CN212321713U - 一种基于并联电容器的高速管压降检测电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于并联电容器的高速管压降检测电路，包括采样电路、高速采样比较电路、采样保持电路、电容编程电路和阻容并联采样电路和钳位电路。首先在传统的示波器阻容并联采集电路的基础上增加钳位电路对采集的信号幅值进行钳位，去掉过高的电压采样信号，减小测量范围，保证检测的准确性；然后通过采样保持电路和电容编程电路根据被测IGBT的导通/关断的不同状态对增加钳位电路后的阻容并联分压电路进行阻抗匹配，保证增加钳位电路后的输出端口波形既能快速响应，又不发生明显畸变；能够准确检测IGBT在导通状态下的集电极和发射极的电压差。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于并联电容器的高速管压降检测电路。
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，功率单元一般为半桥结构，偶尔也会采用全桥结构，半桥结构包含两个IGBT，全桥结构则包含四个IGBT。IGBT作为功率单元的关键器件，其损耗和温升为功率单元的关键指标，而IGBT的饱和压降直接影响IGBT的损耗和温升。IGBT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。目前传统的示波器阻容并联分压的测试方法，由于测量范围过大，无法准确检测IGBT的饱和压降，在阻容并联分压电路增加普通的钳位电路后，会造成输出端口波形严重畸变，影响管压降检测结果。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，为继续发挥示波器阻容并联分压的测试方法的响应快的特点，需要研究新型的管压降检测电路。
发明内容
为了解决背景技术提出的技术问题，本实用新型提供一种基于并联电容器的高速管压降检测电路，首先在传统的示波器阻容并联采集电路的基础上增加钳位电路对采集的信号幅值进行钳位，去掉过高的电压采样信号，减小测量范围，保证检测的准确性；然后通过采样保持电路和电容编程电路根据被测IGBT的导通/关断的不同状态对增加钳位电路后的阻容并联分压电路进行阻抗匹配，保证增加钳位电路后的输出端口波形既能快速响应，又不发生明显畸变，能够准确检测IGBT在导通状态下的集电极和发射极的电压差。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：
一种基于并联电容器的高速管压降检测电路，所述检测电路包括采样电路、高速采样比较电路、采样保持电路、电容编程电路、阻容并联采样电路和钳位电路。
所述采样电路的采集端连接在被测IGBT的集电极和发射极之间，输出端输出IGBT的管压降采集信号in1。
所述的高速采样比较电路的采集端也连接在被测IGBT的集电极和发射极之间，采集其管压降信号，并通过与基准电压相比较，输出被测IGBT的导通/关断信号in2。
所述的采样保持电路包括光电开关K1和采样保持电容C5，光电开关K1的一次侧接收被测IGBT的导通/关断信号in2，二次侧一端连接采样电路输出的IGBT的管压降采集信号in1，另一端经过采样保持电容C5后接地；采样保持电容C5上端为采样保持电路输出端，输出采样保持信号out1。
所述的电容编程电路包括多个比较器、多个编程电阻和多个编程电容，多个编程电阻由上至下串联在电源VCC与地之间；每个比较器的同向输入端均连接一个编程电阻的下端；每个比较器的反向输入端均连接至采样保持电路的输出端，接收采样保持信号out1，每个比较器的输出端均连接一个编程电容的一端；多个编程电容的另一端并联，共同输出信号out2。
所述的阻容并联采样电路的采集端连接在被测IGBT的集电极和发射极之间，包括第一上采样电阻R16、第一下采样电阻R17、上采样电容C12、下采样电容C13和第一运放U9，由第一上采样电阻R16和第一下采样电阻R17上下串联成分压采样电路，串联的中间点连接至第一运放U9的输入端，同时第一上采样电阻R16还并联上采样电容C12，第一下采样电阻R17还并联下采样电容C13；第一运放U9的输出端输出所述检测电路的检测信号OUT；
电容编程电路的输出端out2与下采样电容C13上端相连，由二极管D4和稳压管D5串联构成的钳位电路也并联在下采样电容C13两端。
进一步地，所述的采样电路包括第二上采样电阻R1、第二下采样电阻R2、第一滤波电容C1和第二运放U1，由第二上采样电阻R1和第二下采样电阻R2上下串联成分压采样电路，串联的中间点连接至第二运放U1的输入端，同时第二下采样电阻R2还并联第一滤波电容C1；第二运放U1的输出端输出IGBT的管压降采集信号in1。
进一步地，所述的高速采样比较电路包括第三上采样电阻R3、第三下采样电阻R4、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3和采样比较器U2，由第三上采样电阻R3和第三下采样电阻R4上下串联成分压采样电路，串联的中间点连接至采样比较器U2的反向输入端，同时第三上采样电阻R3还并联第二滤波电容C2，第三下采样电阻R4还并联第三滤波电容C3；采样比较器U2的同向输入端为基准电压端，所述的基准电压由串联在电源VCC与地之间的分压电阻得到；采样比较器U2的输出端输出被测IGBT的导通/关断信号in2。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1)在传统的示波器阻容并联采集电路的基础上增加钳位电路对采集的信号幅值进行钳位，去掉过高的电压采样信号，减小测量范围，保证检测的准确性；通过采样保持电路和电容编程电路根据被测IGBT的导通/关断的不同状态对增加钳位电路后的阻容并联分压电路进行阻抗匹配，保证增加钳位电路后的输出端口波形既能快速响应，又不发生明显畸变；能够准确检测IGBT在导通状态下的集电极和发射极的电压差；
2)由高速采样比较电路对被测IGBT的导通和关断的不同状态进行快速判断，当被测IGBT是关断状态时，采样保持电路的光电开关导通，后面的电容编程电路根据采样电路采集的被测IGBT的关断时的压降值选择输出的编程电容的数量，用不同数量的编程电容与下采样电容C13进行阻抗匹配；保证增加钳位电路后的输出端口波形不发生明显畸变；当被测IGBT是导通状态时，采样保持电路的光电开关不导通，采样保持电容处于采样保持状态；此时，编程电容所投入的电容所存储的能量可以抵消上采样电容C12电压快速下降时所需的抽取能量，使被检测IGBT由关断状态变为导通状态时，能够由第一运算放大器U9的输出端快速响应，及时反映被检测IGBT的管压降。
附图说明
图1是本实用新型的一种基于并联电容器的高速管压降检测电路框图；
图2是本实用新型的一种基于并联电容器的高速管压降检测电路整体设计图；
图3是本实用新型的采样电路图；
图4是本实用新型的高速采样比较电路图；
图5是本实用新型的采样保持电路图；
图6是本实用新型的电容编程电路图；
图7是本实用新型的阻容并联采样电路和钳位电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1-2所示，一种基于并联电容器的高速管压降检测电路，所述检测电路包括采样电路、高速采样比较电路、采样保持电路、电容编程电路、阻容并联采样电路和钳位电路。
如图1、3所示，所述采样电路的采集端连接在被测IGBT T1的集电极和发射极之间，输出端输出IGBT T1的管压降采集信号in1。所述的采样电路包括第二上采样电阻R1、第二下采样电阻R2、第一滤波电容C1和第二运放U1，由第二上采样电阻R1和第二下采样电阻R2上下串联成分压采样电路，串联的中间点连接至第二运放U1的输入端，同时第二下采样电阻R2还并联第一滤波电容C1；第二运放U1的输出端输出IGBT的管压降采集信号in1。
如图1、4所示，所述的高速采样比较电路的采集端也连接在被测IGBT T1的集电极和发射极之间，采集其管压降信号，并通过与基准电压相比较，输出被测IGBT的导通/关断信号in2。所述的高速采样比较电路包括第三上采样电阻R3、第三下采样电阻R4、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3和采样比较器U2，由第三上采样电阻R3和第三下采样电阻R4上下串联成分压采样电路，串联的中间点连接至采样比较器U2的反向输入端，同时第三上采样电阻R3还并联第二滤波电容C2，第三下采样电阻R4还并联第三滤波电容C3；采样比较器U2的同向输入端为基准电压端，所述的基准电压由串联在电源VCC与地之间的限流电阻R7、分压电阻R5、R6得到；稳压管D3和滤波电容C4并联在串联电阻R5和R6两端，采样比较器U2的输出端输出被测IGBT的导通/关断信号in2。
如图1、5所示，所述的采样保持电路包括光电开关K1和采样保持电容C5，光电开关K1的一次侧接收被测IGBT的导通/关断信号in2，二次侧一端连接采样电路输出的IGBT的管压降采集信号in1，另一端经过采样保持电容C5后接地；采样保持电容C5上端为采样保持电路输出端，输出采样保持信号out1。
如图1、6所示，所述的电容编程电路包括多个比较器U3-U8、多个编程电阻R9-R15和多个编程电容C6-C11，多个编程电阻R9-R15由上至下串联在电源VCC与地之间；每个比较器的同向输入端均连接一个编程电阻的下端；每个比较器的反向输入端均连接至采样保持电路的输出端，接收采样保持信号out1，每个比较器的输出端均连接一个编程电容的一端；多个编程电容的另一端并联，共同输出信号out2。
如图1、7所示，所述的阻容并联采样电路的采集端连接在被测IGBT的集电极和发射极之间，包括第一上采样电阻R16、第一下采样电阻R17、上采样电容C12、下采样电容C13和第一运放U9，由第一上采样电阻R16和第一下采样电阻R17上下串联成分压采样电路，串联的中间点连接至第一运放U9的输入端，同时第一上采样电阻R16还并联上采样电容C12，第一下采样电阻R17还并联下采样电容C13；第一运放U9的输出端输出所述检测电路的检测信号OUT；电容编程电路的输出端out2与下采样电容C13上端相连，由二极管D4和稳压管D5串联构成的钳位电路也并联在下采样电容C13两端。
本实用新型的电路基本原理如下：
1)钳位电路能够对采集的信号幅值进行钳位，去掉过高的电压采样信号，减小测量范围，保证检测的准确性；通过采样保持电路和电容编程电路根据被测IGBT的导通/关断的不同状态对增加钳位电路后的阻容并联分压电路进行阻抗匹配，保证增加钳位电路后的输出端口波形既能快速响应，又不发生明显畸变；能够准确检测IGBT在导通状态下的集电极和发射极的电压差；
2)由高速采样比较电路对被测IGBT的导通和关断的不同状态进行快速判断，当被测IGBT是关断状态时，采样保持电路的光电开关导通，后面的电容编程电路根据采样电路采集的被测IGBT的关断时的压降值选择输出的编程电容的数量，用不同数量的编程电容与下采样电容C13进行阻抗匹配；当被测IGBT是导通状态时，采样保持电路的光电开关不导通，采样保持电容C5处于采样保持状态；此时，编程电容器C6-C11所投入的电容所存储的能量，可以抵消上采样电容C12电压快速下降时所需的抽取能量，使被检测IGBT由关断状态变为导通状态时，能够由第一运算放大器U9的输出端OUT快速响应，及时反映被检测IGBT的管压降；
3)高速采样比较电路通过增加的下并联电容：第三滤波电容C3的预充电和放电，使采样电路能够快速反应IGBT的关断和导通状态的压降变化，从而快速控制光电开关K1的状态；
4)电容编程电路将每个编程电阻的电压值与其输入端的out1信号的电压值相比较，out1信号越高，比较器U3-U8输出的并联电容越多，不同的电容值与下采样电容C13进行匹配，保证增加钳位电路后的输出端口波形既能快速响应，又不发生明显畸变。
本实用新型的检测电路的具体工作原理及过程如下：
一、当被检测IGBT T1处于关断状态时，集电极和发射极之间承受较高电压，经采样电路的电阻分压和第二运算放大器U1处理后，为采样保持电路提供信号输入in1；同时，被检测IGBT T1集电极和发射极之间电压还经过高速采样比较电路的电阻分压后送至采样比较器U2的反向输入端；VCC经限流电阻R7、稳压管D3、滤波电容C4分压滤波获得基准电压，并由分压电阻R5、R6分压后送至采样比较器U2的同向输入端；由于采样比较器U1的同向输入端电压低于反向输入端电压，其输出端in1电压置低使光电开关K1原边导通，副边开关闭合，采样保持电容C5端out1的电压跟随被检测IGBT T1的集电极、发射极间电压等比例变化；采样保持电容C5的电压送至比较器U3-U8的反向输入端，基准电压经编程电阻R9-R15分压后送至比较器U3-U8的同向输入端，视采样保持电容C5的电压幅值高低确定选通所需的编程电容器C6-C11；
被检测IGBT T1的集电极和发射极之间电压经过阻容并联采样电路的第一上采样电阻R16、第一下采样电阻R17、第一滤波电容C12、第二滤波电容C13的分压采集后，并经钳位二极管D4、稳压二极管D5的钳位送至第一运算放大器U9的同相输入端，跟随后输出经钳位的电压信号OUT。
二、当被检测IGBT T1进入导通状态时，集电极和发射极之间承受较低电压，高速采样比较电路的采样电容分压值迅速降低，使采样比较器U2的同向输入端电压高于反向输入端电压，采样比较器U2的输出端in2由低电平变为高阻，控制光电开关K1副边开关断开，采样电路的信号in1不能通过光电开关K1，采样保持电容C5处于采样保持状态；此时，编程电容器C6-C11所投入的电容所存储的能量，可以抵消上采样电容C12电压快速下降时所需的抽取能量，使被检测IGBT由关断状态变为导通状态时，能够由第一运算放大器U9的输出端OUT快速响应，及时反映被检测IGBT的管压降。
以上实施例在以本实用新型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，但本实用新型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)
1.一种基于并联电容器的高速管压降检测电路，其特征在于，所述检测电路包括采样电路、高速采样比较电路、采样保持电路、电容编程电路、阻容并联采样电路和钳位电路；
所述采样电路的采集端连接在被测IGBT的集电极和发射极之间，输出端输出IGBT的管压降采集信号in1；
所述的高速采样比较电路的采集端连接在被测IGBT的集电极和发射极之间，采集其管压降信号，并通过与基准电压相比较，输出被测IGBT的导通/关断信号in2；
所述的采样保持电路包括光电开关K1和采样保持电容C5，光电开关K1的一次侧接收被测IGBT的导通/关断信号in2，二次侧一端连接采样电路输出的IGBT的管压降采集信号in1，另一端经过采样保持电容C5后接地；采样保持电容C5上端为采样保持电路输出端，输出采样保持信号out1；
所述的电容编程电路包括多个比较器、多个编程电阻和多个编程电容，多个编程电阻由上至下串联在电源VCC与地之间；每个比较器的同向输入端均连接一个编程电阻的下端；每个比较器的反向输入端均连接至采样保持电路的输出端，接收采样保持信号out1，每个比较器的输出端均连接一个编程电容的一端；多个编程电容的另一端并联，共同为输出端out2；
所述的阻容并联采样电路的采集端连接在被测IGBT的集电极和发射极之间，包括第一上采样电阻R16、第一下采样电阻R17、上采样电容C12、下采样电容C13和第一运放U9，由第一上采样电阻R16和第一下采样电阻R17上下串联成分压采样电路，串联的中间点连接至第一运放U9的输入端，同时第一上采样电阻R16还并联上采样电容C12，第一下采样电阻R17还并联下采样电容C13；第一运放U9的输出端输出所述检测电路的检测信号OUT；
电容编程电路的输出端out2与下采样电容C13上端相连；由二极管D4和稳压管D5串联构成的钳位电路也并联在下采样电容C13两端。
2.根据权利要求1所述的一种基于并联电容器的高速管压降检测电路，其特征在于，所述的采样电路包括第二上采样电阻R1、第二下采样电阻R2、第一滤波电容C1和第二运放U1，由第二上采样电阻R1和第二下采样电阻R2上下串联成分压采样电路，串联的中间点连接至第二运放U1的输入端，同时第二下采样电阻R2还并联第一滤波电容C1；第二运放U1的输出端输出IGBT的管压降采集信号in1。
3.根据权利要求1所述的一种基于并联电容器的高速管压降检测电路，其特征在于，所述的高速采样比较电路包括第三上采样电阻R3、第三下采样电阻R4、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3和采样比较器U2，由第三上采样电阻R3和第三下采样电阻R4上下串联成分压采样电路，串联的中间点连接至采样比较器U2的反向输入端，同时第三上采样电阻R3还并联第二滤波电容C2，第三下采样电阻R4还并联第三滤波电容C3；采样比较器U2的同向输入端为基准电压端，所述的基准电压由串联在电源VCC与地之间的分压电阻得到；采样比较器U2的输出端输出被测IGBT的导通/关断信号in2。
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| CN114295950A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-04-08 | 中车永济电机有限公司 | Igbt器件的集射极饱和压降的在线检测装置 |
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