多个igbt短路检测和保护方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种多个IGBT短路检测和保护的方法与装置，方法步骤为：1）向每个IGBT发送驱动脉冲，IGBT接收驱动脉冲并驱动IGBT开通；2）实时检测每个IGBT两端的电压值，判断是否大于预设的短路电压门限值，若为是，判定为IGBT内部开路故障状态并发送判定结果；3）将检测得到的短路电压转换为短路电流值并计算短路电压与短路电流的目标倍数，判断目标倍数是否大于预设的倍数门限值，若为是，将驱动脉冲降为负电平，驱动IGBT关断；装置包括实时检测IGBT故障并进行关断保护的多个短路检测保护模块。本发明具有实现方法简单、保护参数一致且能够对多个IGBT进行统一、协调的检测和保护的优点。
【专利说明】多个IGBT短路检测和保护方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及IGBT领域，尤其涉及一种多个IGBT短路检测和保护方法及装置。
【背景技术】
[0002]对于IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)的检测保护，主要包含以下三种方法:
[0003](I)采用模拟分立元件实现，然而此类方法所需的元件数量多且复杂。特别是针对多个IGBT的系统而言，由于模拟器件离散性，还会存在保护参数不一致的情况，且保护参数随着时间温度变化会产生偏移。
[0004](2)采用集成模块实现，集成模块实际上也是由模拟分立元件组成，由于封装成模块，可以方便使用，然而该方案同样存在上述缺陷，即针对多个IGBT的系统，保护参数不一致且保护参数随着时间温度变化会产生偏移。
[0005]上述两种方案中，IGBT保护门槛值在现场使用时，无法根据具体情况进行调整；在IGBT发生故障时，短路电流值无法精确量化，同时也不能显示以进行实时观察，不便于事后分析。
[0006](3)采用霍尔元件进行IGBT短路检测，但是此类方案存在保护响应的速度问题，无法实现产品的小型化，在实际产品中很少采用。
[0007]如图1所示，传统IGBT短路检测保护结构原理，采用分立模拟器件进行IGBT检测和保护，然后向中央处理芯片传输数据。采用此类方案，所需元件众多，各个保护门限值有偏差，使得保护并不准确；另一方面保护门限值是固定的而无法变动，同时向中央处理芯片Ul传输的数据有限且存在偏差，无法全面反映IGBT故障状态。
[0008]IGBT应用于高压环境中时，例如在高压变频器中，IGBT都工作在主回路电网中(电压等级从380V至10000V)，而主回路电网是一个变化复杂且干扰严重的环境，采用可编程芯片对IGBT进行直接检测和保护时，极有可能会导致可编程芯片受到干扰不能正常工作。现有技术中，均是将用于检测和保护的可编程芯片放在低压侧，与主回路电网进行光电隔离或磁隔离，因此IGBT短路检测保护都采用分立模拟器件来进行，各个方案中的不同点只是电路结构以及封装形式有所区别。要使得可编程芯片在主回路电网中正常工作，需要满足以下两个条件:
[0009]A、保证可编程芯片工作电压稳定性。要满足该条件的一个方法是采用高频开关电源给可编程芯片供电，通过调整开关电源的工作频率能够及时调整芯片波动的电源；另外一个方法是在芯片的每个使用引脚连接低阻抗电容，利用电容两端电压不能突变的特性，抑制瞬间干扰。电容值大小根据芯片允许的电压范围进行选取，若值太大会影响信号传输速度，太小则无抑制效果；
[0010]B、可编程芯片任意引脚上的电压不超过可编程芯片的工作电源电压。要满足该条件只需要给芯片的每个引脚提供确定的电压，有输入输出工作的引脚都会有明确电压信号，因此将不需要使用的引脚通过上拉或下拉电阻接地，防止悬空形成不定电压而被击穿。
【发明内容】
[0011]本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、保护参数一致、能够对多个IGBT进行统一检测和保护、便于精确量化及观察分析的多个IGBT短路检测和保护方法及装置。
[0012]为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为:
[0013]一种多个IGBT短路检测和保护方法，步骤为:
[0014](I)向每个IGBT持续的发送正电平驱动脉冲，IGBT接收驱动脉冲并驱动IGBT开通；
[0015](2)实时检测每个IGBT两端的电压值，判断是否大于预设的短路电压门限值，若为是，判定为IGBT内部开路故障并发送判定结果，转入执行步骤(4);若为否，转入执行步骤(3)；
[0016](3)将检测得到的短路电压转换为短路电流值并计算短路电压与短路电流的目标倍数，判断目标倍数是否大于预设的倍数门限值，若为是，判定为IGBT短路故障并发送判定结果，转入执行步骤(4);若为否，返回执行步骤(2)；
[0017](4)将驱动脉冲降为负电平，驱动IGBT关断。
[0018]作为本发明方法的进一步改进:所述步骤(3)中将检测得到的短路电压转换为短路电流值的方法为:将IGBT的短路电压值和短路电流值的曲线表分为多个小段，按照下式得到每一段曲线短路电压值和短路电流值的对应关系，根据对应关系将检测得到的短路电压转换为短路电流值；
`[0019]Yn=KnX(Xn^ Xn+1)
[0020]其中，Yn为第η段的短路电流值，X为第η段的短路电压值，Kn为第η段短路电压与短路电流的倍数关系。
[0021]作为本发明方法的进一步改进:将IGBT的短路电压值和短路电流值的曲线表分为10个小段。
[0022]作为本发明方法的进一步改进:还包括步骤(1)前的IGBT短路损坏判定流程，具体实现方法为:检测IGBT两端的电压，判定是否低于设置的短路电压门限值，若为是，判定为IGBT短路损坏故障并发送判定结果，向IGBT发送负电平驱动脉冲，驱动IGBT关断；若为否，执行步骤(1)。
[0023]一种多个IGBT短路检测和保护装置，包括多个短路检测保护模块，每个所述短路检测保护模块包括驱动单元、短路检测保护单元；每个所述驱动单元向对应的IGBT持续的发送正电平驱动脉冲驱动IGBT开通，每个所述短路检测保护单元实时检测对应IGBT两端的电压值，判断是否大于预设的短路电压门限值，若为是，判定为IGBT内部开路故障并发送判定结果，将正电平驱动脉冲降为负电平，输出给驱动单元，驱动IGBT关断；若为否，将短路电压转换为短路电流值并计算短路电压与短路电流的目标倍数，判断目标倍数是否大于预设的倍数门限值，若为是，判定为IGBT短路故障并发送判定结果，将正电平驱动脉冲降为负电平，输出给驱动单元，驱动IGBT关断，若为否，继续执行短路检测保护单元。
[0024]作为本发明装置的进一步改进:所述短路检测保护单元包括依次连接的短路电压采集子单元、短路电流处理子单元和检测结果输出子单元；所述短路电压采集子单元采集IGBT两端的电压，输出给短路电流处理子单元，所述短路电流处理子单元将检测得到的短路电压转换为短路电流、计算出短路电流值与短路电压值的目标倍数，根据预设的短路电压门限值和倍数门限值判断IGBT的故障状态，由检测结果输出子单元输出短路电流值及故障状态判定结果。
[0025]作为本发明装置的进一步改进:所述短路电流处理子单元包括依次连接的放大器、高速AD转换芯片以及可编程逻辑芯片；所述可编程逻辑芯片用于将短路电压转换为短路电流且计算得出短路电流与短路电压的倍数，根据预设的短路电压门限值及倍数门限值判断IGBT的故障状态。
[0026]作为本发明装置的进一步改进:所述可编程逻辑芯片的供电电源端与IGBT的发射级E端相连或通过一个电阻与IGBT的发射级E极相连。
[0027]作为本发明装置的进一步改进:还包括与每个短路检测保护模块连接的人机交互模块，所述人机交互模块包括参数设置单元及显示触控单元；所述参数设置单元，用来生成每个IGBT短路电压值和短路电流值的对应关系表，并设置短路电压门限值和倍数门限值；所述显示触控单元，用来接收短路检测模块输出的故障状态判定结果并进行显示。
[0028]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0029](I)本发明通过设置统一的短路门限值，在进行IGBT短路检测时，实时检测IGBT两端电压，根据预设的短路门限值判断IGBT的故障状态，在判定出现故障时及时关断IGBT，实现方法简单，保证了所有的IGBT的保护门限值一致，避免保护误动作或不动作的发生；同时根据不同IGBT的短路电压与短路电流的对应关系分别进行判别处理，对检测到的IGBT的故障状态进行精确的分类处理，实现多个IGBT短路检测和保护的统一协调工作。
[0030](2)本发明在进行IGBT短路检测后发送短路电流及故障状态信息以进行交互，根据IGBT实时运行状态可以对短路门限值进行设置及修改，能够适用于不同种类的IGBT，同时实现对短路电流的精确量化，便于实时观察分析以及事后处理。
[0031](3)本发明采用可编程逻辑芯片完成短路检测与保护功能，方便使用与扩展，同时用于高压环境时将用于短路检测保护的可编程逻辑芯片放在高压主回路侧，其供电电源端与IGBT的发射级E端相连或通过一个电阻与IGBT的发射级E端相连，无需进行隔离，直接进行精确检测和实时保护，突破传统的可编程芯片只能工作在低压环境，不能工作在高压环境的束缚。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是传统IGBT短路检测保护结构原理示意图。
[0033]图2是本发明中多个IGBT短路检测和保护方法流程示意图。
[0034]图3是本发明具体实施例中多个IGBT短路检测和保护方法流程示意图。
[0035]图4是本实施例多个IGBT短路检测和保护装置结构示意图。
[0036]图5是本实施例多个IGBT短路检测和保护装置接口示意图。
[0037]图6是本发明具体应用实施例中中央处理传输模块电路结构示意图。
[0038]图7是本发明具体应用实施例中一个短路检测保护模块电路结构示意图。
[0039]图8是本发明多个IGBT短路保护检测和保护装置在具体应用实施例中结构原理示意图。[0040]图9是本发明具体应用实施例中通信模块电路结构示意图。
[0041]图10是本发明具体应用实施例中电源模块电路结构示意图。
[0042]图11是本发明具体应用实施例中人机交互模块接口示意图。
[0043]图例说明
[0044]1、短路检测保护模块；2、中央处理传输模块；3、人机交互模块；4、通信模块；5、电源模块。
【具体实施方式】
[0045]以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0046]如图2所示，本发明多个IGBT短路检测和保护方法，步骤为:
[0047](I)向每个IGBT持续的发送正电平驱动脉冲，IGBT接收驱动脉冲并驱动IGBT开通；
[0048](2)实时检测每个IGBT两端的电压值，判断是否大于预设的短路电压门限值，若为是，判定为IGBT内部开路故障并发送判定结果，转入执行步骤(4);若为否，转入执行步骤(3)；
[0049](3)将检测得到的短路电压转换为短路电流值并计算短路电压与短路电流的目标倍数，判断目标倍数是否大于预设的倍数门限值，若为是，判定为IGBT短路故障并发送判定结果，转入执行步骤(4);若为否，返回执行步骤(2)；
[0050](4)将驱动脉冲降为负电平，驱动IGBT关断。
[0051]由于IGBT的生产厂家一般只提供短路电压值和短路电流的对应曲线表，而两者之间并无对应的函数关系。本实施例中，为生成短路电压值和短路电流的对应关系表，将IGBT的短路电压值和短路电流值的曲线表分为多个小段，按照下式得到每一段曲线短路电压值和短路电流值的对应关系，所有段的对应关系构成IGBT短路电压值和短路电流值的对应关系表。
[0052]Yn=KnX(Xn≤Xn+1)
[0053]其中，Yn为第η段的短路电流值，X为第η段的短路电压值，Kn为第η段短路电压与短路电流的倍数关系。
[0054]经过处理后的短路电流值和短路电压值对应关系表为:
[0055]Y1=K1X (X1 ≤ X ≤ X2)
[0056]....................................;
[0057]Yn=KnX(Xn≤ Χη+1)
[0058]所分成的段越多，得到的对应关系就越逼近真实的曲线，而对芯片的存储要求也越高。一般来说，取10段折线能满足需求，因此本实施例中将短路电压值和短路电流值的对应曲线分成10小段，即η取10。
[0059]本实施例中，将生成的每个IGBT短路电压值和短路电流值的对应关系表进行存储，并设置短路门限值，包括设定统一的短路电压门限值V1、短路电压值与短路电流值的倍数门限值K。将设置的短路电压的门限值V1、倍数的门限值K及各个IGBT的对应关系表输出，作为每个IGBT检测时短路故障的判断标准。[0060]本实施例中，在开始工作后，向IGBT实时持续的发送正电平驱动脉冲，IGBT接收驱动脉冲并驱动开通，IGBT开通后检测每个IGBT两端的电压值，根据存储的IGBT对应的短路电压值与短路电流值的对应关系表将短路电压转换为短路电流值，并计算转换后的短路电流值与短路电压值的目标倍数M，与预设的倍数门限值K进行比较，若目标倍数M超过倍数门限值K，判定IGBT处于短路故障。根据每个IGBT的故障状态判定结果控制改变对应的驱动脉冲的电平，当判断到IGBT出现短路故障时，将正电平驱动脉冲降为负电平后发送给IGBT，驱动IGBT进行关断。
[0061]本发明将短路门限值及各个IGBT的短路电压与短路电流的对应关系进行存储，进行IGBT短路检测时，检测到的短路电压与存储的门限值及各个IGBT的对应关系进行比较，判断IGBT的故障状态，在出现短路故障时，及时关断IGBT，实现方法简单，保证了所有的IGBT的保护门限值一致，避免保护误动作或不动作的发生，实现多个IGBT短路检测和保护的统一协调工作。
[0062]本实施例中，还包括在执行步骤(I)前的IGBT短路损坏判定流程，在驱动IGBT开通前检测IGBT是否损坏，具体实现方法为:检测IGBT两端的电压，判定是否低于设置的短路电压门限值，若为是，判定为IGBT短路损坏故障并发送判定结果，向IGBT发送负电平驱动脉冲，驱动IGBT关断；若为否，执行步骤(I)。
[0063]如图3所示，本发明具体实施例中多个IGBT短路保护检测和保护的方法，根据设置的短路电压的门限值V1、倍数的门限值K及各个IGBT的对应关系表进行短路检测和保护，步骤为:
[0064](2.1)检测系统是否开始工作，若为否，转入执行步骤(2.2)，若为是，转入执行步骤(2.3)；
[0065](2.2)检测IGBT两端的电压值，判定是否低于预设的短路电压门限值VI，若为是，判定为IGBT短路损坏故障状态，发送第一故障状态信息，并向IGBT发送负电平驱动脉冲，驱动IGBT关断；若为否，返回执行步骤(2.1)；
[0066](2.3)向IGBT发送正电平驱动脉冲，驱动IGBT开通，IGBT开始工作；
[0067](2.4)检测IGBT两端的电压值V，判断是否大于预设的短路电压门限值VI，若为是，判定为IGBT内部开路故障状态，发送第二故障状态信息，并将驱动脉冲降为负电平，驱动IGBT关断，返回执行步骤(2.1);若为否，转入执行步骤(2.5)；
[0068](2.5)根据对应关系表计算得出短路电压与短路电流的倍数M，判断是否大于设置的倍数门限值K，若为是，判定为IGBT短路故障状态并发送第三故障状态信息，将驱动脉冲降为负电平，驱动IGBT关断，返回执行步骤(2.1)。
[0069]工作时，首先检测系统的工作状态，判断是处于待机状态还是工作状态，若处于待机状态下，系统IGBT接收到负脉冲，IGBT应处于关断状态，若检测到IGBT的CE两端电压V低于设置的短路电压门限值VI，说明此时IGBT已经处于短路损坏故障，即处于电压击穿型短路故障，发送第一故障状态信息。若系统已经开始工作，且检测到IGBT的CE两端电压V大于设置的短路电压门限值VI，说明IGBT内部已经开路，即出现开路故障，发送第二故障状态信息；若检测到IGBT的CE两端电压V低于设置的短路电压门限值VI，则先将其转换成额定电流的倍数M，判断倍数M是否大于预设的倍数门限值K，如果大于预设的倍数门限值K，判定IGBT处于电流过流型短路故障，并发送第三故障状态信息。[0070]本实施例中，根据每个IGBT的故障状态信息控制对应的驱动脉冲的发送，以保护IGBT不被损坏。当IGBT的故障状态为电压击穿型短路故障，即接收到第一故障信息时，发送负电平驱动脉冲，关断IGBT，系统保持待机状态；当IGBT的故障状态为开路故障，即接收到第二故障信息时，驱动脉冲降到负电平，关断IGBT，系统返回待机状态；当IGBT的故障状态为于电流过流型短路故障时，即接收到第三故障状态信息时，立即把驱动脉冲降到负电平，驱动关断IGBT，IGBT关断后系统进入待机状态。
[0071]本发明通过检测IGBT两端的短路电压以及不同的IGBT的短路电压与短路电流之间的对应关系分别判断IGBT的故障状态，并对故障状态进行精确的分类处理，包括短路损坏故障、开路故障以及短路故障，在出现故障时驱动IGBT关断，实现方法简单，能够高效、精确的实现多个IGBT的短路检测和保护功能。
[0072]本实施例中，在进行IGBT短路检测后输出短路电流及故障状态信息并以波形文件的形式进行显示，以得到精确量化的短路电流大小，便于事后分析，同时在IGBT出现短路故障时能够及时观测到故障信息，以及时进行故障处理；在实际应用中，可以根据IGBT实时运行状态对短路门限值进行设置及修改，使用灵活、适用范围广。
[0073]如图4、5所示，本实施例多个IGBT短路检测和保护装置，包括多个短路检测保护模块1、中央处理传输模块2、人机交互模块3、通信模块4、多个电源模块5，每个短路检测保护模块1、中央处理传输模块2、人机交互模块3分别连接一个电源模块5,每个电源模块5输入AC或DC电源，提供给各个模块所需的电源功率。每个短路检测保护模块I对应连接一个IGBT，对IGBT进行短路检测及保护，每个短路检测保护模块I包括驱动单元、短路检测保护单元，其中驱动单元用来向对应IGBT发送驱动脉冲驱动IGBT开通，若驱动脉冲为正电平，驱动IGBT开通，若驱动脉冲为负电平，驱动IGBT关断。短路检测保护单元用来实时检测对应IGBT两端的电压值，在IGBT驱动开通后判断是否大于预设的短路电压门限值，若为是，判定为IGBT内部开路故障并发送判定结果，将驱动脉冲降为负电平，输出给驱动单元，驱动IGBT关断；若为否，将短路电压转换为短路电流值并计算短路电压与短路电流的目标倍数，判断目标倍数是否大于预设的倍数门限值，若为是，判定为IGBT短路故障并发送判定结果，将驱动脉冲降为负电平，输出给驱动单元，驱动IGBT关断。
[0074]本实施例中，人机交互模块3用来进行短路门限值设置及结果显示。每个短路检测保护模块I通过一个中央处理传输模块2与人机交互模块3相连，传输每个短路检测保护模块I与人机交互模块3之间的数据。人机交互模块3的数据则通过通信模块4传输至中央处理传输模块2中或接收中央处理传输模块2输出的中转数据。
[0075]本实施例中，通过人机交互模块3生成每个IGBT短路电压值和短路电流值的对应关系表并进行存储，设置短路门限值，向每个IGBT发送对应的驱动脉冲。驱动单元接收驱动脉冲以驱动IGBT，若驱动脉冲为正电平，驱动IGBT开通，若驱动脉冲为负电平，驱动IGBT关断。短路检测保护模块I，检测每个IGBT两端的电压值，根据人机交互模块3输出的短路电压门限值、倍数门限值及IGBT对应的短路电压值和短路电流值的对应关系表判断IGBT的故障状态，输出短路电流值及故障状态判定结果至人机交互模块3进行显示。短路检测保护模块I根据IGBT的故障状态控制对应的驱动脉冲的发送，当IGBT的故障状态为短路故障时，将驱动脉冲降为负电平，输出给驱动单元，驱动IGBT进行关断。
[0076]如图5所示，本实施例多个IGBT短路检测和保护装置的接口连接，中央处理传输模块2通过通信模块4以RS485通信方式与人机交互模块3连接，以SPI主从通信方式与每个短路检测保护模块I相互连接，一根传输单线对应连接一个短路检测保护模块1，传输人机交互模块3与各个短路检测保护模块I之间的数据。中央处理传输模块2的数据端、时钟端口 SDO、SDUSCLK分别与每个短路检测保护模块I的数据端、时钟端口 SDO、SDUSCLK相连，各个短路检测保护模块I的CS端与中央处理传输模块2的CS端相连，中央处理传输模块2的数据接收、发送及使能接口 RX、TX、EN485与通信模块4的数据接收、发送与使能端RX_485、TX_485、EN485连接，人机交互模块3的数据接收、发送端RX、TX与通信模块4的数据接收和发送端A+和B-端相连。每个电源模块5输入端连接直流ACorDC，电源输出端VCCl+, VCCl-连接各个模块的电源输入端VCCl+和VCC1-。
[0077]本实施例中，首先通过人机交互模块3对短路门限值进行设置，包括设置短路电压门限值V1、短路电流值与短路电压值的倍数门限值K，并按照式(I)生成每个IGBT短路电压值和短路电流值的对应关系表，连同短路电压门限值Vl、倍数的门限值K通过通信模块4发送给中央处理传输模块2，中央处理传输模块2以SPI通信方式下发给各个对应的短路检测保护模块I。
[0078]在系统开始工作前，由短路检测单元检测IGBT两端的电压，判定是否低于设置的短路电压门限值，若为是，说明IGBT已经出现短路损坏，由驱动单元向IGBT发送负电平驱动脉冲，驱动IGBT关断；若为否，系统开始工作，由人机交互模块3以RS485的方式通过通信模块4把各不相同的正电平驱动脉冲传输至中央处理传输模块2,由中央处理传输模块2以单线传输的方式发至对应的短路检测保护模块1，各个短路检测保护模块I在对应的驱动脉冲的驱动下开通。
[0079]各个短路检测保护模块I开始短路检测工作，检测每个IGBT两端的电压值，根据人机交互模块3输出的短路门限值、IGBT对应的短路电压值与短路电流值的对应关系表判断当前IGBT的故障状态，若检测到IGBT的CE两端电压Vce大于设置的短路电压门限值Vl，说明IGBT内部已经开路，即出现IGBT开路故障，将驱动脉冲降为低电平并输出给驱动单元驱动IGBT关断，保护IGBT不被损坏；若检测到IGBT的CE两端电压Vce低于设置的短路电压门限值VI，则先将短路电压值根据对应关系表转换成IGBT额定电流的目标倍数，判断目标倍数是否大于预设的倍数门限值K，如果大于倍数门限值K，判定IGBT处于短路故障，将驱动脉冲降为低电平并输出给驱动单元驱动IGBT关断，保护IGBT不被损坏。将短路电流及故障状态判定结果以SPI通信方式通过数据传输单元传输至人机交互模块3以波形文件的形式进行显示，以进行分析判断和事后的系统修改升级。
[0080]如图6所示，本发明在具体应用实施例中中央处理传输模块的电路结构，其中UlOB为可编程逻辑芯片，通过RS485方式接收来至人机交互模块3的数据，通过数据接收端和数据发送端RX、TX进行连接，然后分发给各个对应的短路检测保护模块1，并接收各个短路检测保护模块I的数据后传输给人机交互模块3，通过数据端SDO、SDK SCLK、CS进行传输，并由数据端PWM端传输驱动脉冲，在人机交互模块3与各个短路检测保护模块I中实现数据收集及传输功能。其中，U10A-U10G为中央处理可编程逻辑芯片UlO的各个部分，UlOA?UlOC为数据部分，U10F、U10G为工作电源部分，UlOE为程序烧写部分。G2为晶振，给可编程逻辑芯片芯片UlO提供工作频率脉冲CLK，由第七二极管D7、第二十八电阻R28和第二十九电阻R29、第十七电容C17产生一个复位脉冲RST给可编程逻辑芯片U10。XZl为程序烧录接口，用于可编程逻辑芯片UlO与PC机连接。电源芯片Ul用于产生一个工作电源VCC，为可编程逻辑芯片芯片UlO提供工作电源。中央处理传输模块2向每个短路检测保护模块I传输驱动脉冲采用单线，传输速度快，中央处理传输模块2与各个短路检测保护模块I则采用SPI主从通信方式进行通信，将人机交互模块3的门限设置数据传输给各个短路检测保护模块I并接收各个短路检测保护模块I输出的数据，其传输信息量大。
[0081]本实施例中，短路检测保护单元包括依次连接的短路电压采集子单元、短路电流处理子单元和检测结果输出子单元。短路电压采集子单元采集IGBT两端的电压，输出给短路电流处理子单元，短路电流处理子单元将检测得到的短路电压转换为短路电流、计算出短路电流值与短路电压值的目标倍数，根据预设的短路电压门限值和倍数门限值判断IGBT的故障状态，由检测结果输出子单元输出短路电流值及故障状态判定结果。
[0082]如图7所示，本发明在具体应用实施例中一个短路检测保护模块电路结构，短路电压采集电路采用高速AD采样芯片，短路电流处理电路采用可编程逻辑芯片，检测结果输出电路采用光耦U5，驱动单元采用高速光耦U15，同时采用可编程逻辑芯片U2将短路电压转换为短路电流且计算得出短路电流与短路电压的倍数，根据预设的短路电压门限值及倍数门限值判断IGBT的故障状态，并控制IGBT驱动脉冲的发送，实现IGBT的短路保护。其中Ql为IGBT，U2为可编程逻辑芯片，U2A-U2G为芯片的各个部分，由中央处理可编程芯片Ul对电源进行线性稳压，采样信号经过运算放大器U3、高速AD采样芯片U4处理后输出至可编程逻辑芯片U2，经过光耦U5输出至中央处理传输模块2，高速光耦U15接收驱动脉冲PWM输出至可编程逻辑芯片U2进行处理后输出驱动IGBT。可编程逻辑芯片U2的工作电源地GNl直接和IGBT的E极相连，IGBT的C极连到主回路(实际工作时电压从380V到10000V不等)。短路门限值由人机交互模块3进行设置，再传输至可编程逻辑芯片U2中，检测到故障后立即处理保护，实时性高，然后通过SPI通信方式把数据传给中央处理传输芯片U1，数据传输接口为CS、SCLK、SD0和SD1，传输数据信息量大，全面反映IGBT故障状态，并且短路门限值可随时修改，可适应不同种类的IGBT。各个短路检测保护模块I的电源由电源模块5来提供，包括正负双电源VCCl+和VCC1-，其中由正负双电源VCCl+和VCCl向IGBT驱动脉冲和运算放大器U3提供工作电源，正电源VCCl+通过线性稳压芯片Ul处理后得到电源VCC2+并提供给可编程逻辑芯片U2及高速AD转换芯片U4。
[0083]本实施例中，将用于短路检测和短路保护的可编程逻辑芯片U2放在高压回路侧，直接对IGBT进行短路检测及保护，其实时性高。可编程逻辑芯片U2的电源工作地部分U2G引脚和IGBT Ql的E极相连，均为与地GNDl连接，可编程逻辑芯片U2引脚标号为IOZl和10Z9的引脚工作，具有明确的电平信号，其中最低电平为GND1，最高电平为VCC2+，而芯片中没有使用的引脚，例如标号IOl到1023的引脚则通过电阻(标号为R12-R37的电阻)和地GNDl相连，即也具有明确的电平GND1，从而保证了每个引脚不被损坏。工作引脚中，即标号10Z1-10Z9的引脚和电源引脚通过电容(标号为C9到C22的电容)接地，可以抑制主回路电网波动对电源和工作信号的干扰。
[0084]工作时，采集IGBT的CE两端电压Vce，通过运放放大器U3处理进入高速12位AD采样芯片U4中，经过AD转换后数据传输给可编程逻辑芯片U2，可编程逻辑芯片U2经过判断后，控制驱动脉冲的发送，出现短路故障时将驱动脉冲降为负电平，驱动IGBT关断；通过SPI通信方式把IGBT故障状态判定结果通过光耦U5传给中央处理传输模块2，同时通过SPI通信线接收来至中央处理传输模块2的数据信息。
[0085]如图8所示，本发明多个IGBT短路检测和保护装置在具体应用实施例中结构原理，采用前级检测保护可编程芯片对IGBT进行短路检测和保护，由中央处理可编程芯片传输数据，前级检测保护可编程芯片与Ul与中央处理可编程芯片通过光隔离或磁隔离，IGBT的发射极C级连接主回路电压，实际应用中为380?10000V电压。
[0086]本发明采用可编程逻辑芯片完成短路检测与保护功能，方便使用与扩展，同时用于高压环境时，将检测保护模块的可编程逻辑芯片放在高压主回路侧，其供电电源端与IGBT的发射级E端相连或通过一个电阻与IGBT的发射级E端相连，无需进行隔离，直接进行精确检测和实时保护，突破传统的可编程芯片只能工作在低压环境，不能工作在高压环境的束缚。
[0087]如图9所示，本实施例中电源模块的电路结构，采用反激式开关电源，整流二极管DllO?D113将输入的交流电或直流电都转换成直流电，通过电阻RlOl和稳压二极管D106输出给电源调整芯片UlOO提供电源，电源驱动芯片UlOO控制开关管Ql开关，在变压器Tl的原边形成一个电压脉冲，电压脉冲通过变压器Tl传输到副边，由副边通过二极管D102、电容ClOl产生一个正电压，通过二极管D103、电容C102产生一个负电压。
[0088]如图10所示，本实施例中通信单元的电路结构。通信电路采用带隔离的RS485通信芯片U2 (ADM2483)进行通信，Dl和D2为干扰抑制二极管，抑制通信过程中的干扰。
[0089]如图11所示，本实施例中人机交互模块电路接口，人机交互模块3和中央处理传输模块2通过标号为U2的RS485隔离芯片相连,人机交互模块3把数据传给中央处理传输模块2，中央处理传输模块2把接收到各个短路检测保护模块I的数据传给人机交互模块3进行显示。
[0090]上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
【权利要求】
1.一种多个IGBT短路检测和保护方法，其特征在于，步骤为: (1)向每个IGBT持续的发送正电平驱动脉冲，IGBT接收驱动脉冲并驱动IGBT开通； (2)实时检测每个IGBT两端的电压值，判断是否大于预设的短路电压门限值，若为是，判定为IGBT内部开路故障并发送判定结果，转入执行步骤(4);若为否，转入执行步骤(3); (3)将检测得到的短路电压转换为短路电流值并计算短路电压与短路电流的目标倍数，判断目标倍数是否大于预设的倍数门限值，若为是，判定为IGBT短路故障并发送判定结果，转入执行步骤(4);若为否，返回执行步骤(2)； (4)将驱动脉冲降为负电平，驱动IGBT关断。
2.根据权利要求1所述的多个IGBT短路检测和保护方法，其特征在于，所述步骤(3)中将检测得到的短路电压转换为短路电流值的方法为:将IGBT的短路电压值和短路电流值的曲线表分为多个小段，按照下式得到每一段曲线短路电压值和短路电流值的对应关系，根据对应关系将检测得到的短路电压转换为短路电流值； Yn=KnX(Xn^ Xn+1) 其中，Yn为第η段的短路电流值，X为第η段的短路电压值，Kn为第η段短路电压与短路电流的倍数关系。
3.根据权利要求2所述的多个IGBT短路检测和保护方法，其特征在于，将IGBT的短路电压值和短路电流值的曲线表分为10个小段。
4.根据权利要求1或2或3所述的多个IGBT短路检测和保护方法，其特征在于，还包括步骤(1)前的IGBT短路损坏判定流程，具体实现方法为:检测IGBT两端的电压，判定是否低于设置的短路电压门限值，若为是，判定为IGBT短路损坏故障并发送判定结果，向IGBT发送负电平驱动脉冲，驱动IGBT关断`；若为否，执行步骤(1)。
5.一种多个IGBT短路检测和保护装置，其特征在于:包括多个短路检测保护模块(I)，每个所述短路检测保护模块(I)包括驱动单元、短路检测保护单元；每个所述驱动单元向对应的IGBT持续的发送正电平驱动脉冲驱动IGBT开通，每个所述短路检测保护单元实时检测对应IGBT两端的电压值，判断是否大于预设的短路电压门限值，若为是，判定为IGBT内部开路故障并发送判定结果，将正电平驱动脉冲降为负电平，输出给驱动单元，驱动IGBT关断；若为否，将短路电压转换为短路电流值并计算短路电压与短路电流的目标倍数，判断目标倍数是否大于预设的倍数门限值，若为是，判定为IGBT短路故障并发送判定结果，将正电平驱动脉冲降为负电平，输出给驱动单元，驱动IGBT关断，若为否，继续执行短路检测保护单元。
6.根据权利要求5所述的多个IGBT短路检测和保护装置，其特征在于，所述短路检测保护单元包括依次连接的短路电压采集子单元、短路电流处理子单元和检测结果输出子单元；所述短路电压采集子单元采集IGBT两端的电压，输出给短路电流处理子单元，所述短路电流处理子单元将检测得到的短路电压转换为短路电流、计算出短路电流值与短路电压值的目标倍数，根据预设的短路电压门限值和倍数门限值判断IGBT的故障状态，由检测结果输出子单元输出短路电流值及故障状态判定结果。
7.根据权利要求5所述的多个IGBT短路检测和保护装置，其特征在于，所述短路电流处理子单元包括依次连接的放大器、高速AD转换芯片以及可编程逻辑芯片；所述可编程逻辑芯片用于将短路电压转换为短路电流且计算得出短路电流与短路电压的倍数，根据预设的短路电压门限值及倍数门限值判断IGBT的故障状态。
8.根据权利要求7所述的多个IGBT短路检测和保护装置，其特征在于，所述可编程逻辑芯片的供电电源端与IGBT的发射级E端相连或通过一个电阻与IGBT的发射级E极相连。
9.根据权利要求6或7或8所述的多个IGBT短路检测和保护装置，其特征在于，还包括与每个短路检测保护模块(I)连接的人机交互模块(3 )，所述人机交互模块(3 )包括参数设置单元及显示触控单元；所述参数设置单元，用来生成每个IGBT短路电压值和短路电流值的对应关系表，并设置短路电压门限值和倍数门限值；所述显示触控单元，用来接收短路检测保护模块(I)输出的故`障状态判定结果并进行显示。
【文档编号】H02H7/20GK103701104SQ201310746893
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】刘宝华, 廖晓斌, 杨珊华 申请人:长沙奥托自动化技术有限公司