CN112106267A - 用于开关的保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电力系统的开关的保护电路，保护电路包括具有物理特性的可变电子组件，物理特性的值随温度而改变多达10％，保护电路配置成在电流的强度超出最大授权强度阈值时防止电流通过开关，可变电子组件连接在保护电路中以使得最大授权强度阈值的值直接是物理特性的函数。

Description

用于开关的保护电路

技术领域

本发明涉及一种包括开关和用于保护所述开关免受过电流影响的电子构件的电力系统。

特定来说，本发明涉及机动车辆(特别是电动或混合动力车辆)的领域。更精确地说，在包括用于推进车辆的高电压动力电池和电机的电动或混合动力车辆的上下文中，已知的是，电力逆变器用于将由所述动力电池提供的直流电转换成多个交流电以用于控制所述电机。在此上下文中，本发明涉及包括至少开关和用于保护所述开关免受过电流影响的器件的电气设备，特别是电力逆变器类型的电气设备，本发明使得所述保护器件能够随温度而实时地调适开关保护。

背景技术

如已知的，电动车辆携载电力逆变器(换句话说，直流电多相(特别是三相)电流转换器)以向例如属于电动或混合动力电动机系统的电机供电。

这种电力逆变器包括多个组件，所述多个组件包含必须在宽泛的温度值的范围(例如介于－40℃到+105℃的范围)内进行操作的开关。控制开关(特别是IGBT(“InsulatedGate Bipolar Transistor”,意思为绝缘栅双极型晶体管)型或甚至MOSFET(“Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor”,意思为金属氧化物半导体场效应晶体管)型的开关)以控制所述转换器的输入端与输出端之间的能量传输。

此类开关在其端子处具有最大容许电压，换句话说，击穿电压。在超过所述最大容许电压的情况下，可损坏或甚至毁坏所述开关，从而使电力逆变器不可操作。

在图1中，已展现用于控制IGBT型或MOSFET型的晶体管T1的电路CC1的实例。在这种电路中，通过驱动器(或英文的“driver”)BF将晶体管T1的控制信号S1通过所谓的栅极电阻(方框)Rg提供到晶体管T1的栅极G，所述栅极电阻的值影响晶体管操作。更精确地说，当栅极电阻Rg值较低时，晶体管快速地切换，这使得能够达到较低切换损耗且因此达到良好效率，但可导致可毁坏组件的过电压(与电路的杂散电感相关)和不符合标准的电磁干扰水平。相反，当栅极电阻Rg值较高时，晶体管T1不太快速地切换，这会由于较长的切换时间而导致较高损耗(在闭合和断开时)但这使得能够达到较低过电压和较低电磁干扰水平。因此，选择最佳电阻Rg是影响效率的损耗与可导致毁坏晶体管T1且增加电磁干扰水平的过电压之间的折衷。

在高温(例如大约+105℃)下，IGBT晶体管或MOSFET晶体管的击穿电压通常高于在25℃下的击穿电压，在组件的数据表中阐述了上述温度下的击穿电压。另一方面，在低温(例如大约－40℃)下，IGBT晶体管或MOSFET晶体管的击穿电压较低，大约为在25℃下的击穿电压的5％到7％。因此，在负温下的栅极电阻Rg的较低值可产生过电压，所述过电压的值将高于击穿电压，因此导致晶体管T1毁坏，从而使电力逆变器不可操作。

总之，开关的击穿电压取决于温度。实际上，在开关的端子处的最大容许电压因此随着温度而增加。

根据现有技术，这种问题的解决方案在于配置用于控制此类开关的电路以使得不向所讨论的开关的端子施加高于击穿电压的电压。所述控制电路因此实际上为开关提供免受过电流影响的保护功能。出于此目的，依据击穿电压Vbr且按照根据先前所阐述的原理而确定的最佳折衷来预先确定被允许通过开关的电流的最大强度阈值。在现有技术中，如图2中所绘示，所述阈值Vc是恒定的，以使得对应开关以最佳方式操作的操作区Z1显著地减小。

根据现有技术，由于开关的击穿电压在低温下较低，因此已考虑所设想的最坏使用情况(通常在－40℃下)以设置所述固定阈值。

因此，需要一种用于保护电压转换器(特别是使得在所述开关的端子处容许的最大电压阈值能够优化的电力逆变器)的开关，同时无论温度如何都允许尽可能快地切换所述开关，以便在不超出所述开关的端子处的最大容许电压的情况下(换句话说，在不超出被允许通过所述开关的电流的最大强度的情况下)使损耗最小化的电路。

发明内容

出于此目的，本发明涉及一种用于保护电力系统的开关的电路，所述保护电路包括具有物理特性的可变电子组件，所述物理特性的值随温度而改变至少10％，保护电路配置成在电流的强度超出最大允许强度阈值时禁止所述电流通过所述开关，所述可变电子组件连接在保护电路中以使得最大允许强度阈值的值直接是所述物理特性的函数。

特别地，开关是电子开关，特别是半导体开关，例如晶体管。

借助于本发明，所保护的开关的最佳操作区Z2扩大，参考图3。

根据一个实施例，所述可变电子组件是热电阻。

根据一个实施例，所述可变电子组件是负热系数热电阻。

根据一个实施例，所述可变电子组件是正热系数热电阻。

根据一个实施例，保护电路包括第一比较器，所述第一比较器用于直接根据可变电子组件的物理特性将随用于在开关中流动的电流而变的电压与可变电压的第一阈值进行比较。

根据一个实施例，保护电路包括第二比较器，所述第二比较器用于直接根据可变电子组件的物理特性将随用于在开关中流动的电流而变的电压与可变电压的第二阈值进行比较，第一阈值为正且第二阈值为负。

根据一个实施例，保护电路包括至少一个齐纳二极管，所述齐纳二极管配置成将第一阈值和/或第二阈值限制到最大绝对值。

本发明还涉及一种电力系统，包括：至少一个开关，在其端子处根据温度而具有最大容许电压，所述至少一个开关包括配置成禁止具有高于电流阈值的强度的电流通过开关的端子的关断部件，所述系统包括如先前在上文所描述的保护电路，所述保护电路配置成控制关断部件。

本发明进一步涉及一种电力逆变器，特别是用以向电动或混合动力机动车辆的电动机系统的电机供电的电力逆变器，所述电力逆变器包括如在上文简要描述的电力系统。

附图说明

在阅读以下仅借助于实例给出的描述且参看附图后将更好地理解本发明，所述附图表示：

-图1是根据现有技术的用于控制IGBT晶体管或MOSFET晶体管的电路的图。

-图2是绘示根据现有技术的开关的固定强度保护阈值的表。

-图3是绘示根据本发明的开关的可变强度保护阈值的表。

-图4是根据本发明的保护电路的实例。

-图5是根据本发明的保护电路的另一实例。

具体实施方式

需要提醒的是，在下文中使用不同非限制性实施例描述了本发明，且本发明有可能在本领域的技术人员所了解的知识范围内的替代方案中实施，本发明同样针对这些替代方案。

在以下内容中，根据本发明的保护电路的一种实施特定地针对车辆电力逆变器的上下文。

在下文中所描述的实例中，车辆特别地包括电机、具有电力逆变器形式的电气设备、高电压动力电池、车载高电压电力网络、低电压动力电池、车载低电压电力网络以及多个辅助电气设备。

根据本发明的电气设备在下文中在其用于电力逆变器的实施中予以描述，但不限制本发明的范围。因此，应注意，电气设备可以是除电力逆变器以外的事物，例如车辆车载的充电器或DCDC转换器。

车载低电压电力网络连接低电压动力电池和多个辅助电动设备，以使得低电压动力电池向所述辅助电动设备(例如车载计算器、车窗升降电动机、多媒体系统等)供电。低电压动力电池通常递送例如大约12伏、24伏或48伏的电压。对低电压电池进行充电是由高电压电池经由直流电电压-直流电电压转换器(通常称为直流电对直流电转换器)来执行。

车载高电压电力网络连接高电压动力电池和电力逆变器，以使得高电压动力电池经由电力逆变器为电机提供能量供应功能。高电压动力电池通常递送100伏与900伏之间(优选地在100伏与500伏之间)的电压。对具有电能的高电压动力电池进行充电是通过经由车辆的DC高电压电力网络将高电压动力电池连接到外部电力网络(例如家用交流电力系统)来执行。

电机是旋转电机，优选地是用于通过由高电压动力电池提供的能量驱动车辆车轮的旋转电机。更精确地说，电机是利用多相电流源供电的交流电电机。举例来说，电机可以是交流电电动机。在下文中所描述的优选实例中，电机利用三相电流源供电，但不将本发明的范围限制于此。

在此实例中，控制电机是借助于电力逆变器来执行。所述电力逆变器能够将由高电压动力电池供应的直流电转换成三个交流控制电流，例如正弦电流。换句话说，电力逆变器的功能是将由高电压动力电池输入的直流电转变成使得能够控制电机的三相电流。相反，在另一操作模式下，电机也可将三个交流电提供到电力逆变器，以使得所述电力逆变器将所述交流电转变成使得能够对高电压动力电池进行充电的直流电。

电力逆变器包括安装有电力电子组件的壳体和控制所述电力电子组件的控制单元，向电机供电的能量通过所述壳体，特别是以用于将直流电转变成交流电或用于将交流电转变成直流电。

这些电力电子组件特别地包括电子开关(例如晶体管，特别是IGBT型或MOSFET型)，所述电子开关布置为电路且由控制电路以断开和闭合形式进行控制以便使电能在高电压动力电池与电机之间可控地通过。

用于控制电力逆变器的电子单元包括用于控制电力电子组件的组件，特别是晶体管。更精确地说，电子控制单元控制电力电子组件，以使得所述电力电子组件执行将从限定直接电压的低电压电池接收到的直流电转换成用于控制电机的三个交替相电流(或反之亦然)的功能。

根据本发明，提供了用于电气系统的电子控制单元的所述开关的保护电路，特别是电力逆变器。

根据本发明，如图3中所绘示，在电气系统的所述开关的端子处允许的最大电压阈值Vm随温度而进行实时调适。

举例来说，温度越低，在开关的端子处允许的最大电压阈值Vm减小得越多，且因此可由所述开关传输的功率减小得越多。

应注意，开关能够传输的最大功率的减小意味着可用于由所述转换器供电的电机的功率的下降，但应指出的是，在冷时，电机的性能通常受到限制，这是因为在冷时，所讨论的在旋转电机的定子处的磁场降低所述电机的永久磁体旋转器的磁性能。

根据相同实例，在热时，相反，在开关的端子处允许的最大电压阈值可增加，从而使得能够将更多功率传输到电机。

借助于根据本发明的保护电路，在开关的端子处允许的最大电压阈值因此在本质上(也就是说，在不特别借助软件的情况下)随温度而进行实时调适。

换句话说，被允许通过开关的电流的最大强度阈值本质上随温度而改变。

常规地，当达到被允许通过开关的电流的最大强度阈值(对应于不能超出击穿电压的强度)时，控制关断部件以断开电路，以便确保所述电流不会通过所述开关。

根据本发明，在开关的端子处允许的最大电压的这种限制是通过电子构件(本领域技术人员众所周知的英语术语的“hardware”，与“software”的含义“逻辑的”相反)来进行。图4展示用于保护开关免受过电流影响的这种电路的实例，所述电路能够在本文中在本质上调适被允许通过开关的电流的两个最大强度阈值，所述阈值中的一个为正且另一个为负。

出于此目的，参考图4，另一电子组件Rv整合到保护电路100中，所述另一电子组件Rv具有随温度而改变的电特性，特别是电阻。

根据本发明的另一电子组件是可变的，也就是说，其具有物理特性，所述物理特性的值随温度而显著地改变至少10％。希望在有可能使用电机的环境的温度范围(也就是说，关于车辆，从约－50℃到约+50℃的温度范围)内达到所述物理特性的此10％的变化。

根据图4中所展现的实施例，所述可变电子组件是可变热电阻Rv。举例来说，所述可变热电阻可属于NTC(“Negative Thermal Coefficient”,意思为负热系数)型或属于PTC(“Positive Thermal Coefficient,意思为正热系数)型。

仍然参考图4中所展现的实施例，至少一个可变热电阻Rv(电阻值随温度而改变)因此连接在保护电路100中。

根据所选择的实施例，可变热电阻Rv通过形成分压电桥与固定电阻器R1、固定电阻器R2配合，以便调适分别输入到比较器11和比较器12的电压阈值V1、电压阈值V2。

在图4的实例中，免受过电流影响的开关的保护电路100因此包括三个电阻器R1、电阻器R2、电阻器Rv，所述电阻器的可变热电阻Rv形成连接在电接地与第一比较器11和第二比较器12的相应端子之间的两个分压电桥。比较器11、比较器12两者的实施使得能够将随通过开关的电流的强度而变的所测量的电压V与两个阈值V1、阈值V2进行比较，一个阈值为例如负阈值V1且另一个阈值为正阈值V2。

替代地，应注意，根据本发明的保护电路可在借助于单个比较器分析单个电流阈值的上下文内实施。在这种情况下，包含可变热电阻Rv的仅两个电阻器连接于电接地与比较器的输入端之间，以将随通过开关的电流的强度而变的电压与单个正阈值或负阈值进行比较。

比较器11、比较器12将通过所保护的开关的电流的强度而变的电压V与来自包括可变热电阻Rv的分压电桥的阈值V1、阈值V2两者中的每一个进行比较。所述阈值V1、阈值V2因此在本质上可随温度而改变。

综上所述，根据本发明，将保护电路命令关断部件断开电路以防止电流通过开关的最大强度阈值设置成使得例如所述阈值随温度线性地增加。

然而，当然有可能进行如下布置：根据所述布置，保护电路命令关断部件断开电路以防止电流通过开关的所述电流阈值可随温度而以不同方式改变。

电流阈值可因此随温度减小或甚至随温度而以非线性方式改变。在这种情况下，例如，可将一个或多个齐纳二极管添加到关断电路100以便例如在温度较高时限制保护电路命令关断部件断开电路以防止电流通过开关的阈值。

参考图5，两个齐纳二极管D1、齐纳二极管D2可连接在关断电路101的电接地与来自通过电阻器R1、电阻器R2、电阻器Rv形成的分割电桥的负阈值V1和正阈值V2分别连接的第一比较器11和第二比较器12的相应端子之间。

齐纳二极管D1、齐纳二极管D2用于限制阈值V1、阈值V2，其与将作为通过所保护的开关的电流的强度的函数的所测量的电压V进行比较。

Claims (9)

1.一种用于电力系统的开关的保护电路(100)，所述保护电路(100)包括具有物理特性的可变电子组件(Rv)，所述物理特性的值随温度而改变至少10％，所述保护电路(100)配置成在电流的强度超出最大允许强度阈值时禁止所述电流通过所述开关，所述可变电子组件(Rv)连接在所述保护电路(100)中以使得所述最大允许强度阈值的值直接是所述物理特性的函数。

2.根据权利要求1所述的保护电路(100)，其中所述可变电子组件(Rv)是热电阻。

3.根据权利要求2所述的保护电路(100)，其中所述可变电子组件(Rv)是负热系数热电阻。

4.根据权利要求2所述的保护电路(100)，其中所述可变电子组件是正热系数热电阻(Rv)。

5.根据前述权利要求所述的保护电路(100)，包括第一比较器(11)，用于直接根据所述可变电子组件(Rv)的所述物理特性将随用于在所述开关中流动的所述电流而变的电压与可变电压的第一阈值进行比较。

6.根据前述权利要求所述的保护电路(100)，包括第二比较器(12)，用于直接根据所述可变电子组件(Rv)的所述物理特性将随意图在所述开关中流动的所述电流而变的电压与可变电压的第二阈值进行比较，所述第一阈值为正且所述第二阈值为负。

7.根据权利要求5或6所述的保护电路(100)，包括至少一个齐纳二极管，配置成将所述第一阈值和/或所述第二阈值限制到最大绝对值。

8.一种电力系统，包括：至少一个开关，在其端子处根据温度而具有最大容许电压，所述至少一个开关包括配置成禁止具有高于电流阈值的强度的电流通过所述开关的端子的关断部件，所述系统包括根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的保护电路(100)，所述保护电路配置成控制所述关断部件。

9.一种电力逆变器，特别是用以向电动或混合动力机动车辆的电动机系统的电机供电的电力逆变器，包括根据前述权利要求所述的电力系统。

Images