阅读说明：本技术 用于飞轮储能装置的ipm短路保护电路、模块及系统 (IPM short-circuit protection circuit, module and system for flywheel energy storage device ) 是由 程祥 谢洪生 李海超 王聪 韩星 任政君 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及IPM保护电路技术领域,具体涉及一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路、模块及系统。其中,IPM短路保护系统适用于1500V的地铁轨道以及200KW的飞轮储能装置。IPM短路保护系统包括：IPM短路保护模块、信号发生模块、IPM模块和线路驱动模块,IPM短路保护模块分别与IPM模块、信号发生模块、线路驱动模块连接,线路驱动模块分别与IPM模块、信号发生模块连接,IPM短路保护模块采集信号发生模块输出的脉冲信号以及IPM模块中IGBT组件的门级电压信号并输出短路保护信号,线路驱动模块根据短路保护信号控制脉冲信号是否传递到IPM模块。通过上述方式,同时对IGBT组件和脉冲信号进行短路检测,与采用MCU控制器相比,简化装置结构,提高了系统的安全性和准确性。(The invention relates to the technical field of IPM (intelligent power module) protection circuits, in particular to an IPM short-circuit protection circuit, module and system for a flywheel energy storage device. The IPM short-circuit protection system is suitable for 1500V subway rails and 200KW flywheel energy storage devices. The IPM short-circuit protection system includes: the IPM short-circuit protection module is respectively connected with the IPM module, the signal generation module and the line driving module, the line driving module is respectively connected with the IPM module and the signal generation module, the IPM short-circuit protection module collects pulse signals output by the signal generation module and gate-level voltage signals of an IGBT assembly in the IPM module and outputs short-circuit protection signals, and the line driving module controls whether the pulse signals are transmitted to the IPM module according to the short-circuit protection signals. Through the mode, short circuit detection is carried out on the IGBT assembly and the pulse signals, and compared with the MCU controller, the device structure is simplified, and the safety and the accuracy of the system are improved.)

用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路、模块及系统

技术领域

本发明涉及IPM保护电路技术领域，具体涉及一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路、模块及系统。

背景技术

IPM(智能功率模块)是一种先进的新型功率开关器件，它具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用方便，适用范围广，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应当今功率器件的发展方向，如模块化、复合化和功率集成电路(PIC)，在电力电子领域得到了越来越广泛的关注。

IPM作为控制系统的重要组成部分，在使用过程中要尤其注意对IPM工作状态异常的处理及保护，但目前的保护电路通常只对IGBT组件的短路进行检测，无法在有错误脉冲信号输入的情况下，做到阻断脉冲信号继续传递，同时需要配备主控制器MCU，对采样数据进行对比和分析，进而判断电路是否出现短路，如果出现短路情况，主控制器MCU发出封锁信号。该方法需要软硬件结合，增加了开发的难度与工作量，并且MCU的价格相对其他电子元器件的价格较高，增加了成本。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路、模块及系统成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路、模块及系统。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明的实施例提供了一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路，该IPM短路保护电路分别与IPM模块、信号发生模块连接，所述IPM模块中设有第一IGBT组件和第二IGBT组件，所述信号发生模块用于产生并输出第一脉冲信号和第二脉冲信号，该IPM短路保护电路包括：依次连接的信号输入电路模块、信号比较电路模块和信号输出电路模块；

所述信号输入电路模块分别与所述IPM模块、所述信号发生模块连接，所述信号输入电路模块采集所述第一IGBT组件的门级电压信号、第二IGBT组件的门级电压信号、所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号并传输给所述信号比较电路模块；

所述信号比较电路模块包括第一与门逻辑门芯片、第二与门逻辑门芯片、第三与门逻辑门芯片和或门逻辑门芯片，所述或门逻辑门芯片的输入端分别与所述第一与门逻辑门芯片输出端、第二与门逻辑门芯片输出端、第三与门逻辑门芯片输出端连接，所述或门逻辑门芯片的输出端与所述信号输出电路模块连接，所述第一与门逻辑门芯片根据所述第一脉冲信号和第二脉冲信号输出第一电平信号，所述第二与门逻辑门芯片根据第一IGBT组件的门级电压信号输出第二电平信号，所述第三与门逻辑门芯片根据第二IGBT组件的门级电压信号输出第三电平信号，所述或门逻辑门芯片接收所述第一电平信号、所述第二电平信号以及所述第三电平信号并输出第四电平信号给所述信号输出电路模块；

所述信号输出电路模块根据所述第三电平信号输出短路保护信号。

根据本发明的一个实施例，所述信号发生模块包括用于产生并输出第一脉冲信号的第一发生端和用于产生并输出第二脉冲信号的第二发生端。

根据本发明的一个实施例，所述信号输入电路模块包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻分别与所述第一与门逻辑门芯片的输入端、所述第一发生端串联，所述第二电阻分别与所述第一与门逻辑门芯片的输入端、所述第二发生端串联。

根据本发明的一个实施例，所述第一IGBT组件的门级电压信号包括第一IGBT组件的上门级电压信号和第一IGBT组件的下门级电压信号，所述第一IGBT组件上设有两个第一电压传感器，两个所述第一电压传感器分别用于采集所述第一IGBT组件的上门级电压信号和所述第一IGBT组件的下门级电压信号。

根据本发明的一个实施例，所述信号输入电路模块包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻分别与所述第二与门逻辑门芯片的输入端、其中一个所述第一电压传感器串联，所述第四电阻分别与所述第二与门逻辑门芯片的输入端、另一个所述第一电压传感器串联。

根据本发明的一个实施例，所述第二IGBT组件的门级电压信号包括第二IGBT组件的上门级电压信号和第二IGBT组件的下门级电压信号，所述第二IGBT组件上设有两个第二电压传感器，两个所述第二电压传感器分别用于采集所述第二IGBT组件的上门级电压信号和所述第二IGBT组件的下门级电压信号。

根据本发明的一个实施例，所述信号输入电路模块包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻分别与所述第三与门逻辑门芯片的输入端、其中一个所述第二电压传感器串联，所述第六电阻分别与所述第三与门逻辑门芯片的输入端、另一个所述第二电压传感器串联。

根据本发明的一个实施例，所述信号输出电路模块包括依次串联两个非门芯片。

本发明的实施例提供了一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护模块，所述IPM短路保护模块包括所述的IPM短路保护电路。

本发明的实施例提供了一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护系统，所述IPM短路保护系统包括：所述的IPM短路保护模块、信号发生模块、IPM模块和线路驱动模块，所述IPM短路保护模块的输入端分别与所述IPM模块、信号发生模块连接，所述IPM短路保护模块的输出端与所述线路驱动模块连接，所述线路驱动模块分别与所述IPM模块、所述信号发生模块连接；当所述IPM短路保护模块输出的短路保护信号为低电平状态，所述线路驱动模块控制所述信号发生模块输出第一脉冲信号和第二脉冲信号通过并传递到所述IPM模块，当所述IPM短路保护模块输出的短路保护信号为高电平状态，所述线路驱动模块控制阻断所述信号发生模块输出的第一脉冲信号和第二脉冲信号传递到所述IPM模块。

根据本发明的一个实施例，所述线路驱动模块包括信号输入引脚、使能引脚和信号输出引脚，所述使能引脚与所述IPM短路保护模块连接，所述输入引脚与所述信号发生模块连接，所述输出引脚与所述IPM模块连接，当所述短路保护信号处于低电平状态时，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号通过所述使能引脚传递到所述IPM模块，当所述短路保护信号处于高电平状态时，所述使能引脚阻断所述第一脉冲信号和第二脉冲信号传递到所述IPM模块。

本发明的用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路、模块及系统全部由硬件组成，与软硬件结合的系统相比，提高了系统的安全性和准确性，在信息处理的效率上也有显著的提高；通过上述方式，在原有对IGBT组件的短路检测的基础上，添加了一组对输入的脉冲信号的短路检测，当有错误脉冲信号输入的情况下，阻断脉冲信号继续传递，使其无法传递到IPM模块，达到保护IGBT组件的目的；线路驱动模块充当一个开关的作用，通过将短路保护信号输出给线路驱动模块，根据短路保护信号的电平状态控制通过/阻断第一脉冲信号和第二脉冲信号，与采用MCU控制器相比，简化装置结构，减少了MCU控制器所要求的***电路，同时无需软件编程，减少了系统开发的任务量及开发难度。

附图说明

图1是本发明的用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路的结构示意图。

图2是本发明的用于飞轮储能装置的IPM短路保护系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

本发明的实施例提供了一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路，图1是一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路的结构示意图，请参见图1，该IPM短路保护电路分别与IPM模块10、信号发生模块20连接，进一步地，IPM模块10中设有第一IGBT组件(图中未示出)和第二IGBT组件(图中未示出)，信号发生模块20包括用于产生并输出第一脉冲信号的第一发生端201和用于产生并输出第二脉冲信号的第二发生端202，该IPM短路保护电路包括：依次连接的信号输入电路模块30、信号比较电路模块40和信号输出电路模块50。

在本实施例中，信号输入电路模块30分别与IPM模块10、信号发生模块20连接，信号输入电路模块30采集第一IGBT组件的门级电压信号、第二IGBT组件的门级电压信号、第一脉冲信号和第二脉冲信号并传输给信号比较电路模块40。

进一步地，第一IGBT组件包括上桥臂和下桥臂，第一IGBT组件上设有两个第一电压传感器(图中未示出)，第一IGBT组件的门级电压信号包括第一IGBT组件的上门级电压信号(即上桥臂的门级电压信号)和第一IGBT组件的下门级电压信号(即下桥臂的门级电压信号)，两个第一电压传感器分别用于采集第一IGBT组件的上门级电压信号和第一IGBT组件的下门级电压信号，第二IGBT组件包括上桥臂和下桥臂，第二IGBT组件上设有两个第二电压传感器(图中未示出)，第二IGBT组件的门级电压信号包括第二IGBT组件的上门级电压信号(即上桥臂的门级电压信号)和第二IGBT组件的下门级电压信号(即下桥臂的门级电压信号)，两个第二电压传感器分别用于采集第二IGBT组件的上门级电压信号和第二IGBT组件的下门级电压信号。在本实施例中，第一IGBT组件和第二IGBT组件可以分别单独工作，也可以同时工作。

在本实施例中，进一步地，信号比较电路模块40包括第一与门逻辑门芯片401、第二与门逻辑门芯片402、第三与门逻辑门芯片403和或门逻辑门芯片404，或门逻辑门芯片404的输入端分别与第一与门逻辑门芯片401输出端、第二与门逻辑门芯片402输出端、第三与门逻辑门芯片403输出端连接，或门逻辑门芯片404的输出端与信号输出电路模块50连接，第一与门逻辑门芯片401接地以及连接参考电压发生器，第二与门逻辑门芯片402接地以及连接参考电压发生器，第三与门逻辑门芯片403接地以及连接参考电压发生器，或门逻辑门芯片404接地以及连接参考电压发生器。第一与门逻辑门芯片401根据第一脉冲信号和第二脉冲信号输出第一电平信号，当第一脉冲信号和第二脉冲信号同时为高电平时，第一与门逻辑门芯片401输出的第一电平信号为高电平，否则，第一与门逻辑门芯片401输出的第一电平信号为低电平。第二与门逻辑门芯片402根据第一IGBT组件的上门级电压信号和第一IGBT组件的下门级电压信号输出第二电平信号，当第一IGBT组件的上门级电压信号和第一IGBT组件的下门级电压信号同时为高电平时，第二与门逻辑门芯片402输出的第二电平信号为高电平，否则，第二与门逻辑门芯片402输出的第二电平信号为低电平。第三与门逻辑门芯片403根据第二IGBT组件的上门级电压信号和第二IGBT组件的下门级电压信号输出第三电平信号，当第二IGBT组件的上门级电压信号和第二IGBT组件的下门级电压信号同时为高电平时，第三与门逻辑门芯片403输出的第三电平信号为高电平，否则，第三与门逻辑门芯片403输出的第三电平信号为低电平。或门逻辑门芯片404接收第一电平信号、第二电平信号以及第三电平信号并输出第四电平信号给信号输出电路模块50，当第一电平信号、第二电平信号以及第三电平信号三者中只要有一个电平信号是高电平，或门逻辑门芯片404输出的第四电平信号为高电平，否则，或门逻辑门芯片404输出的第四电平信号为低电平，信号输出电路模50块根据第四电平信号输出短路保护信号。

进一步地，信号输出电路模块50包括依次串联两个非门芯片501。非门芯片501用于增强第四电平信号，并能够稳定第四电平信号，当第四电平信号为低电平时，信号输出电路模块50输出的短路保护信号为增强及稳定后的第四电平信号，短路保护信号为低电平，表示信号正常；当第四电平信号为高电平时，信号输出电路模块50输出的短路保护信号为增强及稳定后的第四电平信号，短路保护信号为高电平，表示信号异常。

根据本发明的一个实施例，请参见图1，信号输入电路模块30包括第一电阻301和第二电阻302，第一电阻301分别与第一与门逻辑门芯片401的输入端、第一发生端201串联，第二电阻302分别与第一与门逻辑门芯片401的输入端、第二发生端202串联。

根据本发明的一个实施例，请参见图1，信号输入电路模块30包括第三电阻303和第四电阻304，第三电阻303分别与第二与门逻辑门芯片402的输入端、其中一个第一电压传感器串联，第四电阻304分别与第二与门逻辑门芯片402的输入端、另一个第一电压传感器串联。

根据本发明的一个实施例，请参见图1，信号输入电路模块30包括第五电阻305和第六电阻306，第五电阻305分别与第三与门逻辑门芯片403的输入端、其中一个第二电压传感器串联，第六电阻306分别与第三与门逻辑门芯片403的输入端、另一个第二电压传感器串联。

本发明的实施例提供了一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护模块，IPM短路保护模块包括上述IPM短路保护电路，IPM短路保护电路在前述已进行详细描述，在此不再赘述。

本发明的实施例提供了一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护系统，该IPM短路保护系统适用于1500V的地铁轨道以及200KW的飞轮储能装置。图2是一种用于飞轮储能装置的IPM短路保护系统的结构示意图，请参见图2，IPM短路保护系统包括：上述IPM短路保护模块1、信号发生模块2、IPM模块3和线路驱动模块4，IPM短路保护模块1的输入端分别与IPM模块3、信号发生模块2连接，IPM短路保护模块1的输出端与线路驱动模块4连接，线路驱动模块4分别与IPM模块3、信号发生模块2连接，IPM短路保护模块1采集信号发生模块2输出的第一脉冲信号和第二脉冲信号以及IPM模块3输出的第一IGBT组件的门级电压信号和第二IGBT组件的门级电压信号并输出短路保护信号，当IPM短路保护模块1输出的短路保护信号为低电平状态，线路驱动模块4控制信号发生模块2输出的第一脉冲信号和第二脉冲信号通过并传递到IPM模块3，当IPM短路保护模块1输出的短路保护信号为高电平状态，线路驱动模块4控制阻断信号发生模块2输出的第一脉冲信号和第二脉冲信号传递到IPM模块3。

进一步地，线路驱动模块4包括信号输入引脚、使能引脚和信号输出引脚，使能引脚与IPM短路保护模块1连接，输入引脚与信号发生模块2连接，输出引脚与IPM模块3连接，当短路保护信号处于低电平状态时，第一脉冲信号和第二脉冲信号通过使能引脚传递到IPM模块3，当短路保护信号处于高电平状态时，使能引脚阻断第一脉冲信号和第二脉冲信号传递到IPM模块3。

本发明的用于飞轮储能装置的IPM短路保护电路、模块及系统全部由硬件组成，与软硬件结合的系统相比，提高了系统的安全性和准确性，在信息处理的效率上也有显著的提高；通过上述方式，在原有对IGBT组件的短路检测的基础上，添加了一组对输入的脉冲信号的短路检测，当有错误脉冲信号输入的情况下，阻断脉冲信号继续传递，使其无法传递到IPM模块，达到保护IGBT组件的目的；线路驱动模块充当一个开关的作用，通过将短路保护信号输出给线路驱动模块，根据短路保护信号的电平状态控制通过/阻断第一脉冲信号和第二脉冲信号，与采用MCU控制器相比，简化装置结构，减少了MCU控制器所要求的***电路，同时无需软件编程，减少了系统开发的任务量及开发难度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。