CN111123061A - 一种快速响应的正反向管压降检测电路 - Google Patents

一种快速响应的正反向管压降检测电路 Download PDF

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Abstract

一种快速响应的正反向管压降检测电路，用于桥式电路中的开关管IGBT的正反向管压降的检测；正反向管压降是指IGBT的集电极和发射极两端并联有二极管，正向电流流过导通的IGBT集电极和发射极两端、反向电流流过二极管时的管压降。包括与桥式电路相连接的限压检测电路和正负信号调理电路。限压检测电路包括上采样电阻、钳位二极管、稳压管、限流电阻、滤波电容、第一运算放大器同相端匹配电阻、下采样电阻、第一运算放大器、第一运算放大器反向比例电阻。正负信号调理电路包含基准电压源、第二运算放大器同相端匹配电阻、第二运算放大器反向端输入电阻、第二运算放大器、第二运算放大器反向比例电阻。

Description

一种快速响应的正反向管压降检测电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种快速响应的正反向管压降检测电路。
背景技术
MMC柔性直流输电换流阀的桥臂由很多个功率单元串联构成，功率单元为半桥电路或全桥电路，在每个开关管的两端还并联有二极管，提供反向通流路径。功率单元的损耗中，一部分是开关管和二极管的开关损耗，一部分是开关管和二极管的通态损耗，而开关管和二极管的通态损耗与开关管的压降、二极管的压降直接相关。开关管在导通时仅为数伏，而在关断时开关管两端的电压可达到数千伏；与开关管并联的二极管，在断开时承受承受数千伏的电压，在导通时却承受反向的数伏电压。目前传统的示波器测试方法，无法准确检测桥式电路的开关管压降，一般的管压降检测电路也仅能检测正向电压。由于功率单元处于高频开关状态，检测电路应具有快速的动态响应特性，而一般采样芯片的输入端，都会有一定的寄生电容，直接用分压电路采样会引起百微秒级的信号延时，需要研究新型的管压降检测电路。
发明内容
为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供一种快速响应的正反向管压降检测电路，适用于桥式电路上桥臂器件或下桥臂器件的正负管压降快速响应检测。本电路利用运算放大器的输入虚短特性，避免了采样电阻对运放输入端电容充放电的过程，并配置了钳位二极管和加法运算电路，以实现适应数伏至数千伏的输入电压范围，且能够快速、精确检测正负管压降的功能。以方便设计人员核算功率单元开关管和二极管的通态损耗。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种快速响应的正反向管压降检测电路，所述的检测电路用于桥式电路中的开关管IGBT的正反向管压降的检测；正反向管压降是指IGBT的集电极和发射极两端并联有二极管，正向电流流过导通的IGBT集电极和发射极两端、反向电流流过二极管时的管压降。
所述的检测电路包括与桥式电路相连接的限压检测电路和正负信号调理电路。
所述的限压检测电路包括上采样电阻(4)、钳位二极管(5)、稳压管(6)、限流电阻(7)、滤波电容(8)、第一运算放大器同相端匹配电阻(9)、下采样电阻(10)、第一运算放大器(11)、第一运算放大器反向比例电阻(12)。
上采样电阻(4)与下采样电阻(10)串联后，一端连接在桥式电路中的被测IGBT的集电极，另一端接入第一运算放大器(11)的反向输入端，上采样电阻(4)与下采样电阻(10)串联的中间点连接至钳位二极管(5)的阳极，限流电阻(7)和滤波电容(8)串联连接到正供电电源VCC和GND两端，限流电阻(7)和滤波电容(8)串联的中间点连接至钳位二极管(5)的阴极和稳压管(6)的阴极，稳压管(6)的阳极连接至公共地电位GND，第一运算放大器(11)的同相输入端通过第一运算放大器同相端匹配电阻(9)连接到公共地电位(GND)，第一运算放大器(11)的反向输入端和输出端连接第一运算放大器反向比例电阻(12)，第一运算放大器(11)的输出端为限压检测电路的输出端。
所述的正负信号调理电路包含基准电压源(13)、第二运算放大器同相端匹配电阻(14)、第二运算放大器反向端输入电阻(15)、第二运算放大器(16)、第二运算放大器反向比例电阻(17)。
限压检测电路的输出端作为正负信号调理电路的输入端，输入信号经第二运算放大器(16)的反向端输入电阻(15)接到第二运算放大器(16)的反向输入端，基准电压源(13)连接到正供电电源VCC和GND两端，基准电压源(13)的输出端经第二运算放大器(16)的同相端匹配电阻(14)连接至第二运算放大器(16)的同向输入端，第二运算放大器(16)的反向输入端与输出端之间连接第二运算放大器(16)的反向比例电阻(17)，第二运算放大器(16)的输出端为正负信号调理电路的输出端，即所述的检测电路的输出端。
所述公共地电位GND连接到被测IGBT的发射极，也是被测二极管的阳极。
所述的正负信号调理电路的输出端，即快速响应的正反向管压降检测电路的输出端，其输出电压以通过基准电压源(13)、第二运算放大器(16)的反向端输入电阻(15)、第二运算放大器(16)的反向比例电阻(17)配置的电压为基准电位；快速响应的正反向管压降检测电路输入正向的管压降信号时，则输出电压高于基准电位；快速响应的正反向管压降检测电路输入负向管压降信号时，则输出电压低于基准电位。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明可以应用于任意拓扑的管压降检测，如桥式电路中上管或下管均可以实现管压降快速响应检测，电路适应性强；
2)本发明发挥了运算放大器反向放大电路的同相端、反相端电压保持不变的原理，避免了运放输入电容的参与，实现了管压降快速响应检测；
3)本发明采用了钳位二极管，限制了高压信号，有效控制了采样范围，提高了采样精度；
4)本发明应用了正负信号调理电路可以将正负信号调理为围绕某正向基准电压的变化的电压信号，降低了对模数转换芯片的要求。
附图说明
图1是本发明的一种快速响应的正反向管压降检测电路的全桥拓扑下管压降检测原理框图；
图2是本发明的一种快速响应的正反向管压降检测电路的半桥拓扑下管压降检测原理框图；
图3是本发明的一种快速响应的正反向管压降检测电路的全桥拓扑下管压降检测原理图；
图4是本发明的一种快速响应的正反向管压降检测电路的半桥拓扑下管压降检测原理图。
图中：1-母线电容器 2-第一上IGBT 3-第一下IGBT 4-上采样电阻 5-钳位二极管6-稳压管 7-限流电阻 8-滤波电容 9-第一运算放大器同相端匹配电阻 10-下采样电阻11-第一运算放大器 12-第一运算放大器反向比例电阻 13-基准电压源 14-第二运算放大器同相端匹配电阻 15-第二运算放大器反向端输入电阻 16-第二运算放大器 17-第二运算放大器反向比例电阻 18-第一上二极管 19-第一下二极管 20-第二上IGBT 21-第二下IGBT 22-第二上二极管 23-第二下二极管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
一种快速响应的正反向管压降检测电路，可以应用于任意拓扑的管压降检测检测，如功率模块常用的桥式电路，所述的桥式电路可以是图1的全桥电路，包括上IGBT(20和2)、下IGBT(21和3)、上二极管(22和18)、下二极管(21和19)以及并联在上IGBT(20和2)、下IGBT(21和3)、上二极管(22和18)、下二极管(21和19)两端的母线电容1；所述的所述的桥式电路还可以是图2的半桥电路，包括上IGBT(2)、下IGBT(3)、上二极管(18)、下二极管(19)以及并联在上IGBT(2)、下IGBT(3)、上二极管(18)、下二极管(19)两端的母线电容1。
已检测桥式电路的下IGBT(3)和下二极管(19)两端的正反向压降为例，如图1和图2所示。图1为全桥结构，图2为半桥结构。
如图1-2所示，所述的检测电路包括限压检测电路和正负信号调理电路。
所述的检测电路包括与桥式电路相连接的限压检测电路和正负信号调理电路。
所述的限压检测电路包括上采样电阻(4)、钳位二极管(5)、稳压管(6)、限流电阻(7)、滤波电容(8)、第一运算放大器同相端匹配电阻(9)、下采样电阻(10)、第一运算放大器(11)、第一运算放大器反向比例电阻(12)。
上采样电阻(4)与下采样电阻(10)串联后，一端连接在桥式电路中的被测IGBT(3)的集电极，另一端接入第一运算放大器(11)的反向输入端，上采样电阻(4)与下采样电阻(10)串联的中间点连接至钳位二极管(5)的阳极，限流电阻(7)和滤波电容(8)串联连接到正供电电源VCC和GND两端，限流电阻(7)和滤波电容(8)串联的中间点连接至钳位二极管(5)的阴极和稳压管(6)的阴极，稳压管(6)的阳极连接至公共地电位GND，第一运算放大器(11)的同相输入端通过第一运算放大器同相端匹配电阻(9)连接到公共地电位(GND)，第一运算放大器(11)的反向输入端和输出端连接第一运算放大器反向比例电阻(12)，第一运算放大器(11)的输出端为限压检测电路的输出端。
所述的正负信号调理电路包含基准电压源(13)、第二运算放大器同相端匹配电阻(14)、第二运算放大器反向端输入电阻(15)、第二运算放大器(16)、第二运算放大器反向比例电阻(17)。
限压检测电路的输出端作为正负信号调理电路的输入端，输入信号经第二运算放大器(16)的反向端输入电阻(15)接到第二运算放大器(16)的反向输入端，基准电压源(13)连接到正供电电源VCC和GND两端，基准电压源(13)的输出端经第二运算放大器(16)的同相端匹配电阻(14)连接至第二运算放大器(16)的同向输入端，第二运算放大器(16)的反向输入端与输出端之间连接第二运算放大器(16)的反向比例电阻(17)，第二运算放大器(16)的输出端为正负信号调理电路的输出端，即所述的检测电路的输出端。
所述公共地电位GND连接到被测IGBT(3)的发射极，也是被测二极管的阳极。
所述的正负信号调理电路的输出端，即快速响应的正反向管压降检测电路的输出端，其输出电压以通过基准电压源(13)、第二运算放大器(16)的反向端输入电阻(15)、第二运算放大器(16)的反向比例电阻(17)配置的电压为基准电位；快速响应的正反向管压降检测电路输入正向的管压降信号时，则输出电压高于基准电位；快速响应的正反向管压降检测电路输入负向管压降信号时，则输出电压低于基准电位。
所述第一运算放大器(11)和第二运算放大器(16)由正负电源(VCC和VEE)供电。
本发明的电路原理解释如下：
1)当被测的下IGBT(3)处于导通状态，且下IGBT(3)和下二极管(19)均无电流流过时，各部分电路的状态如下：稳压管(6)处于齐纳击穿状态，滤波电容(8)的电压为稳压管(6)的稳压阈值；钳位二极管(5)处于反向截止状态，第一运算放大器(11)的输出电压为0V；基准电压源(13)输出设定电压；第二运算放大器(16)的输出电压为基准电压源(13)与第二运算放大器反向端输入电阻(15)、第二运算放大器反向比例电阻(17)的配置电压。
2)当被测的下IGBT(3)流过电流时，下IGBT(3)产生正向压降，第一运算放大器(11)输出根据上采样电阻(4)、下采样电阻(10)、第一运算放大器反向比例电阻(12)配置的反向电压。第二运算放大器(16)则依据第二运算放大器反向端输入电阻(15)、第二运算放大器反向比例电阻(17)的配置，升高输出电压。
3)下二极管(19)流过电流时，下二极管(19)两端产生反向压降，第一运算放大器(11)输出根据上采样电阻(4)、下采样电阻(10)、第一运算放大器反向比例电阻(12)配置的正向电压。第二运算放大器(16)则依据第二运算放大器反向端输入电阻(15)、第二运算放大器反向比例电阻(17)的配置，降低输出电压。
4)当被测的下IGBT(3)关断，上IGBT(2)导通时，下IGBT(3)两端的电压升高，当上采样电阻(4)和下采样电阻(10)的中间点电压超过稳压管(6)的稳压阈值时，钳位二极管(5)导通，防止上采样电阻(4)和下采样电阻(10)的中间点电压继续升高，同时限制了第二运算放大器(16)的最大输出电压。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (3)

1.一种快速响应的正反向管压降检测电路，所述的检测电路用于桥式电路中的开关管IGBT的正反向管压降的检测；正反向管压降是指IGBT的集电极和发射极两端并联有二极管，正向电流流过导通的IGBT集电极和发射极两端、反向电流流过二极管时的管压降；
其特征在于，所述的检测电路包括与桥式电路相连接的限压检测电路和正负信号调理电路；
所述的限压检测电路包括上采样电阻(4)、钳位二极管(5)、稳压管(6)、限流电阻(7)、滤波电容(8)、第一运算放大器同相端匹配电阻(9)、下采样电阻(10)、第一运算放大器(11)、第一运算放大器反向比例电阻(12)；
上采样电阻(4)与下采样电阻(10)串联后，一端连接在桥式电路中的被测IGBT的集电极，另一端接入第一运算放大器(11)的反向输入端，上采样电阻(4)与下采样电阻(10)串联的中间点连接至钳位二极管(5)的阳极，限流电阻(7)和滤波电容(8)串联连接到正供电电源VCC和GND两端，限流电阻(7)和滤波电容(8)串联的中间点连接至钳位二极管(5)的阴极和稳压管(6)的阴极，稳压管(6)的阳极连接至公共地电位GND，第一运算放大器(11)的同相输入端通过第一运算放大器同相端匹配电阻(9)连接到公共地电位(GND)，第一运算放大器(11)的反向输入端和输出端连接第一运算放大器反向比例电阻(12)，第一运算放大器(11)的输出端为限压检测电路的输出端；
所述的正负信号调理电路包含基准电压源(13)、第二运算放大器同相端匹配电阻(14)、第二运算放大器反向端输入电阻(15)、第二运算放大器(16)、第二运算放大器反向比例电阻(17)；
限压检测电路的输出端作为正负信号调理电路的输入端，输入信号经第二运算放大器(16)的反向端输入电阻(15)接到第二运算放大器(16)的反向输入端，基准电压源(13)连接到正供电电源VCC和GND两端，基准电压源(13)的输出端经第二运算放大器(16)的同相端匹配电阻(14)连接至第二运算放大器(16)的同向输入端，第二运算放大器(16)的反向输入端与输出端之间连接第二运算放大器(16)的反向比例电阻(17)，第二运算放大器(16)的输出端为正负信号调理电路的输出端，即所述的检测电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种快速响应的正反向管压降检测电路，其特征在于，所述公共地电位GND连接到被测IGBT的发射极，也是被测二极管的阳极。
3.根据权利要求1所述的一种快速响应的正反向管压降检测电路，其特征在于，所述的正负信号调理电路的输出端，即快速响应的正反向管压降检测电路的输出端，其输出电压以通过基准电压源(13)、第二运算放大器(16)的反向端输入电阻(15)、第二运算放大器(16)的反向比例电阻(17)配置的电压为基准电位；快速响应的正反向管压降检测电路输入正向的管压降信号时，则输出电压高于基准电位；快速响应的正反向管压降检测电路输入负向管压降信号时，则输出电压低于基准电位。
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