有源和无源电子元件

PDF
有源和无源电子元件/2021/文章

回顾文章|开放获取

体积 2021 |文章的ID 6678234 | https://doi.org/10.1155/2021/6678234

他牛 牵引逆变器过电流传感的比较研究”,有源和无源电子元件 卷。2021 文章的ID6678234 6 页面 2021 https://doi.org/10.1155/2021/6678234

牵引逆变器过电流传感的比较研究

学术编辑器:Yuh-Shyan黄
收到了 12月9日2020
修改后的 2020年12月28日
接受 2021年1月8日
发表 1月21日2021

摘要

牵引逆变器的过电流状况可以表明控制算法的缺陷、逻辑信号的干扰、硬件老化或硬件不当。因此,正确检测逆变器运行过程中的过电流状况是逆变器开发和产品验证的关键项目。本文综述了几种广泛应用的过电流检测方法和几种理论上已被认可的过电流检测方法。本文主要讨论了所研究的过电流检测方法的传感带宽、传感精度和实现复杂性。总结了目前广泛应用的几种方法的优点,以及理论和样机验证方法的应用要求。

1.介绍

在工业应用和汽车应用中,牵引逆变器通常用于将直流输入转换为交流输出。牵引逆变器的工作状态会影响功率转换输出特性、直流输入性能和逆变器的自可靠性。电流和温度是逆变器运行可靠性的两个关键指标。逆变器组件,如功率半导体和直流链路电容器设计为在安全的电流范围和温度范围内工作。逆变器超范围运行会导致逆变器效率降低,逆变器部件老化快,关键部件会永久损坏[1].一般来说,关键元件的温度和电流能力是交叉耦合的。因此,逆变器过流检测有时会引起逆变器工作温度的考虑[2].

牵引逆变器电流传感的最新综述根据传感位置、监测信号和硬件/软件实现的复杂性对现有方法进行了分类[3.4].分别讨论牵引逆变器开路故障和短路故障,明确牵引逆变器电流传感在两大逆变器运行故障中的应用[4].短路故障会导致牵引逆变器电流突然增大,在[4属于这篇评论的范畴。逆变器关键部件上的温度传感,例如开关功率半导体,有时可以包括电流传感。[的温度-电流查表]5]表明,在某些应用中,精确的电流传感,特别是在大电流条件下,是精确温度传感的一个因素。

在无故障运行情况下,过流检测通常要求较高的传感精度,因为在大电流或边际过流运行时,很小比例的电流变化都会引起较大的逆变器损耗变化[67].开关功率半导体在短路故障条件下的可耐受短路时间通常为几微秒。因此,逆变器过流检测的传感带宽或响应时间至关重要。评估逆变器过电流检测方法的另一个关键指标是实现的复杂性。在电动汽车等应用中,牵引逆变器的紧凑、低成本设计被广泛接受。因此,具有简单实现的检测方法可以比那些复杂的方法更具竞争力。

本文综述了几种常用的牵引逆变器过电流检测方法。在对传感带宽、传感精度和实现复杂度进行讨论的基础上,给出了目前广泛应用的过电流检测方法的优点。这些理论和原型批准的方法的潜在商业化需求是由这一审查。

2.牵引逆变器中的过电流位置

牵引逆变器的三相输出过流发生在牵引逆变器与三相负载之间的三相连接处。通常在图中红色标记的位置感应逆变器的三相输出电流1。电流传感器通常设置在这个位置进行相电流检测。在无故障逆变器操作下,这也可以作为逆变器输出过流检测的位置。请注意,逆变器的三相输出电流也可以在其他位置被检测,如下所述。

图中红色的位置2显示逆变器高低侧短路检测位置。逆变器高低侧短路是一种故障的工作状态,可以在短时间内产生非常大的电流。为保护开关功率半导体不发生过流故障,这种过流状态的响应时间应小于开关功率半导体的最大允许短路时间。

在无故障运行条件下,图中位置2也可用于三相输出过流检测。

图中红色的位置3.逆变器直流链路短路检测位置。与逆变器高低侧短路类似,直流链路短路是另一种故障操作,可在短时间内诱发非常大的电流。因此,该位置的过电流检测需要快速响应时间。注意,直流链路短路检测不一定设置在逆变器内部。在直流电源(动力电池、直流电源等)中设置直流链路短路检测是一种替代方案。

牵引逆变器的接地或外壳通常配置为与直流链路电压的中点或低点相同的电压。逆变器接地热线短,如图所示4,也可以在短时间内诱导非常大的电流。这种过流状况的检测通常是在如图所示的位置进行组合过流检测1- - - - - -3.

3.过电流检测方法

3.1.基于磁场的过电流检测

基于磁场的电流传感利用母线中相电流产生的循环磁场。如图所示5,用c形铁氧体磁芯(浅蓝色)约束产生的磁场,用霍尔效应场探测器(红色)测量场密度。通过合理设计铁氧体铁芯形状,c型铁氧体铁芯气隙内的场密度可与母线电流[8].注意,在某些应用中,c形铁氧体铁芯可以用u形屏蔽代替[9].通过适当的场解耦解决方案,可以在不使用任何磁场约束(u型磁芯或c型屏蔽)的情况下实现小于1%的传感误差[10].

基于磁场的电流传感方法是牵引逆变器常用的相电流传感方法,如图所示6。通常,相电流传感器的传感范围将设置为满载电流的1.3 ~ 1.5倍,因此可以利用冗余进行过电流检测。如前文所述,只要磁场约束不饱和,过流检测就能与量程相电流检测一样准确。

霍尔效应场探测器输出的过电流响应时间可达几微秒[11].然而,由于逆变器输出相位上的开关噪声,通常在逆变器相位电流传感器的输出上使用rc型滤波器[12].因此,响应时间可以进一步减少。

基于磁场的电流传感器与相电流母线没有电连接。因此,不需要信号隔离,霍尔效应场探测器可以与逆变器的微控制器共享相同的电源。如果使用任何磁场约束(如c形铁芯或u形屏蔽),电流传感器可能会很笨重。

3.2.基于并联电阻的过流检测

基于并联电阻的电流传感检测电阻上的电压降,并基于此估计通过电阻的电流 在牵引逆变器应用中,分流电阻的常见设计是一小块电阻-温度依赖性非常低的合金,传感精度可以达到小于1%的误差[13].由于在分路上测量电压降需要将电流连接到母线上,因此在电流传感器和微控制器之间需要隔离电路,如图所示7。类似于基于磁场的电流传感,如果牵引逆变器采用分流器进行相电流传感,如图所示8,传感范围可设置至满载电流的1.3至1.5倍,因此冗余可用于过电流检测。

如果采用隔离电路,基于分流电阻的过流检测的响应时间主要依赖于隔离电路的响应时间。一些商业化的解决方案可以提供长达几纳秒的响应时间[14].

如果在图中所示位置设置分流电阻2,过流检测电路可与栅极驱动共用同一电源。过流检测电路和栅极驱动器共用同一电源的好处是过流反馈可以直接调节栅极驱动器而不需要信号隔离。里根也一样。15]提出了多种基于分流电阻的过流检测方案。典型的解决方案如图所示9。由于使用了滤波电容Cfilt,响应时间可以是几纳秒到几微秒。

3.3.功率半导体的检测

当功率MOSFET或IGBT接通时,器件的导通压降将随着正向电流的增加而增加。因此,开关功率半导体的导通压降可用于过流检测。考虑到功率半导体的“通态电压-正向电流”关系是温度敏感的,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,如图所示2。当高低侧短路发生时,一个非常大的导通电流将使器件进入饱和状态。通过检测开态压降,并在器件饱和前关闭功率半导体开关,可以停止高低侧短路故障操作。这种类型的过电流检测也被称为去饱和保护。

在[16],提出了两种典型的基于去饱和电路的过流检测方案,如图所示10而且11。在图的例子中10,过大的过流会在电源开关上产生较大的导通电压。交叉电压C黑色将跟踪导通电压并最终触发过流保护。过流检测的响应时间主要取决于恒流源的输出额定值c而且C黑色。由于电源开关的高开关噪声,C黑色是必需的,它会导致几十纳秒到几微秒的延迟。一些开关电源半导体具有如图所示的内部电流传感输出12。上述去饱和电路也可用于过电流检测。

使用去饱和电路的好处是传感电路可以与栅极驱动器共享相同的电源。在[16],提供了一种将去饱和电路集成到门驱动IC中的门驱动解决方案。

3.4.用功率半导体门驱动电路进行检测

在开关瞬态过程中,栅极驱动器和开关功率半导体之间的相互作用可以与器件电流和器件结温相关[17].如果结温的影响较温和或可以解耦,则该栅极驱动开关性能可用于开关功率半导体过流检测。通常,在如图所示的位置使用栅极驱动开关性能进行过电流检测2。牛和Lorenz [18]提出了利用栅极驱动输出电流进行过流检测的方法,如图所示13。在[19- - - - - -22],提出了几种基于栅极驱动输出电压的过流检测方法。使用栅极驱动开关性能的方法通常需要信号处理来将测量值与功率器件的电流相关联。

由于温度依赖性和功率半导体部件间的变化,大多数基于门驱动的过电流检测不能达到很高的精度。对于基于栅极驱动开关瞬态的方法,每次电流测量都是在开关瞬态之后完成的。如果在导通周期的中间发生短路,过流只能在下一个开关瞬态之后检测到。

4.硬件及软件实现

表中总结了上述方法在不同过电流检测位置上的应用情况1。基于磁场的电流传感方法和基于分流电阻的电流传感方法可以应用于所有三个过电流检测位置。对于基于“功率半导体检测”和“门驱动检测”的过流检测方法,最适合应用的将是逆变器高低侧短路检测。


逆变器三相过流 逆变器高低侧短路 逆变器直流链路短路

磁实地 合适的 可能很笨重 合适的
分流resistor-based 合适的 合适的 合适的
功率半导体的检测 合适的
栅极驱动检测 合适的

上述过流检测方法的电源解决方案汇总见表2。基于磁场的过流检测电路与导体是电隔离的。因此,它可以与逆变器控制器共享一个电源,并直接与控制器通信。基于并联电阻的过流检测电路将直接连接到大电流导体上,适合有独立的隔离电源。对于基于“功率半导体检测”和“门驱动检测”的过流检测方法,由于检测元件(功率半导体或门驱动)直接由门驱动电源驱动,因此适合将检测电路与门驱动共用一个电源。


逆变控制器电源 门驱动电源 独立隔离电源

磁实地 合适的 可行的 可行的
分流resistor-based 可行的 合适的
功率半导体的检测 合适的
栅极驱动检测 合适的

对于“基于磁场的方法”、“基于分流电阻的方法”和“基于功率半导体检测的方法”,可以直接将测量结果与阈值进行比较,以验证过流条件。基于“门驱动检测”的方法可能需要复杂的信号处理,如峰值检测、集成、高分辨率时间计数等。因此,硬件/软件实现可能非常昂贵。上述信号处理要求汇总在表中3.


直接检测 简单电路处理 复杂信号处理

磁实地 是的
分流resistor-based 是的
功率半导体的检测 是的
栅极驱动检测 有时是可行的 是的

本文对过电流传感响应时间进行了讨论。上述过电流传感方法的响应时间因滤波电路和采样频率的选择而不同。表中列出了主要传感响应时间贡献者的比较,而不是直接提供响应时间比较4。一般来说,“基于磁场的方法”和“基于功率半导体检测的方法”传感响应时间的主要贡献来自RC滤波器诱导的延迟,因为开关瞬态诱导噪声。“基于分流电阻的方法”更多地受到隔离延迟的支配。基于“门驱动检测”的方法,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动作之间的时间周期。


RC滤波器诱导延迟 隔离延迟 由于采样频率的延迟

磁实地 是的
分流resistor-based 是的
功率半导体的检测 是的
栅极驱动检测 是的

5.结论

本文综述了几种广泛应用的过电流检测方法和几种理论上已被认可的过电流检测方法。所讨论的过电流检测方法的应用和普及取决于其传感精度、传感带宽和实现复杂度。总结了过电流检测的合适位置、电路电源的选择以及信号处理的要求。

利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突。

参考文献

  1. d .的病房里,混合动力传动系统半导体基础,英飞凌技术北美公司,利沃尼亚,密歇根州,美国,2013。
  2. H. Niu,“半导体功率模块的功率循环驱动疲劳,老化和失效模式的综述”,在IEEE国际电机与驱动会议论文集(IEMDC)2017年5月,美国佛罗里达州迈阿密。视图:出版商的网站|谷歌学者
  3. A. Lee和E. Robert,“电机驱动应用中基于磁场的电流传感的设计问题”,在IEEE电子/信息技术国际会议论文集2018年5月,美国密歇根州罗切斯特市。视图:出版商的网站|谷歌学者
  4. A. Lee和E. Robert,“航空中电机驱动的电流传感器延迟”,见IEEE电子/信息技术国际会议论文集2018年5月,美国密歇根州罗切斯特市。视图:出版商的网站|谷歌学者
  5. H. Niu和R. D. Lorenz,“不同栅极驱动拓扑和不同工作条件下碳化硅MOSFET的实时结温传感”,IEEE电力电子汇刊,第33卷,no。4,页3424-3440,2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
  6. R. Pagano, Y. Chen, K. Smedley, S. Musumeci和A. Raciti,“电源模块igbt的短路分析和保护”,在IEEE第二十届IEEE应用电力电子会议和博览会论文集,2005,第777-783页,德克萨斯州奥斯汀,美国,2005年3月。视图:出版商的网站|谷歌学者
  7. R. Pagano和A. Raciti,“IGBT通过门侧电路保护短路行为的进化”,在2002 IEEE工业电子学国际研讨会论文集,2002。ISIE 2002,第913-918页,2002年7月,意大利阿尤拉。视图:出版商的网站|谷歌学者
  8. M. Sheng, H. Nogawa, M. Alvi和R. Lorenz,“6合1 IGBT模块中引线框架的电流传感集成”,见2018年IEEE能源转换大会和博览会(ECCE)论文集2018年9月,美国俄勒冈州波特兰。视图:出版商的网站|谷歌学者
  9. M. Sheng, M. Alvi,和R. Lorenz,“开关和电容器电流的GaN PCB集成传感系统”,在2019年IEEE应用电力电子会议和博览会(APEC)论文集2019年3月,美国加利福尼亚州阿纳海姆。视图:出版商的网站|谷歌学者
  10. M. Sheng, M. Alvi,和R. Lorenz,“基于gmr的SiC功率模块集成电流传感与相移误差减小,”IEEE电力电子学新兴和选定专题杂志,印刷中。视图:出版商的网站|谷歌学者
  11. MLX91208 imc -霍尔电流传感器,美利康股份有限公司,2020年,https://www.melexis.com/en/product/MLX91208/250kHz-Programmable-IMC-Hall-Current-Sensor
  12. M. Nari,“基于磁场的电流传感的双屏蔽方法”,见2018年IEEE能源转换大会和博览会(ECCE)论文集2018年9月,美国俄勒冈州波特兰。视图:出版商的网站|谷歌学者
  13. 齐格勒,r·c·伍德沃德,h·h·c。Iu和L. J. Borle,“电流传感技术:综述”,IEEE传感器杂志,第9卷,no。4, pp. 354-376, 2009。视图:出版商的网站|谷歌学者
  14. 简化电流传感——如何设计电流传感放大器,德州仪器,美国德克萨斯州德拉斯,2020年,https://www.ti.com/amplifier-circuit/current-sense/support-training.html
  15. T. Regan, J. Munson, G. Zimmer和M. Stokowski,“电流感应电路收集-使电流有意义”,线性技术, 2005,https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an105fa.pdf视图:谷歌学者
  16. UCC2175010-A源/Sink增强隔离单通道门驱动器,用于SiC/IGBT,具有主动保护,隔离模拟传感和高cmt,德州仪器,美国德克萨斯州德拉斯,2019年,https://www.ti.com/product/UCC21750
  17. H. Niu和R. D. Lorenz,“评估开关功率半导体在线结温传感的不同实现,”IEEE工业应用汇刊,第53卷,no。1,页391-401,2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
  18. H. Niu和R. D. Lorenz,“利用栅极驱动导通电流瞬态特性感知功率MOSFET结温,”IEEE工业应用汇刊第52卷,no。2, pp. 1677-1687, 2015。视图:谷歌学者
  19. M. A. Rodriguez, A. Claudio, D. Theilliol,和L. G. Vela,“基于栅极电压监测的IGBT新故障检测技术”,见IEEE电力电子专家会议论文集,第1001-1005页,美国佛罗里达州奥兰多,2007年6月。视图:出版商的网站|谷歌学者
  20. S. Musumeci, R. Pagano, A. Raciti, G. Belverde, C. Guastella和M. Melito,“一种新型保护技术,致力于改善igbt的短路耐用性,”在2003年IECON会议记录。第29届IEEE工业电子学会年会(IEEE Cat。No.03CH37468),页1733-1738,罗阿诺克,弗吉尼亚州,美国,2003年11月。视图:出版商的网站|谷歌学者
  21. R. S. Chokhawala和S. Sobhani,“大电流IGBT模块的开关电压瞬态保护方案”,IEEE工业应用汇刊,第33卷,no。6, pp. 1601-1610, 1997。视图:出版商的网站|谷歌学者
  22. A. Bhalla, S. Shekhawat, J. Gladish, J. Yedinak和G. Dolny,“desat检测和短路故障保护期间IGBT行为”,in第十届功率半导体器件与集成电路国际研讨会论文集。ISPSD ' 98 (IEEE Cat。No.98CH36212),第245-248页,日本京都,1998年6月。视图:出版商的网站|谷歌学者

betway赞助版权所有©2021和牛。这是一篇开放获取的文章,在创作共用署名许可协议它允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制,前提是正确地引用原始作品。


更多相关文章

PDF 下载引用 引用
下载其他格式更多的
订购印刷本订单
的观点579
下载516
引用

相关文章