CN112332646B - 一种智能功率模块防过电压失效的方法及系统 - Google Patents

一种智能功率模块防过电压失效的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能功率模块防过电压失效的方法及系统，此方法包括步骤：1)获取智能功率模块的直流母线电压值、输出电流值以及智能功率模块中各开关单元的电压值；2)通过直流母线电压值和输出电流值得到智能功率模块关断时刻的峰值电压，以及通过各开关单元的电压值得到其逻辑组合值；3)将峰值电压与逻辑组合值进行比对，并根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间，以防止过电压失效。本发明具有操作简便、成本低、大幅减少热损耗等优点。

Description

一种智能功率模块防过电压失效的方法及系统
技术领域
本发明主要涉及功率模块技术领域，具体涉及一种智能功率模块防过电压失效的方法及系统。
背景技术
IPM(智能功率模块)是一种先进的功率开关器件，兼有GTR(大功率晶体管)高电流、低饱和电压和高耐压的优点，以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减少了系统的体积，缩短了开发时间，也增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向。
IPM集成了驱动电路、欠压保护、过热保护、过流保护、短路保护、电流检测、温度检测等功能，可以大幅度降低系统的复杂性。随着电动汽车的高压化发展趋势，未来EV市场，将出现很多800V的电压平台车型。而IPM芯片的电压等级为1200V，因此相对现在的产品，未来过电压失效的风险会加大(现有电动车母线电压普遍在600V以内，关断时刻的电压尖峰可以达到1000V，因此用1200V电压等级芯片；母线电压提升到800V时，关断电压尖峰可能会达到1300V，因此用1200V芯片有过电压失效风险，其中关断电压尖峰Upeak影响因素有：母线电压UDc、杂散电感Ls和IPM关断电流变化率di/dt；Upeak＝UDC+△Uce，△Uce＝Ls*di/dt)。现有IPM主要用的过压保护方式为降低母线电压、降低系统回路杂散电感，在实际应用时会涉及到整车电池系统、动力系统的大幅度变更，因此会导致成本高，用时长，很难实施。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种操作简便且成本低的智能功率模块防过电压失效的方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种智能功率模块防过电压失效的方法，包括步骤：
1)获取智能功率模块的直流母线电压值、输出电流值以及智能功率模块中各开关单元的电压值；
2)通过直流母线电压值和输出电流值得到智能功率模块关断时刻的峰值电压，以及通过各开关单元的电压值得到其逻辑组合值；
3)将峰值电压与逻辑组合值进行比对，并根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间，以防止过电压失效。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤2)中，通过直流母线电压值和输出电流值得到智能功率模块关断时刻的峰值电压的过程为：
2.1)根据智能功率模块应用工况预设不同电压等级、电流等级下的智能功率模块的关断电流变化率；
2.2)根据直流母线电压值和输出电流值，得到相对应的关断电流变化率；
2.3)根据直流母线电压值与关断电流变化率，得到智能功率模块关断时刻的峰值电压。
步骤2.3)的具体过程为：
通过智能功率模块直流回路的杂散电感Ls和关断电流变化率di/dt，得到当前工况下的集电极-发射极尖峰电压△Uce，△Uce＝Ls*di/dt；
直流母线电压值UDC和集电极-发射极尖峰电压△Uce之和即为关断时刻的峰值电压Upeak，Upeak＝UDC+△Uce。
在步骤2)中，逻辑组合值为各开关单元电压值的平均值。
在步骤3)中，根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间的具体过程为：当比对结果大于第一预设值时，调节关断时间延长第一关断时间；当比对结果大于第二预设值时，调节关断时间延长第二关断时间；其中第二预设值大于第一预设值，第二关断时间大于第一关断时间。
在步骤3)中，如果峰值电压与逻辑组合值均大于预设电压，则关断开关单元，触发过压保护。
在步骤3)中，如果峰值电压与逻辑组合值的比对结果大于预设偏差值，执行基本过压保护：在直流母线电压值大于预设安全电压值，则关断开关单元。
本发明还公开了一种智能功率模块防过电压失效的系统，包括
第一模块，用于获取智能功率模块的直流母线电压值、输出电流值以及智能功率模块中各开关单元的电压值；
第二模块，用于通过直流母线电压值和输出电流值得到智能功率模块关断时刻的峰值电压，以及用于通过各开关单元的电压值得到其逻辑组合值；
第三模块，用于将峰值电压与逻辑组合值进行比对，并根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间，以防止过电压失效。
本发明进一步公开了一种智能功率模块防过电压失效的装置，包括直流母线电压采集单元、输出电流采集单元、开关单元电压采集单元和控制单元；所述直流母线电压采集单元，用于采集智能功率模块的直流母线电压值；所述输出电流采集单元，用于采集智能功率模块的输出电流值；所述开关单元电压采集单元，用于采集智能功率模块中各开关单元的电压值；所述控制单元与所述直流母线电压采集单元、输出电流采集单元和开关单元电压采集单元相连，用于根据直流母线电压值、输出电流值以及各开关单元的电压值，来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间以防止过电压失效。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行执行如上所述的智能功率模块防过电压失效的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过将峰值电压与逻辑组合值进行比对，再根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间，从而能够极大降低电压尖峰，防止过电压失效；另外能够避免修改直流母线电压和杂散电感等，成本低且操作简便。
附图说明
图1为本发明的方法在实施例的流程图。
图2为本发明的装置在具体应用时的实施例图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的智能功率模块防过电压失效的方法，包括步骤：
1)获取智能功率模块的直流母线电压值、输出电流值以及智能功率模块中各开关单元(如图2中的U1-U6)的电压值；
2)通过直流母线电压值和输出电流值得到智能功率模块关断时刻的峰值电压，以及通过各开关单元的电压值得到其逻辑组合值；
3)将峰值电压与逻辑组合值进行比对，并根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间，以防止过电压失效；具体地，如比对结果越大，关断时间延长的时间越长。
本发明通过将峰值电压与逻辑组合值进行比对，再根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间，从而能够极大降低电压尖峰，防止过电压失效；另外能够避免修改直流母线电压和杂散电感等，成本低且操作简便。
本实施例中，在步骤2)中，通过直流母线电压值和输出电流值得到智能功率模块关断时刻的峰值电压的过程为：
2.1)根据智能功率模块应用工况预设不同电压等级、电流等级下的智能功率模块的关断电流变化率；
2.2)根据直流母线电压值和输出电流值，得到相对应的关断电流变化率；
2.3)根据直流母线电压值与关断电流变化率，得到智能功率模块关断时刻的峰值电压，具体过程为：
通过智能功率模块直流回路的杂散电感Ls和关断电流变化率di/dt，得到当前工况下的集电极-发射极尖峰电压△Uce，△Uce＝Ls*di/dt；
直流母线电压值UDC和集电极-发射极尖峰电压△Uce之和即为关断时刻的峰值电压Upeak，Upeak＝UDC+△Uce。
本实施例中，在步骤2)中，逻辑组合值为各开关单元电压值的平均值。当然，也可以去掉最大值和最小值后进行平均，或者采用其它方均值等逻辑组合。
本实施例中，在步骤3)中，根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间的具体过程为：当比对结果大于第一预设值时，调节关断时间延长第一关断时间；当比对结果大于第二预设值时，调节关断时间延长第二关断时间；其中第二预设值大于第一预设值，第二关断时间大于第一关断时间。当然，其它实施例中，也可以设置三个、四个或者更多个的预设值，从而实现对关断时间三档、四档或者更多档的调节。当然，上述关断时间也可以根据比对结果进行连续调节。
本实施例中，在步骤3)中，如果峰值电压与逻辑组合值均大于预设电压(如安全电压)，则表示则关断开关单元，触发过压保护。如1200V等级的芯片，在外围测试到1100V时，内部芯片侧电压应该在1150V左右，此时在安全电压1100V时提前关断，避免器件过压失效。
本实施例中，在步骤3)中，如果峰值电压与逻辑组合值的比对结果大于预设偏差值，执行基本过压保护：在直流母线电压值大于预设安全电压值，则关断开关单元。
下面结合一完整的具体实施例对上述方法做进一步说明：
采集当前直流母线电压值UDC；
根据应用工况提前测试好不同电压等级、电流等级下的智能功率模块(简称IPM)的关断电流变化率di/dt；其中直流回路系统的杂散电感Ls不变；根据当前采集到的直流电压值UDC和输出电流值，选取相近工况下IPM的关断电流变化率。通过控制单元(如DSP)计算出IPM的当前工况下的集电极-发射极尖峰电压△Uce。直流母线电压UDC和集电极-发射极尖峰电压△Uce之和即为IPM关断时刻的峰值电压Upeak，即△Uce＝Ls*di/dt；Upeak＝UDC+△Uce；
通过带宽≥100KHz的直流采样单元，采集U1、U2、U3、U4、U5、U6电压值；
根据计算的IPM关断时刻的峰值电压Upeak与采集到的U1～U6值进行比较，控制IPM的驱动单元执行阶梯关断策略，具体如下：
Upeak与U1～U6的平均电压值均超出950V，且Upeak与U1～U6的平均电压值的偏差小于等于50V，连续触发20个时钟周期时，执行阶梯关断策略1：通过控制IPM驱动单元延长关断时间0.8us；
Upeak与U1～U6的平均电压值均超出1050V，且Upeak与U1～U6的平均电压的偏差小于等于50V，连续触发20个时钟周期时，执行阶梯关断策略2：通过控制IPM驱动单元延长关断时间1.6us；
Upeak与U1～U6电压值均超出1100V，且Upeak与U1～U6偏差小于等于50V，连续触发20个时钟周期时，执行阶梯关断策略3：通过控制IPM驱动单元关断开关管，触发过压保护。
当Upeak与U1～U6偏差大于等于50V时，触发故障(采样或计算环节有故障)，根据直流母线电压值UDC执行基本过压保护，即UDC超出850V时，控制IPM驱动单元关断开关管。
本发明还公开了一种智能功率模块防过电压失效的系统，包括
第一模块，用于获取智能功率模块的直流母线电压值、输出电流值以及智能功率模块中各开关单元的电压值；
第二模块，用于通过直流母线电压值和输出电流值得到智能功率模块关断时刻的峰值电压，以及用于通过各开关单元的电压值得到其逻辑组合值；
第三模块，用于将峰值电压与逻辑组合值进行比对，并根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间，以防止过电压失效。
本发明的系统，用于执行如上所述的方法，同样具有如上方法所述的优点。
本发明进一步公开了一种智能功率模块防过电压失效的装置，包括直流母线电压采集单元、输出电流采集单元、开关单元电压采集单元和控制单元；直流母线电压采集单元，用于采集智能功率模块的直流母线电压值；输出电流采集单元，用于采集智能功率模块的输出电流值；开关单元电压采集单元，用于采集智能功率模块中各开关单元的电压值；控制单元与所述直流母线电压采集单元、输出电流采集单元和开关单元电压采集单元相连，用于根据直流母线电压值、输出电流值以及各开关单元的电压值，来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间以防止过电压失效。具体调节过程见如上所述的方法。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行执行如上所述的智能功率模块防过电压失效的方法的步骤。本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，处理器上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行执行如上所述的智能功率模块防过电压失效的方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种智能功率模块防过电压失效的方法，其特征在于，包括步骤：
1)获取智能功率模块的直流母线电压值、输出电流值以及智能功率模块中各开关单元的电压值；
2)通过直流母线电压值和输出电流值得到智能功率模块关断时刻的峰值电压，以及通过各开关单元的电压值得到其逻辑组合值；
3)将峰值电压与逻辑组合值进行比对，并根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间，以防止过电压失效；
在步骤2)中，逻辑组合值为各开关单元电压值的平均值；
在步骤3)中，根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间的具体过程为：当比对结果大于第一预设值时，调节关断时间延长第一关断时间；当比对结果大于第二预设值时，调节关断时间延长第二关断时间；其中第二预设值大于第一预设值，第二关断时间大于第一关断时间。
2.根据权利要求1所述的智能功率模块防过电压失效的方法，其特征在于，在步骤2)中，通过直流母线电压值和输出电流值得到智能功率模块关断时刻的峰值电压的过程为：
2.1)根据智能功率模块应用工况预设不同电压等级、电流等级下的智能功率模块的关断电流变化率；
2.2)根据直流母线电压值和输出电流值，得到相对应的关断电流变化率；
2.3)根据直流母线电压值与关断电流变化率，得到智能功率模块关断时刻的峰值电压。
3.根据权利要求2所述的智能功率模块防过电压失效的方法，其特征在于，步骤2.3)的具体过程为：
通过智能功率模块直流回路的杂散电感Ls和关断电流变化率di/dt，得到当前工况下的集电极-发射极尖峰电压△Uce，△Uce＝Ls*di/dt；
直流母线电压值UDC和集电极-发射极尖峰电压△Uce之和即为关断时刻的峰值电压Upeak，Upeak＝UDC+△Uce。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的智能功率模块防过电压失效的方法，其特征在于，在步骤3)中，如果峰值电压与逻辑组合值均大于预设电压，则关断开关单元，触发过压保护。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的智能功率模块防过电压失效的方法，其特征在于，在步骤3)中，如果峰值电压与逻辑组合值的比对结果大于预设偏差值，执行过压保护：在直流母线电压值大于预设安全电压值，则关断开关单元。
6.一种智能功率模块防过电压失效的系统，其特征在于，包括
第一模块，用于获取智能功率模块的直流母线电压值、输出电流值以及智能功率模块中各开关单元的电压值；
第二模块，用于通过直流母线电压值和输出电流值得到智能功率模块关断时刻的峰值电压，以及用于通过各开关单元的电压值得到其逻辑组合值；
第三模块，用于将峰值电压与逻辑组合值进行比对，并根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间，以防止过电压失效；
在第二模块中，逻辑组合值为各开关单元电压值的平均值；
在第三模块中，根据比对结果来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间的具体过程为：当比对结果大于第一预设值时，调节关断时间延长第一关断时间；当比对结果大于第二预设值时，调节关断时间延长第二关断时间；其中第二预设值大于第一预设值，第二关断时间大于第一关断时间。
7.一种智能功率模块防过电压失效的装置，用于执行如权利要求1～5中任意一项所述的智能功率模块防过电压失效的方法，其特征在于，包括直流母线电压采集单元、输出电流采集单元、开关单元电压采集单元和控制单元；所述直流母线电压采集单元，用于采集智能功率模块的直流母线电压值；所述输出电流采集单元，用于采集智能功率模块的输出电流值；所述开关单元电压采集单元，用于采集智能功率模块中各开关单元的电压值；所述控制单元与所述直流母线电压采集单元、输出电流采集单元和开关单元电压采集单元相连，用于根据直流母线电压值、输出电流值以及各开关单元的电压值，来调节智能功率模块中驱动单元的关断时间以防止过电压失效。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行执行如权利要求1～5中任意一项所述的智能功率模块防过电压失效的方法的步骤。
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