一种用于桥式变流器的电力电子器件短路故障预检测电路的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种用于桥式变流器的电力电子器件短路故障预检测电路。


背景技术：

2.在半桥式、全桥式和三相桥式等不同类型的变流器中，均存在由两个电力电子器件串联构成的结构，当某个电力电子器件由于静电击穿等因素发生短路故障后，若与其串联的另一个电力电子器件被触发导通，则直流母线电压会通过两个电力电子器件形成回路，造成严重的过流故障，损坏设备。
3.桥式变流器的故障检测一般分为过电压检测、过电流检测和温度检测等，以过电流检测为例，当某个或某些电力电子器件发生短路故障后，若仍带故障运行，将可能造成过电流等故障，此时若过电流故障检测电路未能可靠的动作，将会造成安全事故，损坏设备。
4.目前的主要技术方案是提高保护电路的性能和可靠性以保护系统安全，例如采用更加灵敏的过电流检测技术，但是这增大了系统成本，并且很难在可靠性、稳定性、故障误报率等因素之间做好平衡，当下还没有一种能够预先发现存在短路故障的电力电子器件，实现故障的预检测的方案。


技术实现要素：

5.针对上述背景技术中提到的，仅依靠过电流检测来提升桥式变流器安全性所存在的局限性，本发明提出了一种适用于桥式变流器的电力电子器件短路故障预检测电路，能够在电路尚未工作时即检测到存在短路故障的电力电子器件，避免系统带故障运行。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于桥式变流器的电力电子器件短路故障预检测电路，包括：信号采集电路和信号比较电路，其特征在于：所述信号采集电路与待检测的桥式变流器相连，测量桥式变流器的输出电压信号；所述信号比较电路的输入与所述信号采集电路相连，所述信号比较电路将所述信号采集电路的输出与特定的电压进行比较，通过比较器的输出来判定是否发生了过电流。
7.本发明一个较佳实施例中，所述信号采集电路由采集电阻构成，所述采集电阻电阻实现限制电流的功能并能够通过串联实现将采集的电压信号按照一定比例进行分压。
8.本发明一个较佳实施例中，所述信号比较电路由比较电阻、电容、稳压二极管和比较器构成。
9.本发明一个较佳实施例中，所述比较电阻实现限制电流的功能并能够通过串联实现将电压信号按照一定比例进行分压；所述电容用于稳定电压并滤除干扰信号；所述稳压二极管用于产生特定的电压供电路工作使用；所述比较器用于将特定的两个信号进行比较，并输出结果；信号采集电路的输出与所述稳压二极管产生的电压经所述比较器之后产生输出信号，实现判断电力电子器件是否发生了过电流。
10.本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
11.(1)本发明提出的电路，该电路能够在变流器尚未工作时，检测是否有电力电子器件处于短路状态，若检测到有的电力电子器件存在短路故障，则给出故障信号，预先发现存在短路故障的电力电子器件，实现故障的预检测，做到提前防范，有效地提高系统的可靠性和安全性。
12.(2)本发明中电路设计体积小、成本低、功耗低，能够方便的集成并用于多种不同类型的桥式变流器中，实现对电力电子器件短路故障的预检测。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
14.图1是本发明应用于半桥式变流器的结构图；
15.图2是半桥式变流器尚未工作时的等效电路结构图；
16.图3是半桥式变流器尚未工作且存在短路故障时的等效电路结构图；
17.图4是半桥式变流器尚未工作且存在短路故障时的等效电路结构图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本发明的描述中，“实施例”、“一个实施例”或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.一种用于桥式变流器的电力电子器件短路故障预检测电路，由信号采集电路和信号比较电路两部分构成，信号采集电路与待检测的桥式变流器相连，测量桥式变流器的输出电压信号；信号比较电路的输入与信号采集电路相连，将信号采集电路的输出与特定的电压进行比较，通过比较器的输出来判定是否发生了过电流，信号采集电路由电阻构成，采集电阻实现限制电流的功能并能够通过串联实现将采集的电压信号按照一定比例进行分压；信号比较电路由比较电阻、电容、稳压二极管和比较器构成；比较电阻实现限制电流的功能并能够通过串联实现将电压信号按照一定比例进行分压；电容用于稳定电压并滤除干扰信号；稳压二极管用于产生特定的电压供电路工作使用；比较器用于将特定的两个信号进行比较，并输出结果；信号采集电路的输出与稳压二极管产生的电压经比较器之后产生输出信号，实现判断电力电子器件是否发生了过电流。
20.具体的：
21.如图1至图4所示，整体电路由电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8，电容c1，稳压二极管d1，比较器u1和u2构成。桥式变流器的直流母线电压为e1，桥臂由电力电子器件k1和k2串联构成k1的漏极与直流母线电压e1的正极相连，k1的源极与k2的漏极相连，k2的源极与直流母线电压e1的负极相连。
22.需要说明的是，图1为本发明用于半桥式变流器的结构图，电路由信号采集电路和
信号比较电路两部分构成，半桥式变流器由两个的电力电子器件(具体类型为igbt)构成，分别用k1和k2表示；直流母线电压为e1；图2为半桥式变流器尚未工作时的等效电路，此时两个电力电子器件k1和k2均为断开状态；图3为半桥式变流器尚未工作，且电力电子器件k1存在短路故障时的等效电路；图4为半桥式变流器尚未工作，且电力电子器件k2存在短路故障时的等效电路。
23.其具体连接方式和工作原理如下：
24.1.信号采集电路。
25.电阻r1的一端与直流母线电压e1的正极相连，另一端与电阻r2的一端相连。电阻r2的一端与直流母线电压e1的负极相连，另一端与电阻r1的一端相连。电阻r3的一端与直流母线电压e1的正极相连，另一端与电阻r4的一端相连。电阻r4的一端与直流母线电压e1的负极相连，另一端与电阻r3的一端相连。电阻r5的一端与直流母线电压e1的正极相连，另一端与电阻r6的一端相连。电阻r6的一端与直流母线电压e1的负极相连，另一端与电阻r5的一端相连。电阻r1和r2的连接点与电力电子器件k1的源极相连。以直流母线电压e1的负极为参考点，电阻r1与电阻r2的连接点的电压用ua表示，电阻r3与电阻r4的连接点的电压用ub表示，电阻r5与电阻r6的连接点的电压用uc表示。
26.信号采集电路的工作原理如下：
27.根据电阻的分压作用可知，电压ua为e1
×
r2/(r1+r2)，电压uc为e1
×
r6/(r5+r6)。
28.当变流器尚未工作时，两个电力电子开关器件k1和k2均处于断开状态，此时根据电力电子器件k1和k2是否存在短路故障，电压ub有三种值：
29.(1)当k1发生短路故障时，电压ua等于直流母线电压e1；
30.(2)当k2发生短路故障时，此时电压ua等于0；
31.(3)当k1和k2均没有发生短路故障，此时ua为e1
×
r4/(r3+r4)。
32.2.信号比较电路。
33.电阻r7的一端与直流母线电压e1的正极相连，电阻r7的另一端与稳压二极管d1的阴极相连，稳压二极管d1的阳极与直流母线电压e1的负极相连。电容c1与稳压二极管d1并联。直流电压e1经过电阻r7后向c1充电，当c1电压超过稳压管d1的击穿电压时，d1导通，由此电容c1两端的电压即稳压二极管d1的击穿电压，该电压可用于向比较器u1和u2供电。
34.稳压二极管d1的阴极与比较器u1的供电电压正极相连，比较器u1的供电电压负极与直流母线电压e1的负极相连。电阻r3和r4的连接点与u1的正向输入端相连，电阻r5和r6的连接点与比较器u1的负向输入端相连。
35.稳压二极管d1的阴极与比较器u2的供电电压正极相连，比较器u2的供电电压负极与直流母线电压e1的负极相连。电阻r3和r4的连接点与u1的负向输入端相连，电阻r1和r2的连接点与比较器u2的正向输入端相连。
36.电阻r8的一端与稳压二极管d1的阴极相连，另一端与比较器u2的输出相连。比较器u2的输出与比较器u1的输出相连。比较器u2的输出信号反映了是否检测到了电力电子器件存在短路故障。
37.信号比较工作电路的工作原理如下：
38.比较器u1和比较器u2的输出端均为集电极开路型。利用比较器u1将ub与uc进行比较，并利用比较器u2将ua和ub进行比较。通过设计r1、r2、r3、r4、r5、r6的阻值，使得r6/(r5+
r6)《r4/(r3+r4)《r2/(r1+r2)，则若k1和k2都不存在短路故障，信号比较电路的输出电压为高电平(即等于稳压二极管d1的输出电压)。若k1存在短路故障，则ub高于ua，信号比较电路将输出低电平(即等于直流母线电压e1的负极电压)。若k2存在短路故障，则ub低于uc，信号比较电路将输出低电平(即等于直流母线电压e1的负极电压)。
39.因此，当桥式变流器尚未工作时，根据信号比较电路的输出信号，即可判断是否有电力电子器件存在短路故障：当信号比较电路输出信号为零时，表明有电力电子器件存在短路故障。
40.综上所述，通过本发明设计的电路，可以在桥式变流器尚未工作时候，预判断是否有电力电子器件存在短路故障，为提高系统工作的可靠性提供了条件。
41.以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。