電動汽車逆變器保護裝置的制造方法

電動汽車逆變器保護裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種電動汽車逆變器保護裝置包括：門極控制信號通過驅動電路和緩沖電路輸出至IGBT門極，輔助電源將逆變器控制器的供電轉化為控制IGBT通斷的電壓并對驅動電路供電，母線電壓檢測電路判斷母線電壓是否高于母線高壓閾值，并將電壓比較信號輸出給逆變器控制器，緊急電路由母線電壓供電輸出門極信號控制三相下半橋IGBT導通，使逆變器進入主動短路模式，此外，逆變器控制器可輸出復位信號對驅動電路復位。本實用新型的保護裝置針對電動汽車被拖行的工況能提供一種主動安全模式，能實時檢測逆變器的工作參數，能對逆變器高、低壓電進行隔離，實現對電動汽車逆變器的主動保護。
【專利說明】
電動汽車逆變器保護裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及汽車領域，特別是涉及一種電動汽車逆變器保護裝置。
【背景技術】
[0002]隨著國家新油耗法規的制定，新能源汽車尤其是電動汽車的發展越來越迅猛。與傳統汽車通過發動機燒油來驅動車輛不同，電動汽車通過電機控制器將整車高壓電池的直流電轉化為能驅動電機旋轉的交流電，進而帶動車輛行駛。電機控制器中進行電能轉換的核心部件為逆變器，為保證電動汽車的質量和用戶體驗，逆變器作為整車動力系統的一個重要組成部分，必須在電動汽車整個壽命周期內能可靠、穩定地運行，這不僅對電容器、IGBT等逆變器重要組成元件要求較高，同時也對整個逆變器的驅動模塊安全性和穩定性提出了很尚的考驗。
[0003]逆變器應用在電動汽車上時，由于電動汽車在使用過程中可能會出現拖車的情況，此時電機因旋轉產生反電勢對母線電容進行充電，如果逆變器不及時采取措施，會使得電容器的電壓越充越高，最終損壞控制器。此外，車用逆變器應能對逆變器的運行狀態進行實時監控，從而對逆變器驅動模塊的具有很多功能需求。逆變器應用在工業場合中，由于設備對逆變器的可靠性、壽命以及功能要求并不是很高，因此工業用的逆變器往往采用一些比較簡單的驅動方案，沒有做到對逆變器運行時的一些關鍵參數(如母線電壓、IGBT溫度等)的實時監測，也沒有對逆變器可能會出現的過壓、欠壓、過流、短路等工況進行全面且及時的保護。同時，也沒有對高、低壓電路進行系統性的隔離設計與驗證，若將工業逆變器簡單地應用到電動汽車上會導致電動汽車在使用過程中可能會出現多種安全隱患。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型要解決的技術問題是針對電動汽車被拖行的工況提供一種具有主動安全模式，并集成過壓、欠壓、過流和短路保護功能，能實時檢測逆變器的母線電壓、IGBT溫度等參數，能對逆變器高、低壓電進行隔離的電動汽車逆變器保護裝置，實現對電動汽車逆變器的主動保護。
[0005]為解決上述技術問題，本實用新型提供的電動汽車逆變器保護裝置，包括:逆變器控制器、驅動電路、緩沖電路、輔助電源、緊急電路和母線電壓檢測電路；以及，串聯的第一IGBT Il和第二IGBT 12，第一IGBT I I發射極與第二IGBT 12集電極相連，第一IGBT Il集電極連接母線電壓正極，第二 IGBT 12發射極連接母線電壓負極；
[0006]門極控制信號通過驅動電路和緩沖電路輸出至第一IGBTIl和第二IGBT 12的門極，輔助電源將逆變器控制器的供電轉化為控制IGBT通斷的電壓并對驅動電路供電，母線電壓檢測電路判斷母線電壓是否高于母線高壓閾值，并將電壓比較信號輸出給逆變器控制器，緊急電路由母線電壓供電輸出門極信號控制三相下半橋IGBT導通，使逆變器進入主動短路模式，逆變器控制器可輸出復位信號對驅動電路復位；
[0007]其中，主動短路模式包括:上主動短路模式，三相上半橋IGBT導通，三相下半橋IGBT關斷；下主動短路模式，三相上半橋IGBT關斷，三相下半橋IGBT導通；
[0008]驅動電路和輔助電源具有高低壓隔離功能，該高低壓隔離功能可通過本領域常用的磁隔離芯片和變壓器實現。
[0009]其中，當逆變器低壓工作電壓低于欠壓閾值，驅動電路發出低壓故障信號至逆變器控制器，逆變器控制器啟動緊急電路使逆變器進入主動短路模式。
[0010]其中，還包括:三相IGBT溫度檢測電路，對三相IGBT溫度進行實時檢測，將檢測數據經AD轉換并經隔離芯片后輸出至逆變器控制器，該溫度用于對IGBT的真實節溫進行估計，若估計出來的溫度高于溫度閾值，則立即啟動系統保護策略，防止IGBT溫度繼續上升損壞IGBT。隔離芯片用于實現高低壓隔離。
[0011]其中，還包括:具有高低壓隔離功能的三相電流傳感器，對三相相電流進行采集，將采集數據輸出至逆變器控制器，當任意一相相電流高于電流閾值，逆變器控制器使逆變器進入主動短路模式;相電流是IGBT半橋中點的電流。
[0012]其中，還包括:IGBT短路檢測電路，IGBT發生短路時，逆變器向逆變器控制器輸出短路故障，逆變器控制器切斷IGBT門極控制信號，逆變器控制器使逆變器進入主動短路模式。
[0013]其中，還包括:相位比較電路，對任意兩相的相中點電壓進行比較并將比較結果經隔離芯片后輸出至逆變器控制器，逆變器控制器根據該結果能對電機轉子的初始位置進行標定。
[0014]其中，還包括:有源鉗位模塊，有源鉗位模塊監測IGBT集電極電壓，當IGBT集電極電壓高于設計的保護閾值時，將延緩IGBT的關斷。
[0015]其中，逆變器控制器為DSP或CPLD。
[0016]其中，所述高低壓隔離功能至少能實現強度為2800V的隔離。
[0017]其中，逆變器進入主動短路模式所需時間小于4微秒。
[0018]電動汽車車輛在使用過程中有可能會出現拖車的情況，此時電機因旋轉產生反電勢，使得逆變器處于freewheeI ing模式，電機反電勢將對母線電容持續充電，當母線電壓(電池電壓，也即母線電容的電壓)高到一定程度時將造成逆變器的損壞。為避免該種情況的發生，本實用新型為逆變器設計了一種安全模式，即ASC模式(Active Short Circuit)。當電機反電勢對母線電容進行充電，使得母線電壓高于母線高壓閾值時，緊急電路Emergency啟動，從高壓(母線電壓)取電為三相下半橋IGBT的門極提供15V電壓，將下半橋IGBT都打開，使逆變器進入ASC模式。ASC電路狀態如圖2所示，此時電機被三相下半橋IGBT短路，因電機旋轉產生的感應電流在電機本體及三相下半橋IGBT之間流通，不會再流至直流母線端對電容器充電，從而確保拖車時電機產生的反電勢不會對逆變器造成損壞，為保證電機自身不會因過熱發生損壞，建議嚴格限制拖車的速度和里程。另外，ASC模式也是逆變器在進入相電流輸出模式之前以及遇到故障后所進入的安全模式:在低壓電(逆變器系統的控制電)正常工作的情況下，由低壓電控制逆變器進入ASC模式，此時根據電路的實際狀態，可進入上ASC模式(三相上半橋IGBT導通，下半橋IGBT關斷)或下ASC模式(三相下半橋IGBT導通，上半橋IGBT關斷)。
[0019]與工業逆變器不同，電動車用逆變器需要有很高的可靠性與穩定性以保證乘客安全及應對潛在的惡劣工況，這就需要控制器能夠對逆變器的一些關鍵參數進行監控，以保證異常情況下控制器能夠及時地采取保護措施。在本實用新型能對母線電壓Udc和U、V、W三相IGBT的溫度TempU、TempV、TempW的進行實時監控，并通過AD轉換和SPI通信傳遞給逆變器控制器，避免母線電壓和IGBT節溫過高造成逆變器電路和IGBT的損壞。此外，對逆變器在運行過程中可能出現的異常情況設計相應的硬件檢測電路，當異常情況出現時，逆變器能夠及時地將異常信號傳遞給控制器，以便控制器及時采取預先定義好的安全策略，使逆變器進入安全狀態，避免其遭到損壞。本實用新型檢測的異常情況主要有以下四類:
[0020]1.母線電壓過壓故障:將母線電壓與定義的安全閾值(母線高壓閾值)進行實時比較，一旦母線電壓超過安全閾值，即向逆變器控制器發出高壓故障信號(NFUZMAX)，逆變器控制器使逆變器進入ASC模式;母線電壓:電池電壓，即母線電容的電壓。
[0021]2.低壓電欠壓故障:逆變器控制器的大部分安全策略能夠順利執行的前提條件是低壓電正常運行。當低壓電因某種原因被拉低至欠壓閾值時，逆變器及時向控制器發出低壓故障RDY，逆變器控制器使逆變器進入ASC模式，避免出現低壓電異常而高壓電仍然存在的情況對逆變器造成損傷。
[0022]3.相電流(S卩圖1中Current Sensor模塊所采集到的電流)過流故障:逆變器將U、V、W三相的相電流I_U、I_V、I_W?行采集并實時傳遞給逆變器控制器，由逆變器控制器進行判斷，當相電流超過定義的安全閾值(電流閾值)時，由逆變器控制器采取措施使逆變器進入ASC模式，避免相電流過大造成電路和器件的燒毀。
[0023]4.1GBT短路故障:當電路出現異常情況造成同一個橋臂上、下兩個IGBT直通時，只需幾十微秒就會造成IGBT的短路燒毀。在本實用新型通過硬件電路對IGBT的短路狀態進行監控，當IGBT發生短路時，逆變器迅速向逆變器控制器報出短路故障(NFLTH、NFLTL)，由逆變器控制器切斷IGBT的門極控制信號，并使逆變器進入ASC模式，保護的響應時間不超過4微秒。
[0024]本實用新型的電動汽車逆變器保護裝置具有主動短路模式(ASC模式)，能避免拖車情況下電機反電勢對母線電容持續充電而造成逆變器損壞，同時也是逆變器在進入相電流輸出模式之前以及出現故障后主動進入的安全狀態;本實用新型集成過壓、欠壓、過流、短路等保護功能，并對母線電壓和IGBT溫度進行實時監控，最大程度保護逆變器的安全運行;進行高、低壓隔離設計，避免逆變器工作時高、低壓電的互相干擾及保證人體的用電安全;本實用新型設計有源鉗位電路，防止IGBT在正常關斷及短路關斷時因集電極電壓過高而損壞;設計相位比較電路，以幫助控制器進行電機轉子初始位置的標定。
【附圖說明】
[0025]下面結合附圖與【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明:
[0026]圖1是本實用新型一實施例的結構示意圖。
[0027]圖2是本實用新型一實施例ASC電路狀態結構示意圖。
[0028]附圖標記說明
[0029]A 電池
[0030]B 開關
[0031]C 電容
[0032]D逆變器
[0033]E 電機
【具體實施方式】
[0034]如圖1所示，本實用新型提供的電動汽車逆變器保護裝置一實施例，包括:逆變器控制器(圖中未顯示)、驅動電路Driver、緩沖電路Buffer、輔助電源Auxiliary Power、緊急電路Emergency、母線電壓檢測電路Overvoltage、高低壓隔離電路Isolat 1n、AD轉換電路ADC、相位比較電路Phase Comparison、三相IGBT溫度檢測電路(圖中未顯示)、三相電流傳感器Current Sensor、有源鉗位模塊Active Clamping、IGBT短路檢測電路(圖中未顯示)；以及，串聯的第一IGBT I I和第二IGBT 12，第一IGBT Il發射極與第二IGBT 12集電極相連，第一IGBT I I集電極連接母線電壓正極，第二IGBT 12發射極連接母線電壓負極。
[0035]逆變器控制器輸出IGBT門極控制信號，以U相為例:HBHU、HBLU通過驅動電路和緩沖電路傳輸至第一IGBT Il和第二IGBT 12的門極，逆變器控制器輸出復位信號RST對驅動電路復位，輔助電源將逆變器控制器的30V供電VDD30轉化為可控制IGBT通斷的電壓VDD15、VDDN5并對驅動電路供電。
[0036]母線電壓檢測電路判斷母線電壓Udc是否高于母線高壓閾值，并將電壓比較信號NFUZMAX輸出給逆變器控制器，緊急電路由母線電壓供電輸出門極控制信號控制三相下半橋IGBT導通，使逆變器進入主動短路模式ASC;
[0037]其中，主動短路模式包括:上主動短路模式，上主動短路模式，三相上半橋IGBT導通，三相下半橋IGBT關斷；下主動短路模式，三相上半橋IGBT關斷，三相下半橋IGBT導通;在進入主動短路模式時，逆變器控制器默認控制逆變器進入下主動短路模式，但如果發生上半橋IGBT直通，則進入上主動短路模式。驅動電路和輔助電源具有高低壓隔離功能。
[0038]當逆變器低壓工作電壓低于欠壓閾值，驅動電路發出低壓故障信號RDY至逆變器控制器，逆變器控制器啟動緊急電路使逆變器進入主動短路模式。
[0039]相位比較電路，對任意兩相的中點電壓如GNDHU、GNDHV進行比較，并將比較結果PHLAG通過隔離芯片輸出至逆變器控制器。相位比較電路能幫助逆變器控制器進行電機轉子初始位置的標定:在一個周期內，只有在特定的時刻，兩相中點的電壓才會相等，在這個時亥IJPHLAG信號會發生跳變，在撲捉到PHLAG信號跳變的同時記錄此時Resolver電路的輸出角度，將其清零或設定為某一特定的角度，即完成了電機轉子初始位置的標定。具有三相IGBT溫度檢測電路，對三相IGBT溫度TempU、TempV、TempW進行實時檢測，將檢測數據經AD轉換并經過隔離芯片后輸出至逆變器控制器，當任意一 IGBT溫度高于溫度閾值，逆變器控制器觸發系統保護策略，防止IGBT溫度繼續升高損壞IGBT。
[0040]具有高低壓隔離功能的三相電流傳感器，對三相相電流1_1]、1_￥、1_胃進行采集，將采集數據輸出至逆變器控制器，當任意一相相電流高于電流閾值，逆變器控制器使逆變器進入主動短路模式;相電流是IGBT半橋中點的電流。
[0041 ]有源鉗位模塊，有源鉗位模塊監測IGBT集電極電壓，當IGBT集電極電壓高于設定的保護電壓閾值時將延緩IGBT的關斷。有源鉗位模塊防止IGBT正常關斷和短路關斷時因集電極電壓過高而損壞。
[0042]IGBT短路檢測電路，IGBT發生短路時，逆變器向逆變器控制器輸出短路故障NFLTH、NFLTL，逆變器控制器切斷IGBT門極控制信號，逆變器控制器使逆變器進入主動短路模式。
[0043]其中，逆變器控制器為DSP或CPLD，所述高低壓隔離功能至少能實現強度為2800V的隔離，逆變器進入主動短路模式所需時間小于4微秒。
[0044]以上通過【具體實施方式】和實施例對本實用新型進行了詳細的說明，但這些并非構成對本實用新型的限制。在不脫離本實用新型原理的情況下，本領域的技術人員還可做出許多變形和改進，這些也應視為本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1.一種電動汽車逆變器保護裝置，其特征在于，包括:逆變器控制器、驅動電路、緩沖電路、輔助電源、緊急電路和母線電壓檢測電路；以及，串聯的第一IGBT(Il)和第二IGBT(I2)，第一 IGBT(I1)發射極與第二 IGBT(I2)集電極相連，第一 IGBT(Il)集電極連接母線電壓正極，第二 IGBT (12)發射極連接母線電壓負極； 門極控制信號通過驅動電路和緩沖電路輸出至第一 IGBT (I I)和第二 IGBT (12)的門極，輔助電源將逆變器控制器的供電轉化為控制IGBT通斷的電壓并對驅動電路供電，母線電壓檢測電路判斷母線電壓是否高于母線高壓閾值，并將電壓比較信號輸出給逆變器控制器，緊急電路由母線電壓供電輸出門極信號控制三相下半橋IGBT導通，使逆變器進入主動短路模式，逆變器控制器可輸出復位信號對驅動電路復位； 其中，主動短路模式包括:上主動短路模式，三相上半橋IGBT導通，三相下半橋IGBT關斷；下主動短路模式，三相上半橋IGBT關斷，三相下半橋IGBT導通； 驅動電路和輔助電源具有高低壓隔離功能。2.如權利要求1所述的電動汽車逆變器保護裝置，其特征在于:當逆變器低壓工作電壓低于欠壓閾值，驅動電路發出低壓故障信號至逆變器控制器，逆變器控制器啟動緊急電路使逆變器進入主動短路模式。3.如權利要求1所述的電動汽車逆變器保護裝置，其特征在于，還包括:三相IGBT溫度檢測電路，對三相IGBT溫度進行實時檢測，將檢測數據經AD轉換并經隔離芯片后輸出至逆變器控制器，該溫度用于對IGBT的真實節溫進行估計，若估計出來的溫度高于溫度閾值，則立即啟動系統保護策略，防止IGBT溫度繼續上升損壞IGBT。4.如權利要求1所述的電動汽車逆變器保護裝置，其特征在于，還包括:具有高低壓隔離功能的三相電流傳感器，對三相相電流進行采集，將采集數據輸出至逆變器控制器，當任意一相相電流高于電流閾值，逆變器控制器使逆變器進入主動短路模式； 其中，相電流是IGBT半橋中點的電流。5.如權利要求1所述的電動汽車逆變器保護裝置，其特征在于，還包括:IGBT短路檢測電路，IGBT發生短路時，逆變器向逆變器控制器輸出短路故障，逆變器控制器切斷IGBT門極控制信號，逆變器控制器使逆變器進入主動短路模式。6.如權利要求1-5任意一項所述的電動汽車逆變器保護裝置，其特征在于，還包括:相位比較電路，對任意兩相的相中點電壓進行比較并將比較結果經隔離芯片后輸出至逆變器控制器，逆變器控制器根據該結果能對電機轉子的初始位置進行標定。7.如權利要求1-5任意一項所述的電動汽車逆變器保護裝置，其特征在于，還包括:有源鉗位模塊，有源鉗位模塊監測IGBT集電極電壓，當IGBT集電極電壓高于設計的保護閾值時，將延緩IGBT的關斷。8.如權利要求1-5任意一項所述的電動汽車逆變器保護裝置，其特征在于:逆變器控制器為DSP或CPLD。
【文檔編號】H02H7/122GK205509478SQ201521137095
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年12月31日
【發明人】于夢園, 周宣
【申請人】聯合汽車電子有限公司