CN110535335B - 一种用于控制能量泄放电路中开关器件的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于控制能量泄放电路中开关器件的方法和系统，其方法包括：采集并输出能量泄放电阻上的电压信号；将电压信号与第一门槛电压比较，基于比较结果输出硬件控制指令；将电压信号与第二门槛电压比较，基于比较结果输出软件控制指令；基于硬件控制指令和软件控制指令输出驱动使能信号；根据驱动使能信号驱动开关器件执行相应的开关动作。本发明可以有效确保开关器件关断时尖峰电压小于击穿电压，且采用软硬件双重保护判断，避免了其中一重出现故障或保护不及时，导致保护失效，同时由于不需要配置吸收电路，电路拓扑简单、体积小、布局方便、成本低。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种用于控制能量泄放电路中开关器件的方法和系统。
背景技术
图1所示为现有技术中一种能量泄放电路的拓扑图。图1中IGBT(Isolated GateBipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)作为开关元件用于控制能量泄放电路，T为三相不可控整流桥，R为能量泄放电阻，D为续流二极管。
当IGBT关断时，由于电路杂散电感的存在，导致产生关断电压
(Ls为杂散电感电感值，di/dt为关断电流变化率)，此时IGBT瞬时所承受的尖峰电压UCE(peak)＝Udc+ΔU(Udc为直流电压)，存在超过其集电极-发射极击穿电压Uces的可能，进而导致IGBT器件过压失效。
针对能量泄放电路中开关元件由于关断过电压带来的过压失效问题，现有技术中往往采用以下几种措施：
(1)降低系统直流电压Udc或选用高Uces的IGBT功率开关器件，但实际产品设计中，由于成本需求，系统会根据Udc大小选用允许的Uces最低等级的IGBT功率开关器件。
(2)采取缓冲电路(吸收电路)降低UCE(peak)，吸收电路有C型、RC型、RCD型等形式，在电路中都需选用低感电容，为确保存储在Ls上的能量全部被电容Cs吸收，要求
在图1所示的能量泄放电路中，其要求的电容容值较大。
(3)降低主回路杂散电感Ls，在产品设计中最有效的办法是采用叠层直流母线(Laminated Busbar)，在图1所示的能量泄放电路中，还需要根据UCE(peak)增加合适的缓冲电路，成本较高。
(4)增加有源钳位电路，只可以减缓抑制尖峰电压UCE(peak)。
(5)增加栅极关断电阻RG(off)，该方法可以降低关断时的di/dt，进而降低关断尖峰电压UCE(peak)，但关断电阻RG(off)增大后，关断损耗也会一定程度上增加。
(6)采用di/dt反馈驱动技术，该方法时利用发射极内部寄生电感在高di/dt时存在电压降，通过对该电压压降进行采集和处理，用来降低栅极-发射极电压UGE的下降斜率，进而降低关断时的di/dt，来降低关断尖峰电压UCE(peak)。
(7)采用软关断驱动技术，该技术是当IGBT模块因短路或过电流故障而关断时，逐渐降低栅极电压，使UGE从正偏压缓慢降到负偏压，并维持一段下降时间，来降低关断时的di/dt，进而降低关断尖峰电压UCE(peak)。
而本发明中为了避免关断过电压带来的影响，提出了一种不同于现有技术的用于控制能量泄放电路中开关器件的方法和系统，通过对能量泄放电阻上的电压进行采集和判断，确定是否关断IGBT，以使功率开关IGBT关断时尖峰电压UCE(peak)<UCES，进而避免能量泄放电路中开关器件发生击穿失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是提供一种用于控制能量泄放电路中开关器件的方法，以避免开关器件发生击穿失效。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例首先提供了一种用于控制能量泄放电路中开关器件的方法，包括以下步骤：
采集并输出能量泄放电阻上的电压信号；
将所述电压信号与第一门槛电压比较，基于比较结果输出硬件控制指令；
将所述电压信号与第二门槛电压比较，基于比较结果输出软件控制指令；
基于所述硬件控制指令和软件控制指令输出驱动使能信号；
根据所述驱动使能信号驱动开关器件执行相应的开关动作。
优选地，
当所述电压信号大于等于第一门槛电压时，输出所述硬件控制指令为开通开关器件，当所述电压信号小于第一门槛电压时，输出所述硬件控制指令为关断开关器件；
当所述电压信号大于等于第二门槛电压时，输出所述软件控制指令为开通开关器件；当所述电压信号小于第二门槛电压时，输出所述软件控制指令为关断开关器件；
当所述硬件控制指令和/或软件控制指令为开通开关器件时，输出用于保持所述开关器件开通的驱动使能信号，当所述硬件控制指令和软件控制指令均为关断开关器件时，输出用于驱使所述开关器件关断的驱动使能信号。
优选地，所述第一门槛电压大于第二门槛电压。
优选地，当所述开关器件为绝缘栅双极型晶体管时，按照以下条件设置所述第一门槛电压：
当所述电压信号等于第一门槛电压时，所述绝缘栅双极型晶体管的关断尖峰电压小于击穿电压。
优选地，根据所述开关器件的关断时机设置所述第二门槛电压。
优选地，所述用于保持所述开关器件开通的驱动使能信号为用于保持所述开关器件开通时，屏蔽其他驱动所述开关器件关断的信号，使所述开关器件保持开通；
所述用于驱使所述开关器件关断的驱动使能信号为用于驱使所述开关器件关断时，允许其他驱动所述开关器件关断的信号，使所述开关器件关断。
本发明的实施例还提供了一种用于控制能量泄放电路中开关器件的系统，其特征在于，包括：
电压采样单元，其用于采集并输出能量泄放电阻上的电压信号；
硬件比较单元，其用于接收所述电压采样单元输出的电压信号，将所述电压信号与第一门槛电压比较，基于比较结果输出硬件控制指令；
软件控制单元，其用于接收所述电压采样单元输出的电压信号，将所述电压信号与第二门槛电压比较，基于比较结果输出软件控制指令；
逻辑判断单元，其用于接收所述硬件比较单元输出的硬件控制指令和所述软件控制单元输出的软件控制指令，并根据所述硬件控制指令和软件控制指令输出驱动使能信号；
驱动电路单元，其用于接收所述逻辑判断单元输出的驱动使能信号，并根据所述驱动使能信号驱动开关器件执行相应的开关动作。
优选地，所述硬件比较单元配置为，当所述电压信号大于等于第一门槛电压时，输出所述硬件控制指令为开通开关器件，当所述电压信号小于第一门槛电压时，输出所述硬件控制指令为关断开关器件；
所述软件控制单元配置为，当所述电压信号大于等于第二门槛电压时，输出所述软件控制指令为开通开关器件；当所述电压信号小于第二门槛电压时，输出所述软件控制指令为关断开关器件；
所述逻辑判断单元配置为，当所述硬件控制指令和/或软件控制指令为开通开关器件时，输出用于保持所述开关器件开通的驱动使能信号，当所述硬件控制指令和软件控制指令均为关断开关器件时，输出用于驱使所述开关器件关断的驱动使能信号。
优选地，所述第一门槛电压大于第二门槛电压。
优选地，所述开关器件为绝缘栅双极型晶体管，所述第一门槛电压的取值使得，当所述电压信号等于所述第一门槛电压时，所述绝缘栅双极型晶体管的关断尖峰电压小于击穿电压。
优选地，所述第二门槛电压的取值取决于所述开关器件的关断时机。
优选地，所述驱动电路单元配置为，
所述用于保持所述开关器件开通的驱动使能信号为用于保持所述开关器件开通时，屏蔽其他驱动所述开关器件关断的信号，使所述开关器件保持开通；
所述用于驱使所述开关器件关断的驱动使能信号为用于驱使所述开关器件关断时，允许其他驱动所述开关器件关断的信号，使所述开关器件关断。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明通过对能量泄放电阻上的电压进行采集和判断，以确定是否关断开关器件，可以有效确保开关器件关断时尖峰电压小于击穿电压。此外，本发明采用软硬件双重保护判断，避免了其中一重出现故障或保护不及时，导致保护失效。同时，本发明中不需要配置吸收电路，电路拓扑简单、体积小、布局方便、成本低。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本发明实施例的附图与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，但并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是现有技术中一种能量泄放电路的拓扑图；
图2是根据本发明一实施例的用于控制能量泄放电路中开关元件的方法的流程示意图；
图3是根据本发明一实施例的用于控制能量泄放电路中开关元件的系统的构成示意图；
图4是根据图3中所示系统的一具体电路示意图；
图5是根据图4中所示电路的信号判断流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本发明实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明提出的用于控制能量泄放电路中开关器件的方法，具体流程如图2所示：
首先如步骤S210所示，采集并输出能量泄放电阻上的电压信号。也就对图1中能量泄放电阻R的电压进行采集，并生成电压信号UR。
生成电压信号UR之后，继续进行图2中的步骤S220和步骤S230，步骤S220、步骤S230为根据电压信号分别执行，图2所示不表示两者之间有前后顺序。
步骤S220中，将电压信号UR与第一门槛电压Uref1比较，基于比较结果输出硬件控制指令。这里的比较指的是通过硬件电路实现的比较，基于比较结果输出的控制指令称之为硬件控制指令。
具体的比较过程为，当UR≥Uref1，即电压信号大于等于第一门槛电压时，输出硬件控制指令为开通开关器件，当UR<Uref1，即电压信号小于第一门槛电压时，输出硬件控制指令为关断开关器件。
其中，当开关器件为绝缘栅双极型晶体管时(如图1中的IGBT)，按照以下条件设置第一门槛电压Uref1，当电压信号等于第一门槛电压时，绝缘栅双极型晶体管的关断尖峰电压小于击穿电压。
也就说针对具体规格的IGBT模块和泄放电阻以及根据包含该IGBT模块和泄放电阻的能量泄放电路制造生产的产品实物，采用实验整定或仿真的方法，确定第一门槛电压的值。举例而言，针对图1所示电路，进行实验，使UR为一较小电压值，驱动IGBT关断，用示波器等设备抓取关断时的UCE(peak)，并与Uces进行对比分析，确保UCE(peak)小于集电极-发射极击穿电压Uces。重复进行实验，适当增大UR的电压值，直至找到使IGBT击穿的最小的UR的电压值(相当于安全门限值)，将该值减去适当裕量后作为第一门槛电压的电压值。
步骤S230中，将电压信号UR与第二门槛电压Uref2比较，基于比较结果输出软件控制指令。这里的比较指的是将电压信号UR转换为对应数值，基于该数值通过控制软件进行的比较，基于比较结果输出的控制指令称之为软件控制指令。
具体的，当UR≥Uref2，即电压信号大于等于第二门槛电压时，输出该软件控制指令为开通开关器件，当UR<Uref2，即电压信号小于第二门槛电压时，输出软件控制指令为关断开关器件。
在步骤S220和S230中，第一门槛电压Uref1大于第二门槛电压Uref2，也就是说第二门槛电压的值是相对于上文提到的安全门限值具有更大的裕量。
进一步，在满足第二门槛电压小于第一门槛电压的前提下，可以根据开关器件的关断时机设置第二门槛电压。换而言之，在步骤S230中，第二门槛电压可以根据具体的应用场景，基于开关器件的关断时机需要，灵活调整及设定第二门槛电压的取值。
之后继续图2中步骤S240，基于输出的硬件控制指令和软件控制指令输出驱动使能信号。
具体的，当硬件控制指令和/或软件控制指令为开通开关器件时，也即硬件控制指令和软件控制指令中只要有一个为开通开关器件时，输出用于保持开关器件开通的驱动使能信号。而当硬件控制指令和软件控制指令均为关断开关器件时，输出用于驱使开关器件关断的驱动使能信号。
最后，如图2中步骤S250所示，根据驱动使能信号驱动开关器件执行相应的开关动作。
具体的，用于保持所述开关器件开通的驱动使能信号为用于保持所述开关器件开通时，屏蔽其他驱动开关器件关断的信号，使开关器件保持开通；用于驱使所述开关器件关断的驱动使能信号为用于驱使开关器件关断时，允许其他驱动开关器件关断的信号，使开关器件关断。
举例而言，由于能量泄放电路往往只是一个整体系统的一部分，如为双馈风电变流器系统的电机转子侧的能量泄放电路，因此开关器件的实际开关动作执行还要结合该双馈风电变流器系统需求的开关元件控制信号(相对于驱动使能信号的其他信号)进行。
例如整体系统的开关元件控制信号为驱动开关器件关断的信号A，若驱动使能信号为用于保持开关器件开通的信号，则屏蔽该信号A，也即信号A无效，开关元件保持开通，以确保能量泄放电路中开关元件不发生关断过电压造成的击穿失效。而若驱动使能信号为驱使开关器件关断的信号，则允许该信号A，即关断信号A有效，开关元件执行关断动作，开关器件关断。
这里需要说明的是，本发明中，图1中的开关器件IGBT，可以采用其它能够达到同等功能的功率开关器件替代，而图1中的三相不可控整流桥T和交流电源输入端可以用其他直流能量输入系统或电路替代。
本发明通过对能量泄放电阻上的电压进行采集和判断，以确定是否关断开关器件，可以有效确保开关器件关断时尖峰电压小于击穿电压。且本发明采用软硬件双重保护判断，避免了其中一重出现故障或保护不及时，导致保护失效。同时本发明中不需要配置吸收电路，电路拓扑简单、体积小、布局方便、成本低。
此外，本发明中还提出了一种用于控制能量泄放电路中开关器件的系统，如图3所示，其包括：
电压采样单元31，其用于采集并输出能量泄放电阻上的电压信号。
硬件比较单元32，其用于接收电压采样单元31输出的电压信号，将电压信号与第一门槛电压比较，基于比较结果输出硬件控制指令。硬件比较单元32配置为，当电压信号大于等于第一门槛电压时，输出硬件控制指令为开通开关器件，当电压信号小于第一门槛电压时，输出硬件控制指令为关断开关器件。
软件控制单元33，其用于接收电压采样单元31输出的电压信号，将电压信号与第二门槛电压比较，基于比较结果输出软件控制指令。软件控制单元33配置为，当电压信号大于等于第二门槛电压时，输出软件控制指令为开通开关器件；当电压信号小于第二门槛电压时，输出软件控制指令为关断开关器件。
逻辑判断单元34，其用于接收硬件比较单元32输出的硬件控制指令和软件控制单元33输出的软件控制指令，并根据硬件控制指令和软件控制指令输出驱动使能信号。逻辑判断单元34配置为，当硬件控制指令和/或软件控制指令为开通开关器件时，输出用于保持开关器件开通的驱动使能信号，当硬件控制指令和软件控制指令均为关断开关器件时，输出用于驱使开关器件关断的驱动使能信号。
驱动电路单元35，其用于接收逻辑判断单元34输出的驱动使能信号，并根据驱动使能信号驱动开关器件执行相应的开关动作。驱动电路单元配置35为，用于保持所述开关器件开通的驱动使能信号为用于保持所述开关器件开通时，屏蔽其他驱动开关器件关断的信号，使开关器件保持开通；用于驱使所述开关器件关断的驱动使能信号为用于驱使开关器件关断时，允许其他驱动开关器件关断的信号，使开关器件关断。
该系统中，第一、第二门槛电压值的大小关系，以及两者如何设置，在前文中已进行了说明，这里就不在赘述了。
下面结合图4和图5，以一具体实施例对本发明提出的系统做作进一步说明。
该实施例中，如图4所示的电路图，电压采样单元31包括依次连接的采样电阻R101、R102、差分放大器OP1、比例放大器OP2和电压跟随器VolFoli。能量泄放电阻的电压经分压采样、信号调理得到电压信号UR(如图5所示的信号流程图)，并输出给硬件比较单元32和软件控制单元33。
硬件比较单元32包括比较器COMP，其接收电压信号，通过比较器将电压信号UR与第一门槛电压Uref1进行比较，输出的高低电平信号作为硬件控制指令。具体的，如图5所示，当UR<Uref1，硬件比较单元32输出低电平信号，表示关断开关器件，否则UR≥Uref1，硬件比较单元32输出高电平信号，表示开通开关器件。
软件控制单元33包括控制软件部分和信号输出部分(如图4所示)。在软件控制单元中，电压信号首先进行模数转换(图中未示出)，转换为控制软件可识别的相应数值，在控制软件中该数值与预设的第二门槛电压值进行比较计算。具体的，如图5所示，当UR<Uref2，比较结果为逻辑0，表示关断开关器件，当UR≥Uref2，比较结果为逻辑1，表示开通开关器件，逻辑1和0在图4所示的信号输出部分进行电平转换，对应输出作为软件控制指令的高、低电平信号。
逻辑判断单元34包括或门逻辑电路。硬件控制指令和软件控制指令所对应的电平信号分别接入逻辑或门的输入端，进行逻辑运算。
具体的，当输入都为低电平信号时，或门输出低电平，也即硬件控制指令和软件控制指令均为关断开关器件时，输出用于驱使开关器件关断的驱动使能信号。当输入信号至少一个为高电平时，或门输出高电平，也即硬件控制指令和/或软件控制指令为开通开关器件时，输出用于保持开关器件开通的驱动使能信号。
最后如图4和图5所示，驱动电路单元35接收驱动使能信号，并根据驱动使能信号驱动开关器件执行相应的开关动作。
具体地，如图5所示，接收的驱动使能信号为低电平，表示允许关断开关元件，进而驱动电路单元35结合系统的开关元件控制信号进行判断，若该开关元件控制信号为指示关断，则输出IGBT关断信号，IGBT关断。接收的驱动使能信号为高电平，表示不能输出关断开关元件的信号，则系统的开关元件控制信号无效，保持输出IGBT开通信号，IGBT保持开通，以确保能量泄放电路中IGBT不发生关断过电压造成的击穿失效。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于控制能量泄放电路中开关器件的方法，包括以下步骤：
采集并输出能量泄放电阻上的电压信号；
将所述电压信号与第一门槛电压比较，基于比较结果输出硬件控制指令；
将所述电压信号与第二门槛电压比较，基于比较结果输出软件控制指令；
基于所述硬件控制指令和软件控制指令输出驱动使能信号；
根据所述驱动使能信号驱动开关器件执行相应的开关动作；
其中，
当所述电压信号大于等于第一门槛电压时，输出所述硬件控制指令为开通开关器件，当所述电压信号小于第一门槛电压时，输出所述硬件控制指令为关断开关器件；
当所述电压信号大于等于第二门槛电压时，输出所述软件控制指令为开通开关器件；当所述电压信号小于第二门槛电压时，输出所述软件控制指令为关断开关器件；
当所述硬件控制指令和/或软件控制指令为开通开关器件时，输出用于保持所述开关器件开通的驱动使能信号，当所述硬件控制指令和软件控制指令均为关断开关器件时，输出用于驱使所述开关器件关断的驱动使能信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一门槛电压大于第二门槛电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述开关器件为绝缘栅双极型晶体管时，按照以下条件设置所述第一门槛电压：
当所述电压信号等于第一门槛电压时，所述绝缘栅双极型晶体管的关断尖峰电压小于击穿电压。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述开关器件的关断时机设置所述第二门槛电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述用于保持所述开关器件开通的驱动使能信号为用于保持所述开关器件开通时，屏蔽其他驱动所述开关器件关断的信号，使所述开关器件保持开通；
所述用于驱使所述开关器件关断的驱动使能信号为用于驱使所述开关器件关断时，允许其他驱动所述开关器件关断的信号，使所述开关器件关断。
6.一种用于控制能量泄放电路中开关器件的系统，其特征在于，包括：
电压采样单元，其用于采集并输出能量泄放电阻上的电压信号；
硬件比较单元，其用于接收所述电压采样单元输出的电压信号，将所述电压信号与第一门槛电压比较，基于比较结果输出硬件控制指令；
软件控制单元，其用于接收所述电压采样单元输出的电压信号，将所述电压信号与第二门槛电压比较，基于比较结果输出软件控制指令；
逻辑判断单元，其用于接收所述硬件比较单元输出的硬件控制指令和所述软件控制单元输出的软件控制指令，并根据所述硬件控制指令和软件控制指令输出驱动使能信号；
驱动电路单元，其用于接收所述逻辑判断单元输出的驱动使能信号，并根据所述驱动使能信号驱动开关器件执行相应的开关动作；
其中，
所述硬件比较单元配置为，当所述电压信号大于等于第一门槛电压时，输出所述硬件控制指令为开通开关器件，当所述电压信号小于第一门槛电压时，输出所述硬件控制指令为关断开关器件；
所述软件控制单元配置为，当所述电压信号大于等于第二门槛电压时，输出所述软件控制指令为开通开关器件；当所述电压信号小于第二门槛电压时，输出所述软件控制指令为关断开关器件；
所述逻辑判断单元配置为，当所述硬件控制指令和/或软件控制指令为开通开关器件时，输出用于保持所述开关器件开通的驱动使能信号，当所述硬件控制指令和软件控制指令均为关断开关器件时，输出用于驱使所述开关器件关断的驱动使能信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一门槛电压大于第二门槛电压。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述开关器件为绝缘栅双极型晶体管，所述第一门槛电压的取值使得，当所述电压信号等于所述第一门槛电压时，所述绝缘栅双极型晶体管的关断尖峰电压小于击穿电压。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二门槛电压的取值取决于所述开关器件的关断时机。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述驱动电路单元配置为，
所述用于保持所述开关器件开通的驱动使能信号为用于保持所述开关器件开通时，屏蔽其他驱动所述开关器件关断的信号，使所述开关器件保持开通；
所述用于驱使所述开关器件关断的驱动使能信号为用于驱使所述开关器件关断时，允许其他驱动所述开关器件关断的信号，使所述开关器件关断。
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