一种IGBT过压保护电路及其控制方法与流程

一种igbt过压保护电路及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及一种igbt过压的保护电路及其方法，尤其是一种有源钳位电路保护igbt过压的改善电路和控制方法。


背景技术：

2.电力驱动系统将电能转换为机械能，驱动电动汽车行驶，是控制电动汽车最关键的部分。igbt在电力驱动系统中属于逆变器模块，将动力电池的直流电逆变成交流电提供给驱动电动机。igbt约占新能源汽车电机驱动系统及车载充电系统成本的40％，折合到整车上约占总成本的7～10％，其性能直接决定了整车的能源利用率。
3.由于在直流电转交流电的换流回路中存在杂散电感，因此在igbt关断时会引起电压尖峰，有引起igbt过压损坏的风险，这将严重影响新能源汽车的可靠性，现有的解决办法通常是引入有源钳位电路保护igbt过压。
4.图1为设置了有源钳位电路的换流回路构成图。
5.该有源钳位电路包含连接在栅极和集电极之间的tvs二极管及串联的二极管vd，增加了pcb板布图的复杂度，增加了系统的成本，降低了系统的可靠性。
6.而且，该换流回路存在更严重的缺陷体现在：
7.第一，上电过程可能存在异常过压脉冲工况，导致高压tvs二极管损坏，由于较大能量使得tvs二极管失效短路；
8.第二，异常过压脉冲使tvs二极管击穿短路后，硬件过压故障，mcu进入下桥臂，而二极管上电压过高触发上桥臂有源钳位电路使能，最终导致igbt长时间上下桥臂直通造成短路，从而损坏整个igbt模块。
9.图2示意了杂散电感产生尖锋电压的示意图，由于杂散电感过大，在高母线电压下，过高的电压尖锋导致拖尾电流降低甚至消失，产生强烈的关断震荡，即突然关断，严重将导致igbt的损坏。


技术实现要素：

10.应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为本公开提供进一步的解释。
11.针对上述分析的关断失效原因，本发明提出一种igbt过压保护电路及其控制方法，通过关断失效路径解决igbt损坏的风险。
12.为了实现上述发明目的，本发明提供一种igbt过压保护电路，包括控制单元和保护电路，其特征在于：
13.所述控制单元，用于根据输入的高频脉冲调制信号驱动igbt；
14.所述保护电路，用于检测所述igbt的过电压，反馈给所述控制单元，使所述控制单元输出控制信号对所述igbt进行保护。
15.比较好的是，本发明进一步提供了一种igbt过压保护电路，其特征在于，所述保护
电路包括：
16.有源钳位电路，用于通过检测所述igbt的集电极电位是否超过设定钳位门限来判断是否发生过电压故障；当超过所述设定钳位门限时，所述有源钳位电路抬升所述igbt门极电位，降低所述igbt的集电极电位，保护所述igbt。
17.本发明还提供了一种igbt过压保护电路的控制方法，其特征在于，所述控制单元的控制方法包括：
18.步骤1，在电机上电时，脉冲产生母线电压；
19.步骤2，所述控制单元判断母线电压是否过高？根据不同情况，进入两种工作模式。
20.比较好的是，本发明进一步提供了一种igbt过压保护电路的控制方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：
21.当所述母线电压处于正常范围内，进入主动短路模式，通过所述保护电路控制六个开关器件的三桥或下三桥处于导通状态，与电机uvw三项形成短路，在过压状态下对所述igbt起到了保护作用；
22.当所述母线电压过高，进入开路模式，通过所述保护电路控制六个开关器件的三桥或下三桥处于关断状态，并做出报警提示。
23.比较好的是，本发明进一步提供了一种igbt过压保护电路的控制方法，其特征在于，其中，所述步骤2中所述过高电压数值与电动汽车车型和所述保护电路设计电压相关。
24.本发明不需要改变现有硬件资源，只需调整软件控制策略；减少故障，增加系统可靠性；易于实现，节约成本。
附图说明
25.现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。
26.下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
27.图1为现有技术中设置了有源钳位电路的换流回路构成图；
28.图2是图1中杂散电感产生的尖锋电流的电压波形示意图；
29.图3是车载逆变器控制电路的示意图；
30.图4是在图3所示的电路中应用本发明方法的流程图；
31.图5是车载逆变器控制电路两种工作模式的示意图。
具体实施方式
32.为了更清楚地说明本技术的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图
将本技术应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
33.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
34.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
35.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
36.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
37.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。此外，尽管本技术中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本技术说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本技术。
38.图3是车载逆变器的电路示意图，该逆变器包括受igbt控制的6个开关器件。
39.图4是基于图3电路应用本发明方法的流程图。
40.本发明的控制方法针对有源钳位电路保护igbt的硬件电路，有源钳位电路的目标是钳住igbt的集电极电位，使其不要到达太高的水平，如果关断时产生的电压尖峰太高，或者太陡，都会使igbt受到威胁。
41.igbt在正常情况关断时会产生一定电压尖峰，但是数值不会太高，但在变流器过
载或者桥臂短路时，如果要关断管子，产生的电压尖峰则非常高，此时igbt非常容易被打坏。所以有源钳位电路通常在故障状态下才会动作，正常时不工作。
42.通过igbt关断电压尖峰的本质在于，igbt关断时，主回路的杂散电感中所存储的能量都需要有释放的途径，最常见的途径就是产生电压尖峰，在关断的过程中，这些能量都以关断损耗的形势耗散在igbt上。
43.然而电压尖峰太高会损坏igbt，因此有源钳位就是将能量由高而窄的脉冲，转变为矮而宽的脉冲，这个过程中耗散掉的能量仍然是杂散电感所存储的能量。
44.有源钳位电路的本质在于，驱动器使igbt的关断过程延长，目的是将杂散电感的能量耗散在igbt上，或者说“让igbt在线性区里多待一会”。
45.传统的有源钳位电路对母线电压有非常严格的规定，母线电压的数值一定要低于有源钳位电路的门槛值，这里所指的母线电压不是指的电压尖峰，而是母线电容上的电压。但是在电动汽车、风电、apf等应用中，常常会遇到母线电压太高的情况。例如，电动汽车应用中，电池端直流接触器断开，且汽车制动，母线电压会被太高。
46.在这种情况下，一旦母线电压超过有源钳位的门槛，igbt就会进入线性区，igbt上的损耗很大，短时间内就会失效。本发明针对母线电压的情况，分别采用两种不同的方式进行控制。
47.下面结合图3和图4对本发明的控制方法进行详细说明：
48.步骤1，在电机上电时，由于脉冲产生母线电压；
49.步骤2，判断母线电压是否过高？
50.如果母线电压处于正常范围内，进入步骤4；如果母线电压过高，转入步骤3；
51.步骤3，进入fw模式，igbt关断图3中6个开关器件的上下桥，并做出报警提示；
52.在此步骤中，fw即freewheel状态，即逆变器关断，与电机uvw三项形成断路，是将逆变器的6个开关器件全部关断，这又称为开路保护模式。
53.此种情况下，igbt绝对不会导通，故处于较安全的状态；以电驱系统搭载三相igbt功率模块为例，通过开通igbt上桥臂和下桥臂所有的管，逆变器进入被动整流的状态，即为开路保护。
54.当电机运行在高转速区，如果进入开路保护工作状态，则电机产生的反电动势高于母线电压，经过续流二极管向高压电池整流回馈，形成闭合回路，此时电机端产生较大制动转矩。同时，这种不可控的被动整流使得电机反电动势对挂在直流母线上的器件，例如：母线电容、igbt等，产生较大冲击危害。
55.当电机运行在低转速区，如果进入开路保护工作状态，则电机产生的反电动势低于母线电压，无法经过续流二极管向高压电池整流回馈，也就无法形成闭合回路，此时电机端空载运行。此时，电机反电动势对挂在直流母线上的器件不会产生冲击危害。
56.开路保护fw模式时，电驱系统的特性：
57.高速区相电流流过续流二极管；
58.高速区高反电动势给母线上器件带来冲击危害；
59.高速区电机输出端产生非预期的大制动力矩；
60.低速区电机输出端只存在轴承等摩擦力矩。
61.步骤4，进入asc模式，即active short circuit状态，即主动短路保护asc模式，此
状态下通过有源钳位电路控制igbt将逆变器中的6个开关器件的三桥或下三桥全开(或导通)，与电机uvw三项形成短路，电机处于安全状态。
62.主动短路工作状态时，电机定子绕组与下桥臂的igbt形成闭环回路，电机产生的反电动势能量通过定子绕组释放出来，电机输出端产生相应的制动力矩。以峰值为150kw的永磁同步电机为例，仿真asc工作状态下电流和电机制动力矩随转速的变化情况。
63.永磁同步电机的磁链方程如下：
64.ldid+ψ
pm
＝∫u
d-rid+ωl
qiq
65.l
qiq
＝∫u
q-ri
q-ω(ldid+ψ
pm
)
66.当进入asc工作状态时，电机输入d轴和q轴电压为0，当达到稳态时，则得：
[0067][0068][0069][0070][0071][0072]
asc工作状态时，不同转速下，稳态id电流随着转速升高而急速升高，到达一定转速后，电流基本不变，就等于特征电流。具体值与电机的设计参数：磁链、电感、极对数、绕组电阻等相关。
[0073]
asc工作状态时，不同转速下，稳态id电流随在低速区随着转速升高而急速增大，后随着转速升高而急速减小，高速区趋于稳定。
[0074]
asc工作状态时，不同转速下，电机输出扭矩在低速区随着转速升高而急速增大，后随着转速升高而急速减小，高速区趋于稳定。
[0075]
主动短路asc工作状态时，电驱系统的特性：
[0076]
低速区产生显著的制动力矩；
[0077]
反电动势产生的持续电流可能会引起电机过热；
[0078]
电机过热导致转子磁钢退磁风险；
[0079]
电机过热引起逆变器过热，导致逆变器损坏。
[0080]
其中，在步骤2中判断用的具体电压值，是根据不同的车型和有源钳位电路设计电压的情况而确定。
[0081]
通过分析电驱动系统安全工作状态：asc、fw的特性，可大致按下述机制来进入安全工作状态，如图5所示。
[0082]
当母线电压足够大时，则考虑进入fw开路保护工作状态；
[0083]
当母线电压不够大，存在反电势反超母线电压现象时，则考虑在低速区进入fw开路保护工作状态，高速区进入主动短路保护工作状态asc。因此，低速区采用fw工作状态，以避免asc工作状态下产生大的制动力给车辆运行造成大冲击，而影响驾驶舒适性；高速区采
用asc工作状态，以避免fw工作状态产生大的反电动势给母线上器件带来冲击危害。
[0084]
综上所述，采用本发明的技术方案，具有如下技术效果：
[0085]
第一，不需要改变现有硬件资源，只需调整软件控制策略；
[0086]
第二，减少故障，增加系统可靠性；
[0087]
第三，易于实现，节约成本。
[0088]
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本技术的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本技术进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本技术中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本技术示范实施例的精神和范围。
[0089]
同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
[0090]
同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
[0091]
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有
±
20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本技术一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
[0092]
虽然本技术已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本技术，在没有脱离本技术精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本技术的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本技术的权利要求书的范围内。