时间导数(dIC/dt)在预定测试周期(Tt)内为严格正时，检测(120)短路存在。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，在将所述晶体管(14)在所述开通状态和关断状态之间切换的阶段执行所述方法(100)。
3.根据权利要求2所述的方法(100)，其中所述切换阶段为切换至触发阶段，所述切换至触发阶段包括将所述晶体管(14)从关断状态切换至开通状态。
4.根据权利要求3所述的方法(100)，其中所述瞬时观察窗口(Tobs)的开始对应于所述切换至触发阶段的开始。
5.根据权利要求1所述的方法(100)，还包括确认短路存在的步骤(130)，所述步骤(130)包括当所述主电流(IC)的时间导数(dIC/dt)在所述测试周期(Tt)的延长周期内仍大于或等于0时，确认短路存在。
6.根据权利要求1所述的方法(100)，还包括如果检测到短路，使所述晶体管(14)保持关断状态。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，其中所述观察窗口(Tobs)的长度包括在1μs和20μs之间。
8.一种用于IGBT型晶体管(14)的控制装置(20)，所述晶体管(14)包括栅极(G)，集电极(C)和发射极(E)，并且定义主电流(IC)在所述集电极(C)和所述发射极(E)之间流动时为开通状态以及所述集电极(C)与所述发射极(E)之间电气绝缘时为关断状态；
所述装置(20)能够在具有预定长度的瞬时观察窗口(Tobs)中观察所述主电流(IC)的时间导数(dIC/dt)的符号，以及基于所述主电流(IC)的时间导数(dIC/dt)的符号，在所述瞬时观察窗口(Tobs)中检测短路；
所述装置被配置成：
-在所述瞬时观察窗口(Tobs)中观察所述主电流(IC)的时间导数(dIC/dt)的符号；
-当所述主电流(IC)的时间导数(dIC/dt)在预定测试周期(Tt)内为严格正时，检测短路存在。
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