CN205509478U - 电动汽车逆变器保护装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种电动汽车逆变器保护装置包括：门极控制信号通过驱动电路和缓冲电路输出至IGBT门极，辅助电源将逆变器控制器的供电转化为控制IGBT通断的电压并对驱动电路供电，母线电压检测电路判断母线电压是否高于母线高压阈值，并将电压比较信号输出给逆变器控制器，紧急电路由母线电压供电输出门极信号控制三相下半桥IGBT导通，使逆变器进入主动短路模式，此外，逆变器控制器可输出复位信号对驱动电路复位。本实用新型的保护装置针对电动汽车被拖行的工况能提供一种主动安全模式，能实时检测逆变器的工作参数，能对逆变器高、低压电进行隔离，实现对电动汽车逆变器的主动保护。
Description
技术领域
本实用新型涉及汽车领域，特别是涉及一种电动汽车逆变器保护装置。
背景技术
随着国家新油耗法规的制定，新能源汽车尤其是电动汽车的发展越来越迅猛。与传统汽车通过发动机烧油来驱动车辆不同，电动汽车通过电机控制器将整车高压电池的直流电转化为能驱动电机旋转的交流电，进而带动车辆行驶。电机控制器中进行电能转换的核心部件为逆变器，为保证电动汽车的质量和用户体验，逆变器作为整车动力系统的一个重要组成部分，必须在电动汽车整个寿命周期内能可靠、稳定地运行，这不仅对电容器、IGBT等逆变器重要组成元件要求较高，同时也对整个逆变器的驱动模块安全性和稳定性提出了很高的考验。
逆变器应用在电动汽车上时，由于电动汽车在使用过程中可能会出现拖车的情况，此时电机因旋转产生反电势对母线电容进行充电，如果逆变器不及时采取措施，会使得电容器的电压越充越高，最终损坏控制器。此外，车用逆变器应能对逆变器的运行状态进行实时监控，从而对逆变器驱动模块的具有很多功能需求。逆变器应用在工业场合中，由于设备对逆变器的可靠性、寿命以及功能要求并不是很高，因此工业用的逆变器往往采用一些比较简单的驱动方案，没有做到对逆变器运行时的一些关键参数(如母线电压、IGBT温度等)的实时监测，也没有对逆变器可能会出现的过压、欠压、过流、短路等工况进行全面且及时的保护。同时，也没有对高、低压电路进行系统性的隔离设计与验证，若将工业逆变器简单地应用到电动汽车上会导致电动汽车在使用过程中可能会出现多种安全隐患。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是针对电动汽车被拖行的工况提供一种具有主动安全模式，并集成过压、欠压、过流和短路保护功能，能实时检测逆变器的母线电压、IGBT温度等参数，能对逆变器高、低压电进行隔离的电动汽车逆变器保护装置，实现对电动汽车逆变器的主动保护。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的电动汽车逆变器保护装置，包括：逆变器 控制器、驱动电路、缓冲电路、辅助电源、紧急电路和母线电压检测电路；以及，串联的第一IGBT I1和第二IGBT I2，第一IGBT I 1发射极与第二IGBT I2集电极相连，第一IGBT I1集电极连接母线电压正极，第二IGBT I2发射极连接母线电压负极；
门极控制信号通过驱动电路和缓冲电路输出至第一IGBT I1和第二IGBT I2的门极，辅助电源将逆变器控制器的供电转化为控制IGBT通断的电压并对驱动电路供电，母线电压检测电路判断母线电压是否高于母线高压阈值，并将电压比较信号输出给逆变器控制器，紧急电路由母线电压供电输出门极信号控制三相下半桥IGBT导通，使逆变器进入主动短路模式，逆变器控制器可输出复位信号对驱动电路复位；
其中，主动短路模式包括：上主动短路模式，三相上半桥IGBT导通，三相下半桥IGBT关断；下主动短路模式，三相上半桥IGBT关断，三相下半桥IGBT导通；
驱动电路和辅助电源具有高低压隔离功能，该高低压隔离功能可通过本领域常用的磁隔离芯片和变压器实现。
其中，当逆变器低压工作电压低于欠压阈值，驱动电路发出低压故障信号至逆变器控制器，逆变器控制器启动紧急电路使逆变器进入主动短路模式。
其中，还包括：三相IGBT温度检测电路，对三相IGBT温度进行实时检测，将检测数据经AD转换并经隔离芯片后输出至逆变器控制器，该温度用于对IGBT的真实节温进行估计，若估计出来的温度高于温度阈值，则立即启动系统保护策略，防止IGBT温度继续上升损坏IGBT。隔离芯片用于实现高低压隔离。
其中，还包括：具有高低压隔离功能的三相电流传感器，对三相相电流进行采集，将采集数据输出至逆变器控制器，当任意一相相电流高于电流阈值，逆变器控制器使逆变器进入主动短路模式；相电流是IGBT半桥中点的电流。
其中，还包括：IGBT短路检测电路，IGBT发生短路时，逆变器向逆变器控制器输出短路故障，逆变器控制器切断IGBT门极控制信号，逆变器控制器使逆变器进入主动短路模式。
其中，还包括：相位比较电路，对任意两相的相中点电压进行比较并将比较结果经隔离芯片后输出至逆变器控制器，逆变器控制器根据该结果能对电机转子的初始位置进行标定。
其中，还包括：有源钳位模块，有源钳位模块监测IGBT集电极电压，当IGBT集电 极电压高于设计的保护阈值时，将延缓IGBT的关断。
其中，逆变器控制器为DSP或CPLD。
其中，所述高低压隔离功能至少能实现强度为2800V的隔离。
其中，逆变器进入主动短路模式所需时间小于4微秒。
电动汽车车辆在使用过程中有可能会出现拖车的情况，此时电机因旋转产生反电势，使得逆变器处于freewheeling模式，电机反电势将对母线电容持续充电，当母线电压(电池电压，也即母线电容的电压)高到一定程度时将造成逆变器的损坏。为避免该种情况的发生，本实用新型为逆变器设计了一种安全模式，即ASC模式(Active Short Circuit)。当电机反电势对母线电容进行充电，使得母线电压高于母线高压阈值时，紧急电路Emergency启动，从高压(母线电压)取电为三相下半桥IGBT的门极提供15V电压，将下半桥IGBT都打开，使逆变器进入ASC模式。ASC电路状态如图2所示，此时电机被三相下半桥IGBT短路，因电机旋转产生的感应电流在电机本体及三相下半桥IGBT之间流通，不会再流至直流母线端对电容器充电，从而确保拖车时电机产生的反电势不会对逆变器造成损坏，为保证电机自身不会因过热发生损坏，建议严格限制拖车的速度和里程。另外，ASC模式也是逆变器在进入相电流输出模式之前以及遇到故障后所进入的安全模式：在低压电(逆变器系统的控制电)正常工作的情况下，由低压电控制逆变器进入ASC模式，此时根据电路的实际状态，可进入上ASC模式(三相上半桥IGBT导通，下半桥IGBT关断)或下ASC模式(三相下半桥IGBT导通，上半桥IGBT关断)。
与工业逆变器不同，电动车用逆变器需要有很高的可靠性与稳定性以保证乘客安全及应对潜在的恶劣工况，这就需要控制器能够对逆变器的一些关键参数进行监控，以保证异常情况下控制器能够及时地采取保护措施。在本实用新型能对母线电压Udc和U、V、W三相IGBT的温度TempU、TempV、TempW的进行实时监控，并通过AD转换和SPI通信传递给逆变器控制器，避免母线电压和IGBT节温过高造成逆变器电路和IGBT的损坏。此外，对逆变器在运行过程中可能出现的异常情况设计相应的硬件检测电路，当异常情况出现时，逆变器能够及时地将异常信号传递给控制器，以便控制器及时采取预先定义好的安全策略，使逆变器进入安全状态，避免其遭到损坏。本实用新型检测的异常情况主要有以下四类：
1.母线电压过压故障：将母线电压与定义的安全阈值(母线高压阈值)进行实时比 较，一旦母线电压超过安全阈值，即向逆变器控制器发出高压故障信号(NFUZMAX)，逆变器控制器使逆变器进入ASC模式；母线电压：电池电压，即母线电容的电压。
2.低压电欠压故障：逆变器控制器的大部分安全策略能够顺利执行的前提条件是低压电正常运行。当低压电因某种原因被拉低至欠压阈值时，逆变器及时向控制器发出低压故障RDY，逆变器控制器使逆变器进入ASC模式，避免出现低压电异常而高压电仍然存在的情况对逆变器造成损伤。
3.相电流(即图1中Current Sensor模块所采集到的电流)过流故障：逆变器将U、V、W三相的相电流I_U、I_V、I_W进行采集并实时传递给逆变器控制器，由逆变器控制器进行判断，当相电流超过定义的安全阈值(电流阈值)时，由逆变器控制器采取措施使逆变器进入ASC模式，避免相电流过大造成电路和器件的烧毁。
4.IGBT短路故障：当电路出现异常情况造成同一个桥臂上、下两个IGBT直通时，只需几十微秒就会造成IGBT的短路烧毁。在本实用新型通过硬件电路对IGBT的短路状态进行监控，当IGBT发生短路时，逆变器迅速向逆变器控制器报出短路故障(NFLTH、NFLTL)，由逆变器控制器切断IGBT的门极控制信号，并使逆变器进入ASC模式，保护的响应时间不超过4微秒。
本实用新型的电动汽车逆变器保护装置具有主动短路模式(ASC模式)，能避免拖车情况下电机反电势对母线电容持续充电而造成逆变器损坏，同时也是逆变器在进入相电流输出模式之前以及出现故障后主动进入的安全状态；本实用新型集成过压、欠压、过流、短路等保护功能，并对母线电压和IGBT温度进行实时监控，最大程度保护逆变器的安全运行；进行高、低压隔离设计，避免逆变器工作时高、低压电的互相干扰及保证人体的用电安全；本实用新型设计有源钳位电路，防止IGBT在正常关断及短路关断时因集电极电压过高而损坏；设计相位比较电路，以帮助控制器进行电机转子初始位置的标定。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
图1是本实用新型一实施例的结构示意图。
图2是本实用新型一实施例ASC电路状态结构示意图。
附图标记说明
A 电池
B 开关
C 电容
D 逆变器
E 电机
具体实施方式
如图1所示，本实用新型提供的电动汽车逆变器保护装置一实施例，包括：逆变器控制器(图中未显示)、驱动电路Driver、缓冲电路Buffer、辅助电源Auxiliary Power、紧急电路Emergency、母线电压检测电路Overvoltage、高低压隔离电路Isolation、AD转换电路ADC、相位比较电路Phase Comparison、三相IGBT温度检测电路(图中未显示)、三相电流传感器Current Sensor、有源钳位模块Active Clamping、IGBT短路检测电路(图中未显示)；以及，串联的第一IGBT I 1和第二IGBT I2，第一IGBT I1发射极与第二IGBT I2集电极相连，第一IGBT I 1集电极连接母线电压正极，第二IGBT I2发射极连接母线电压负极。
逆变器控制器输出IGBT门极控制信号，以U相为例：HBHU、HBLU通过驱动电路和缓冲电路传输至第一IGBT I1和第二IGBT I2的门极，逆变器控制器输出复位信号RST对驱动电路复位，辅助电源将逆变器控制器的30V供电VDD30转化为可控制IGBT通断的电压VDD15、VDDN5并对驱动电路供电。
母线电压检测电路判断母线电压Udc是否高于母线高压阈值，并将电压比较信号NFUZMAX输出给逆变器控制器，紧急电路由母线电压供电输出门极控制信号控制三相下半桥IGBT导通，使逆变器进入主动短路模式ASC；
其中，主动短路模式包括：上主动短路模式，上主动短路模式，三相上半桥IGBT导通，三相下半桥IGBT关断；下主动短路模式，三相上半桥IGBT关断，三相下半桥IGBT导通；在进入主动短路模式时，逆变器控制器默认控制逆变器进入下主动短路模式，但如果发生上半桥IGBT直通，则进入上主动短路模式。驱动电路和辅助电源具有高低压隔离功能。
当逆变器低压工作电压低于欠压阈值，驱动电路发出低压故障信号RDY至逆变器控制器，逆变器控制器启动紧急电路使逆变器进入主动短路模式。
相位比较电路，对任意两相的中点电压如GNDHU、GNDHV进行比较，并将比较结果PHLAG通过隔离芯片输出至逆变器控制器。相位比较电路能帮助逆变器控制器进行电机转子初始位置的标定：在一个周期内，只有在特定的时刻，两相中点的电压才会相等，在这个时刻PHLAG信号会发生跳变，在扑捉到PHLAG信号跳变的同时记录此时Resolver电路的输出角度，将其清零或设定为某一特定的角度，即完成了电机转子初始位置的标定。具有三相IGBT温度检测电路，对三相IGBT温度TempU、TempV、TempW进行实时检测，将检测数据经AD转换并经过隔离芯片后输出至逆变器控制器，当任意一IGBT温度高于温度阈值，逆变器控制器触发系统保护策略，防止IGBT温度继续升高损坏IGBT。
具有高低压隔离功能的三相电流传感器，对三相相电流I_U、I_V、I_W进行采集，将采集数据输出至逆变器控制器，当任意一相相电流高于电流阈值，逆变器控制器使逆变器进入主动短路模式；相电流是IGBT半桥中点的电流。
有源钳位模块，有源钳位模块监测IGBT集电极电压，当IGBT集电极电压高于设定的保护电压阈值时将延缓IGBT的关断。有源钳位模块防止IGBT正常关断和短路关断时因集电极电压过高而损坏。
IGBT短路检测电路，IGBT发生短路时，逆变器向逆变器控制器输出短路故障NFLTH、NFLTL，逆变器控制器切断IGBT门极控制信号，逆变器控制器使逆变器进入主动短路模式。
其中，逆变器控制器为DSP或CPLD，所述高低压隔离功能至少能实现强度为2800V的隔离，逆变器进入主动短路模式所需时间小于4微秒。
以上通过具体实施方式和实施例对本实用新型进行了详细的说明，但这些并非构成对本实用新型的限制。在不脱离本实用新型原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种电动汽车逆变器保护装置，其特征在于，包括：逆变器控制器、驱动电路、缓冲电路、辅助电源、紧急电路和母线电压检测电路；以及，串联的第一IGBT(I1)和第二IGBT(I2)，第一IGBT(I1)发射极与第二IGBT(I2)集电极相连，第一IGBT(I1)集电极连接母线电压正极，第二IGBT(I2)发射极连接母线电压负极；
门极控制信号通过驱动电路和缓冲电路输出至第一IGBT(I1)和第二IGBT(I2)的门极，辅助电源将逆变器控制器的供电转化为控制IGBT通断的电压并对驱动电路供电，母线电压检测电路判断母线电压是否高于母线高压阈值，并将电压比较信号输出给逆变器控制器，紧急电路由母线电压供电输出门极信号控制三相下半桥IGBT导通，使逆变器进入主动短路模式，逆变器控制器可输出复位信号对驱动电路复位；
其中，主动短路模式包括：上主动短路模式，三相上半桥IGBT导通，三相下半桥IGBT关断；下主动短路模式，三相上半桥IGBT关断，三相下半桥IGBT导通；
驱动电路和辅助电源具有高低压隔离功能。
2.如权利要求1所述的电动汽车逆变器保护装置，其特征在于：当逆变器低压工作电压低于欠压阈值，驱动电路发出低压故障信号至逆变器控制器，逆变器控制器启动紧急电路使逆变器进入主动短路模式。
3.如权利要求1所述的电动汽车逆变器保护装置，其特征在于，还包括：三相IGBT温度检测电路，对三相IGBT温度进行实时检测，将检测数据经AD转换并经隔离芯片后输出至逆变器控制器，该温度用于对IGBT的真实节温进行估计，若估计出来的温度高于温度阈值，则立即启动系统保护策略，防止IGBT温度继续上升损坏IGBT。
4.如权利要求1所述的电动汽车逆变器保护装置，其特征在于，还包括：具有高低压隔离功能的三相电流传感器，对三相相电流进行采集，将采集数据输出至逆变器控制器，当任意一相相电流高于电流阈值，逆变器控制器使逆变器进入主动短路模式；
其中，相电流是IGBT半桥中点的电流。
5.如权利要求1所述的电动汽车逆变器保护装置，其特征在于，还包括：IGBT短路检测电路，IGBT发生短路时，逆变器向逆变器控制器输出短路故障，逆变器控制器切断IGBT门极控制信号，逆变器控制器使逆变器进入主动短路模式。
6.如权利要求1-5任意一项所述的电动汽车逆变器保护装置，其特征在于，还包括：相位比较电路，对任意两相的相中点电压进行比较并将比较结果经隔离芯片后输出至逆 变器控制器，逆变器控制器根据该结果能对电机转子的初始位置进行标定。
7.如权利要求1-5任意一项所述的电动汽车逆变器保护装置，其特征在于，还包括：有源钳位模块，有源钳位模块监测IGBT集电极电压，当IGBT集电极电压高于设计的保护阈值时，将延缓IGBT的关断。
8.如权利要求1-5任意一项所述的电动汽车逆变器保护装置，其特征在于：逆变器控制器为DSP或CPLD。
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