CN211670622U

CN211670622U - 永磁同步电机控制器母线过压保护装置

Info

Publication number: CN211670622U
Application number: CN202020079800.8U
Authority: CN
Inventors: 李乐荣; 钟发平; 于海生; 黄步甲; 高帅; 敖长虹; 庞雷保; 孙哲浩
Original assignee: Corun Hybrid Power Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Dingsheng New Material Technology Co ltd
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-10-13
Anticipated expiration: 2030-01-15

Abstract

本实用新型提供了一种永磁同步电机控制器母线过压保护装置，电源电路用于给控制电路、驱动电路、过压保护电路提供相应电压，控制电路用于输出过压复位信号、上桥臂IGBT过温信号、下桥臂IGBT过温信号、电机过温信号、基于速度是否允许三相短路信号和N路初始驱动信号至过压保护电路；驱动电路用于输出上桥臂IGBT驱动故障信号和下桥臂IGBT驱动故障信号至过压保护电路并接收N路最终驱动信号对电机控制器的IGBT模块阵列进行控制；过压保护电路用于接收控制电路和驱动电路输出的相应信号及电机控制器母线电压信号，将接收到的所有信号进行处理得到N路最终驱动信号。本实用新型电路简单，可保护电机控制器在进行过压保护时不会导致其本身及电机过温烧毁。

Description

永磁同步电机控制器母线过压保护装置

技术领域

本实用新型涉及一种永磁同步电机控制器母线过压保护装置。

背景技术

永磁同步电机具有高功率密度、低转动惯量、高效率等优点，被广泛应用于电动/混合动力汽车领域。作为将直流电转换为驱动电机用的三相交流电的装置，电机控制器既要保证电机系统的输出性能，同时也要保证在电机控制器发生故障时对电机系统进行有效的保护。在众多故障中，电机控制器母线过压故障对于电机控制器来说是致命的，可以导致IGBT模块以及母线电容烧毁。导致电机控制器母线过压的原因很多，其中最棘手的情况是当电机系统工作在制动回馈的工况下时，整车控制器(VCU)或电池管理系统(BMS)因为非常紧急的故障(如碰撞、严重过充、严重过放等)把连接在动力电池包和电机控制器之间主继电器断开，这时候在VCU命令(发送周期通常为10ms)还没通过CAN总线到达电机控制器之前，电机控制器依然按照制动回馈的功率进行发电，发电的能量全部充到母线电容，迅速导致母线过压故障。通常，在以上所述的工况下母线电压上升速率是非常快，电机控制器必须采取更快速的手段进行保护。现有技术中采用的保护方法有两种：一种是在发生紧急故障时，VCU/BMS先通过CAN总线告知电机控制器，电机控制器紧急卸载其制动回馈功率，然后再断开主继电器；该种方法的主要缺点是通过总线告知电机控制器进行回馈功率卸载，通常该过程至少需要40ms的时间，延迟了对于紧急故障的处理措施的执行，对整车安全或者电池安全产生较大的隐患，同时策略执行的质量很大程度上取决于CAN总线通信质量，当总线通信出现问题时，该策略无法对电机控制器进行保护。另一种是电机控制器在驱动电路增加一个过压故障硬件比较及锁存电路，一旦电机控制器母线电压超过设定值，那么就可以通过过压故障锁存信号将逆变器上管断开、下管导通实现三相短路保护。该种方法的主要缺点是采用较单一的方式根据过压信号进行下管导通实现三相短路保护，没有考虑IGBT驱动故障、IGBT温度、电机温度、低压12V供电以及制动扭矩等因素，该方法实际使用的局限性较大。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种永磁同步电机控制器母线过压保护装置，其电路简单，可保护电机控制器在进行过压保护时不会导致电机控制器本身及电机过温烧毁，且过压保护动作完成时间短。

通过以下方案实现：

一种永磁同步电机控制器母线过压保护装置，包括控制电路、驱动电路、过压保护电路和电源电路，所述电源电路用于给控制电路、驱动电路、过压保护电路提供相应电压，所述控制电路用于输出过压复位信号、上桥臂IGBT过温信号、下桥臂IGBT过温信号、电机过温信号、基于速度是否允许三相短路信号和N路初始驱动信号至过压保护电路；所述驱动电路用于输出上桥臂IGBT驱动故障信号和下桥臂IGBT驱动故障信号至过压保护电路并接收过压保护电路输出的N路最终驱动信号对电机控制器的IGBT模块阵列进行控制；所述过压保护电路用于接收控制电路和驱动电路输出的相应信号及电机控制器母线电压信号，将接收到的所有信号进行过压保护处理得到N路最终驱动信号，并将N路最终驱动信号输出至驱动电路，其中N等于电机控制器的IGBT模块阵列中IGBT模块的数量。

进一步地，所述过压保护电路包括第一二极管、比较器、第二二极管、电阻、第一或门、第二或门、第一非门、第二非门、第三非门、第四非门、二输入与门、第一四输入与门、第二四输入与门、第三四输入与门、第一多路复用器、第二多路复用器和第三多路复用器，所述比较器的正输入端用于输入电机控制器母线电压信号，所述比较器的负输入端用于输入保护电压值，所述比较器的输出端连接电阻的输入端，所述电阻的输出端分别与第一二极管的阳极、第二二极管的阳极、二输入与门的其中一个输入端、第四非门的输入端相连接，所述第一二极管的阴极连接比较器的正输入端，所述第二二极管的阴极用于输入过压复位信号，所述二输入与门的另一个输入端用于输入基于速度是否允许三相短路信号，所述第一四输入与门和第二四输入与门的四个输入端分别与二输入与门的输出端、第一或门的输出端、第二非门的输出端、第一非门的输出端一一对应连接，所述第一四输入与门的输出端连接第一多路复用器的C端(即选通端)，所述第二四输入与门的输出端连接第二多路复用器的C端(即选通端)，所述第一多路复用器和第二多路复用器的S1端(即数据输入1端)、S2端(即数据输入2端)分别用于输入假逻辑信号、真逻辑信号，所述第三四输入与门的四个输入端与第四非门的输出端、第三非门的输出端、第二非门的输出端、第一非门的输出端一一对应连接，所述第三四输入与门的输出端连接第三多路复用器的C端(即选通端)，所述第三多路复用器的S1端(即数据输入1端)分别连接第一多路复用器的输出端、第二多路复用器的输出端，所述第三多路复用器的S2端(即数据输入2端)用于输入N路初始驱动信号，所述第三多路复用器的输出端用于输出N路最终驱动信号至驱动电路，所述第一非门的输入端用于输入电机过温信号，所述第二非门的输入端连接第二或门的输出端，所述第二或门的一个输入端用于输入下桥臂IGBT驱动故障信号，所述第二或门的另一个输入端用于输入下桥臂IGBT过温信号，所述第三非门的输入端连接第一或门的输出端，所述第一或门的一个输入端用于输入上桥臂IGBT驱动故障信号，所述第一或门的另一个输入端用于输入上桥臂IGBT过温信号。比较器的负输入端输入的保护电压值的具体数值可根据实际需要进行调整设计。

进一步地，所述电源电路包括主电源电路和辅助电源电路，所述辅助电源电路的输入端用于输入直流母线电压(即高压动力电池包提供的电压)，所述辅助电源电路的输出端串接第三二极管后与12V常电(即铅酸蓄电池提供的电压)相并接连接至主电源电路的输入端。

本实用新型的永磁同步电机控制器母线过压保护装置，结构设计简单，电路简单。在进行永磁同步电机三相短路保护动作时，根据上下桥IGBT驱动故障、上下桥IGBT温度、电机温度以及保护过程中的制动转矩等多个方面选择电机控制器中IGBT模块阵列上桥开通电机三相短路、下桥开通电机三相或者上下桥断开三种模式，以及在三种模式间进行切换。本实用新型的永磁同步电机控制器母线过压保护装置，可保证从电机控制器过压故障产生到电机控制器执行过压保护动作最快可在10微秒内完成，过压保护动作完成时间短，保证电机控制器在进行过压保护时不会导致电机控制器本身及电机过温烧毁，提升系统的可靠性；同时保护过程中主动减小制动扭矩，避免不可控扭矩的产生给驾驶员带来恐慌，提供系统安全性。

附图说明

图1为实施例1中永磁同步电机控制器母线过压保护装置的总体框图；

图2为实施例1中过压保护电路的电路示意图；

图3为实施例1中电源电路的电路示意图。

具体实施方式

实施例只是为了说明本实用新型的一种实现方式，不作为对本实用新型保护范围的限制性说明。

实施例1

一种永磁同步电机控制器母线过压保护装置，如图1所示，包括控制电路1、驱动电路2、过压保护电路3和电源电路4，如图3所示，电源电路4包括主电源电路41和辅助电源电路42，辅助电源电路42的输入端用于输入直流母线电压V_{_电池}(即高压动力电池包提供的电压)，辅助电源电路42的输出端串接第三二极管43后与12V常电V_{_常}(即铅酸蓄电池提供的电压)相并接连接至主电源电路41的输入端，电源电路4用于给控制电路1、驱动电路2、过压保护电路3提供相应电压，控制电路1用于输出过压复位信号RST 101、上桥臂IGBT过温信号OverTemp_H 102、下桥臂IGBT过温信号OverTemp_L 103、电机过温信号OverTemp_Mot 104、基于速度是否允许三相短路信号SPEED_ASC 105和N路初始驱动信号PWM_IN 106至过压保护电路3；驱动电路2用于输出上桥臂IGBT驱动故障信号Fault_H 201和下桥臂IGBT驱动故障信号Fault_L 202至过压保护电路3并接收过压保护电路3输出的N路最终驱动信号PWM_OUT300对电机控制器的IGBT模块阵列进行控制；过压保护电路3用于接收控制电路1和驱动电路2输出的相应信号及电机控制器母线电压信号U_dc 5，将接收到的所有信号进行过压保护处理得到N路最终驱动信号PWM_OUT 300，并将N路最终驱动信号PWM_OUT300输出至驱动电路2，其中N等于电机控制器的IGBT模块阵列中IGBT模块的数量。

如图2所示，过压保护电路3包括第一二极管301、比较器302、第二二极管303、电阻304、第一或门305、第二或门306、第一非门307、第二非门308、第三非门309、第四非门310、二输入与门311、第一四输入与门312、第二四输入与门313、第三四输入与门314、第一多路复用器315、第二多路复用器316和第三多路复用器317，比较器302的正输入端用于输入电机控制器母线电压信号U_dc 5，比较器302的负输入端用于输入保护电压值V__保6，比较器302的输出端连接电阻304的输入端，电阻304的输出端分别与第一二极管的阳极301、第二二极管的阳极303、二输入与门311的其中一个输入端、第四非门310的输入端相连接，第一二极管301的阴极连接比较器302的正输入端，第二二极管303的阴极用于输入过压复位信号RST101，二输入与门311的另一个输入端用于输入基于速度是否允许三相短路信号SPEED_ASC105，第一四输入与门312和第二四输入与门313的四个输入端分别与二输入与门311的输出端、第一或门305的输出端、第二非门308的输出端、第一非门307的输出端一一对应连接，第一四输入与门312的输出端连接第一多路复用器315的C端(即选通端)，第二四输入与门313的输出端连接第二多路复用器316的C端(即选通端)，第一多路复用器315和第二多路复用器316的S1端(即数据输入1端)、S2端(即数据输入2端)分别用于输入假逻辑信号(数字0表示)、真逻辑信号(数字1表示)，第三四输入与门314的四个输入端与第四非门310的输出端、第三非门309的输出端、第二非门308的输出端、第一非门307的输出端一一对应连接，第三四输入与门314的输出端连接第三多路复用器317的C端(即选通端)，第三多路复用器317的S1端(即数据输入1端)分别连接第一多路复用器315的输出端、第二多路复用器316的输出端，第三多路复用器317的S2端(即数据输入2端)用于输入N路初始驱动信号PWM_IN 106，第三多路复用器317的输出端用于输出N路最终驱动信号PWM_OUT 300至驱动电路2，第一非门307的输入端用于输入电机过温信号OverTemp_Mot 104，第二非门308的输入端连接第二或门306的输出端，第二或门306的一个输入端用于输入下桥臂IGBT驱动故障信号Fault_L202，第二或门306的另一个输入端用于输入下桥臂IGBT过温信号OverTemp_L 103，第三非门309的输入端连接第一或门305的输出端，第一或门305的一个输入端用于输入上桥臂IGBT驱动故障信号Fault_H 201，第一或门305的另一个输入端用于输入上桥臂IGBT过温信号OverTemp_H 102。

使用时，将永磁同步电机控制器母线过压保护装置安装到电机控制器，并将永磁同步电机控制器母线过压保护装置中的驱动电路的N路最终驱动信号分别输入至电机控制器的IGBT模块阵列中的相对应IGBT模块中。具体工作时，电机控制器母线电压信号U_dc通过比较器与保护电压值V_保进行比较，当电机控制器母线电压信号U_dc大于保护电压值V_保时表示电机控制器产生过压故障，比较器会经过电阻输出过压信号，过压信号经过第一二极管返回到比较器的正输入端，在过压复位信号RST保持高电平时，过压信号锁存确定过压故障。整个电机控制器过压故障确认过程时间可以通过对电机控制器母线电压信号U_dc以及比较器输出信号的滤波电路进行配置来调整，一般最快的电机控制器过压故障确认时间可以控制在5微秒以内。电机控制器过压故障确认后，在基于速度是否允许三相短路信号SPEED_ASC为真时，如果下桥臂IGBT驱动故障信号Fault_L和下桥臂IGBT过温信号OverTemp_L以及电机过温信号OverTemp_Mot都为假的情况下，电机控制器执行下桥三相短路保护。如果下桥臂IGBT驱动故障信号Fault_L和下桥臂IGBT过温信号OverTemp_L其中一个为真，且上桥臂IGBT过温信号OverTemp_H和上桥臂IGBT驱动故障信号Fault_H都为假的情况下，电机控制器执行上桥三相短路保护。其余故障情况则电机控制器执行上下桥断开保护。无故障的情况下，则过压保护电路直接将从控制电路输入的N路初始驱动信号PWM_IN作为N路最终驱动信号PWM_OUT输出。从电机控制器过压故障产生到电机控制器执行过压保护动作的最快时间可控制在10微秒内。

以额定电压350V，额定功率75kW，过压保护阈值为450V，母线电容容量为600uF，IGBT电压等级为650V，IGBT驱动电路钳位电压550V的电机控制器为例，电机控制器中IGBT模块的数量为六个。当电机控制器处在30kW制动回馈发电时，主继电器突然断开，电机控制器母线电压迅速到达450V并触发过压故障保护动作，按照本实用新型的保护时间10微秒计算，电压上升31.623V，电机控制器母线电压达到481.623V，没有超过IGBT电压等级650V以及IGBT驱动电路钳位电压550V，不会对电机控制器造成损坏。

Claims

1.一种永磁同步电机控制器母线过压保护装置，其特征在于：包括控制电路、驱动电路、过压保护电路和电源电路，所述电源电路用于给控制电路、驱动电路、过压保护电路提供相应电压，所述控制电路用于输出过压复位信号、上桥臂IGBT过温信号、下桥臂IGBT过温信号、电机过温信号、基于速度是否允许三相短路信号和N路初始驱动信号至过压保护电路；所述驱动电路用于输出上桥臂IGBT驱动故障信号和下桥臂IGBT驱动故障信号至过压保护电路并接收过压保护电路输出的N路最终驱动信号对电机控制器的IGBT模块阵列进行控制；所述过压保护电路用于接收控制电路和驱动电路输出的相应信号及电机控制器母线电压信号，将接收到的所有信号进行过压保护处理得到N路最终驱动信号，并将N路最终驱动信号输出至驱动电路，其中N等于电机控制器的IGBT模块阵列中IGBT模块的数量；

所述过压保护电路包括第一二极管、比较器、第二二极管、电阻、第一或门、第二或门、第一非门、第二非门、第三非门、第四非门、二输入与门、第一四输入与门、第二四输入与门、第三四输入与门、第一多路复用器、第二多路复用器和第三多路复用器，所述比较器的正输入端用于输入电机控制器母线电压信号，所述比较器的负输入端用于输入保护电压值，所述比较器的输出端连接电阻的输入端，所述电阻的输出端分别与第一二极管的阳极、第二二极管的阳极、二输入与门的其中一个输入端、第四非门的输入端相连接，所述第一二极管的阴极连接比较器的正输入端，所述第二二极管的阴极用于输入过压复位信号，所述二输入与门的另一个输入端用于输入基于速度是否允许三相短路信号，所述第一四输入与门和第二四输入与门的四个输入端分别与二输入与门的输出端、第一或门的输出端、第二非门的输出端、第一非门的输出端一一对应连接，所述第一四输入与门的输出端连接第一多路复用器的C端，所述第二四输入与门的输出端连接第二多路复用器的C端，所述第一多路复用器和第二多路复用器的S1端、S2端分别用于输入假逻辑信号、真逻辑信号，所述第三四输入与门的四个输入端与第四非门的输出端、第三非门的输出端、第二非门的输出端、第一非门的输出端一一对应连接，所述第三四输入与门的输出端连接第三多路复用器的C端，所述第三多路复用器的S1端分别连接第一多路复用器的输出端、第二多路复用器的输出端，所述第三多路复用器的S2端用于输入N路初始驱动信号，所述第三多路复用器的输出端用于输出N路最终驱动信号至驱动电路，所述第一非门的输入端用于输入电机过温信号，所述第二非门的输入端连接第二或门的输出端，所述第二或门的一个输入端用于输入下桥臂IGBT驱动故障信号，所述第二或门的另一个输入端用于输入下桥臂IGBT过温信号，所述第三非门的输入端连接第一或门的输出端，所述第一或门的一个输入端用于输入上桥臂IGBT驱动故障信号，所述第一或门的另一个输入端用于输入上桥臂IGBT过温信号。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机控制器母线过压保护装置，其特征在于：所述电源电路包括主电源电路和辅助电源电路，所述辅助电源电路的输入端用于输入直流母线电压，所述辅助电源电路的输出端串接第三二极管后与12V常电相并接连接至主电源电路的输入端。