牵引逆变器的过电流传感的比较研究

文摘

过流条件下的牵引逆变器可以显示缺陷控制算法,逻辑信号干扰,硬件老化,或硬件的不当行为。因此,适当的检测过流条件在逆变器操作逆变器发展的一个关键项目和产品验证。综述几种广泛使用过电流检测方法和一些理论上批准过电流检测方法。这次审查的重点包括传感带宽、传感精度和实现的复杂性研究过电流检测方法。这些广泛使用的方法的优点和应用程序需求理论和原型方法得出结论通过审查。

1。介绍

在工业应用和汽车应用程序中,牵引逆变器一般用于直流输入转换为交流输出。牵引逆变器的操作条件会影响权力转换的输出特性,直流输入的性能,逆变器的self-reliability。电流和温度两个逆变器工作可靠性的关键指标。逆变器组件(如电力半导体和直流环节电容是为了安全的电流范围和温度范围内操作。超出范围逆变器操作会导致贫穷的逆变器效率,快速老化的逆变器组件和关键的逆变器组件上的永久性损伤(1]。一般来说,cross-coupled关键部件的温度和电流能力。因此,变频器过流检测有时可以诱导考虑逆变器工作温度(2]。

最先进的评论牵引逆变器电流传感分类现有的方法基于传感位置,监测信号,和硬件/软件实现的复杂性3,4]。单独讨论牵引逆变器开路故障和短路故障澄清牵引逆变器电流传感的应用的两个主要的逆变器操作错误(4]。短路故障可能导致突然牵引逆变器电流增加,和研究[4)分为本文的范畴。温度传感在逆变器的关键部件,例如,开关电源半导体,有时包括电流传感。温升-查找表(5)表明,在某些应用程序中,精确的电流传感,特别是在大电流条件下,准确的温度传感是一个因素。

在无故障的操作下,过流检测通常需要传感精度高因为一小部分的电流变化较大的电流或边际过电流操作可以产生大的逆变器损耗变化(6,7]。开关电源半导体容许短路时间通常是短路故障情况下几微秒。因此,变频器过流检测传感带宽或响应时间是至关重要的。另一个关键指标来评估变频器过流检测方法实现的复杂性。在电动汽车等应用程序,紧凑和低成本设计牵引逆变器被广泛接受。因此,检测方法与简单的实现可以更有竞争力在那些复杂的方法。

本文讨论了几种广泛应用为牵引逆变器过流检测方法。根据讨论感应带宽,传感精度,和实现的复杂性,这些广泛使用过电流检测方法的优点是提供。这些潜在的商业化要求理论和原型方法得出结论通过审查。

2。牵引逆变器过流位置

牵引逆变器的三相输出过流发生三相牵引逆变器之间的连接和三相负载。通常意义上变频器的三相输出电流的位置,用红色标注的图1。电流传感器通常在这个位置设置阶段电流传感。在无故障的逆变器操作,这也可以是一个位置为逆变器输出过流检测。注意,变频器的三相输出电流也可以感觉到在下面讨论的其他位置。

红色的位置在图2显示逆变器的位置高低侧短路检测。逆变器上下移动端短路是一个错误的操作条件和可以产生一个非常高的电流在一个短的时间。从失败过电流保护开关电源半导体,这种过流条件的响应时间应该小于最大允许短路功率半导体开关。

在无故障的操作条件下,位置在图2还可用于三相输出过流检测。

红色的位置在图3显示了逆变器直流母线短路的位置检测。类似于变频器高低侧短路,直流环节短路是另一个错误操作,可以产生一个非常高的电流在一个短的时间。因此,需要快速响应时间过流检测在这个位置。注意,直流连接短路检测不一定是建立在逆变器。链接设置直流短路检测直流电源(电源电池,直流电源,等等)是一种选择。

地球地面或牵引逆变器的住房通常是配置具有相同的电压直流环节电压的中点或低点。一个逆变器hotline-to-earth地面短,如图4,也能导致一个非常高的电流在一个短的时间。过流条件的检测通常是一个组合过流检测位置如图1- - - - - -3。

3所示。过流检测方法

3.1。磁实地过电流检测

磁实地电流产生的感应磁场利用循环相电流母线。如图5往后推,铁氧体磁心(颜色浅蓝色)是用来约束生成的磁场,并采用霍尔场探测器(色红)是用来测量密度。用适当的铁氧体磁芯的形状设计,实地密度的空隙往后铁氧体磁芯可以扩展的母线电流8]。请注意,在某些应用程序中,往后铁氧体磁芯可以取代u盾9]。通过适当的解耦方案,可以实现传感误差不到1%不使用任何磁场约束(U-core或C-shield) [10]。

磁实地电流传感方法通常用于牵引逆变器相电流感应如图6。一般来说,相电流传感器的传感范围将满载电流的1.3到1.5倍的冗余可用于过电流检测。afore-discussed,只要磁场约束不饱和,过流检测可以准确的范围内相电流传感。

采用霍尔场探测器输出的过电流响应时间可以几微秒(11]。然而,由于逆变器的开关噪声输出阶段,RC-type过滤器是常用在逆变器的输出阶段电流传感器12]。因此,可以进一步减少响应时间。

磁实地电流传感器没有电—母线连接。因此,不需要信号隔离,采用霍尔字段检测器可以共享相同的电源和逆变器的单片机。如果任何磁场约束(如往后推核心或u盾),电流传感器可以笨重。

3.2。分流Resistor-Based过电流检测

并联resistor-based电流传感检测电阻的电压降和估计当前通过电阻的基础上 。在牵引逆变器应用程序中,一个常见的设计分流电阻是一个非常低的小块合金电阻温度依赖性和传感精度可以达到1%的误差(13]。因为并联的电压降的测量需要一个电连接到母线,可以要求一个隔离电路电流传感器和单片机之间,如图7。类似于磁性实地电流传感,如果用于牵引逆变器并联相电流感应如图8,感应范围可以达到满载电流的1.3到1.5倍的冗余可用于过电流检测。

如果使用一个隔离电路,并联resistor-based过电流检测的响应时间将主要依靠隔离电路的响应时间。一些商业化的解决方案可以提供一个(最多几个纳秒响应时间(14]。

如果并联电阻设置位置如图2,过流检测电路可以共享相同的与门驱动电源。的好处有过电流检测电路和门驱动器共享相同的电源过流反馈可以直接调节门驱动没有信号隔离。里根在al。15)提出了各种并联resistor-based过电流检测的解决方案。一个典型的解决方案是如图9。因为滤波电容器的使用C_filt,响应时间可以几纳秒到几微秒。

3.3。检测功率半导体元件

当功率MOSFET和IGBT,设备的使用状态电压降与正向电流将增加。因此,使用状态切换功率半导体的压降,可用于过电流检测。考虑到功率半导体元件的“开态voltage-to-forward当前”关系是热敏,这种方法可能无法满足电流调节的精度。通常,这种方法用于高低侧短路检测afore-discussed图2。当高低侧短路发生时,一个非常大的开态电流将把设备到饱和。通过检测开态压降和关掉电源半导体开关装置使饱和之前,高低侧短路错误操作可以停止了。这种类型的过流检测也命名为稀释的保护。

在[16),提出了两种典型的过电流检测解决方案基于减饱和电路,如图10和11。在图中10,高过电流将生成一个大的开态电压电源开关。的电压C_黑色将跟踪使用状态电压,最终引发过电流保护。过流检测的响应时间主要取决于恒流源的输出率我_c和C_黑色。由于高开关噪声在整个电源开关,C_黑色是必需的,它导致几十纳秒到几毫秒的延迟。一些开关电源半导体内部电流感应输出如图12。的afore-discussed减饱和电路还可用于过电流检测。

使用减饱和电路的好处是,传感电路可以共享相同的与门驱动电源。在[16),门驱动解决方案,减饱和电路集成到门驱动集成电路提供。

3.4。检测功率半导体栅极驱动电路

门驱动之间的交互和切换功率半导体开关瞬态可以与设备当前和设备接点温度(17]。如果结温的影响是轻微或可解耦,门驱动切换性能可以用于开关电源半导体过电流检测。一般来说,过流检测使用门驱动切换性能用于位置如图2。妞妞和洛伦兹18)提出了一种方法来使用门驱动器输出电流过流检测,如图13。在[19- - - - - -22),几个过电流检测方法提出了基于门驱动输出电压。使用门驱动开关性能的方法一般要求信号处理相关测量功率器件的电流。

由于温度依赖性和功率半导体元件部分变异,大部分的闸门动力过流检测不能达到很高的精度。对这些方法基于门驱动开关瞬态,每一个电流测量是正确的开关瞬态后实现的。在发生短路时的中间传导周期,过流后只能检测到下一个开关瞬态。

4所示。硬件和软件实现

afore-discussed方法的应用在不同的过流检测位置表进行了总结1。磁实地电流传感方法和分流resistor-based电流传感方法可以应用于所有三个过流检测位置。过流检测方法基于“功率半导体元件检测”和“与栅极驱动检测”,最适合应用程序将逆变器上下移动端短路检测。

电源解决方案,总结了afore-discussed过电流检测方法表2。磁实地过流检测电路导体电隔离。因此,它可以共享一个直接与逆变器控制器和电源与控制器通信。并联resistor-based过电流检测电路将直接连接到高电流导体,它适用于有一个独立的隔离电源。过电流检测方法基于“功率半导体元件检测”和“与栅极驱动检测”,因为检测组件(功率半导体元件或门驱动)是直接由门驱动电源,它适用于检测电路与门共享相同的电源驱动。

“磁实地方法”、“分流resistor-based方法,“和”方法基于检测功率半导体元件,测量可以直接与一个阈值来验证过流条件。方法基于“与栅极驱动检测”可能需要复杂的信号处理如峰值检测、集成、高分辨率时间统计,等等。因此,硬件/软件实现可以是昂贵的。上述信号处理需求总结在表3。

本文介绍了过电流传感响应时间的讨论。前面提到的过电流传感方法的响应时间可以个案由于过滤迂回和采样频率的选择。而不是直接提供一个响应时间比较,比较主要的传感响应时间贡献者列如表所示4。一般来说,“磁实地方法”和“对权力的方法基于检测半导体”占主导地位的传感响应时间贡献RC filter-induced延迟,因为开关瞬态感应噪声。“分流resistor-based方法”更被隔离。方法基于“与栅极驱动检测”,过流检测只发生在开关瞬态。因此,最大可能的传感响应时间是两个开关瞬态操作之间的时间。

5。结论

综述几种广泛使用过电流检测方法和一些理论上批准过电流检测方法。应用程序和讨论的流行过电流检测方法依靠他们传感精度,传感带宽,和实现的复杂性。合适的过流检测位置,信号处理电路电源的选择和要求的结论。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

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