保护电路
阅读说明：本技术 保护电路 (Protective circuit ) 是由 P·朗斯代尔 陈屹然 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：一种保护电路(20),包括浪涌电流检测器,该浪涌电流检测器可操作以检测来自DC链路(11)的浪涌电流。浪涌电流检测器(Q1、21)包括晶体管开关(Q1),该晶体管开关(Q1)在保护电路的正常操作中接通。保护电路(20)操作为响应于检测到的浪涌电流,检测跨晶体管开关(Q1)的电压何时超过阈值电压,并且作为响应,保护电路(20)操作为关断晶体管开关。(A protection circuit (20) comprises an inrush current detector operable to detect an inrush current from a DC link (11). The inrush current detector (Q1, 21) includes a transistor switch (Q1), which transistor switch (Q1) is turned on in normal operation of the protection circuit. The protection circuit (20) is operative to detect when a voltage across the transistor switch (Q1) exceeds a threshold voltage in response to the detected inrush current, and in response the protection circuit (20) is operative to turn off the transistor switch.)
本公开涉及保护电路，具体涉及适用于防止损坏DC链路电容器以及耦合到电气转换系统的DC链路的其他部件的保护电路。
背景技术
DC链路电容器在电气转换系统中起着重要作用，这些电气转换系统在各级之间包含DC链路。例如，在诸如电动机驱动之类的功率电子系统中，通常AC电网与逆变器之间设置DC链路，该逆变器生成合适的AC输出以驱动电动机。DC链路电容器确保当逆变器汲取要供应给电动机的功率时，DC链路上的电压保持相对稳定。在高DC链路电压下操作的同时需要低串联电阻和高能量存储容量则意味着，通常会使用一对串联连接的DC链路电容器，其中跨每个DC链路电容器施加DC链路电压的一半。然而，即使使用串联连接的DC链路电容器来共享DC链路电压，在部件故障或DC链路意外短路的情况下，很难针对系统的安全操作进行设计。
专利申请EP 2 833 499描述了一种DC链路电容器保护电路。在该电路中，电阻分压器与DC链路电容器的串联连接进行并联连接。DC链路电容器和电阻分压器的中点应当具有相同的电压，但是在DC链路电容器故障(诸如短路)的情况下，这些电压会有所不同。DC链路电容器保护电路包括二极管桥，当中点电压相差超过限定量时，该二极管桥使用光耦合器提供输出。响应于来自二极管桥的输出，用于对DC链路电容器充电的输入级被去激活。
这种途径需要二极管桥的附加费用，并且与采用单个DC链路电容器的系统不兼容。更进一步地，输入侧处的电压骤降可能会导致中点电压出现差异，从而导致保护电路意外跳闸。因此，期望一种备选保护电路，其适合于在短路或其他DC链路电容器故障导致DC链路上的过电压状况的情况下防止损坏DC链路电容器和相关联的部件，优选地还便于安全启动并且提供对限电(brownouts)的弹性。
发明内容
根据本公开，提供了如所附权利要求中所阐述的电路和方法。根据从属权利要求以及随后描述，本发明的其他特征将是显而易见的。
因而，可以提供一种保护电路，该保护电路包括浪涌电流检测器，该浪涌电流检测器可操作以检测来自DC链路的浪涌电流，其中该浪涌电流检测器包括晶体管开关，该晶体管开关在保护电路的正常操作中接通，并且其中该保护电路操作为响应于检测到的浪涌电流，检测跨晶体管开关的电压何时超过阈值电压，并且作为响应，保护电路操作为关断晶体管开关。
因此，在DC链路上发生诸如DC链路电容器的短路之类的故障的情况下，浪涌电流可以直接通入保护电路的晶体管中，以使得能够快速隔离去往DC链路的供电。
在一个示例中，晶体管在DC链路电容器与DC负极线之间与DC链路电容器串联设置，使得保护电路操作为响应于来自DC链路电容器的检测到的浪涌电流，检测跨晶体管开关的电压何时超过阈值电压。
在一个示例中，晶体管开关在输入整流器与DC负极线之间与输入整流器串联设置，使得保护电路操作为响应于来自DC负极线的检测到的浪涌电流，检测跨晶体管开关的电压何时超过阈值电压。
在一个示例中，浪涌电流检测器包括栅极驱动器电路，该栅极驱动器电路被布置为控制晶体管开关。在一个示例中，浪涌电流检测器包括晶体管开关，该晶体管开关由栅极驱动器电路偏置，以便在保护电路的正常操作中接通。在一个示例中，浪涌电流检测器包括晶体管开关，该晶体管开关由栅极驱动器电路偏置，以便在保护电路的正常操作中在其饱和区域中操作。
在一个示例中，浪涌电流检测器检测浪涌电流，并且响应于检测到的浪涌电流，操作栅极驱动器电路以关断晶体管开关，从而隔离DC链路。
在一个示例中，浪涌电流检测器被布置为通过检测跨晶体管开关的电压超过阈值电压来检测来自DC链路的浪涌电流。在一个示例中，浪涌电流检测器被布置为通过检测跨晶体管开关的预定阈值电压来检测来自DC链路的浪涌电流。在一个示例中，预定阈值电压与晶体管开关处的最大允许浪涌电流相对应。
在一个示例中，浪涌电流检测器被布置为通过检测跨晶体管开关的电压超过阈值电压来检测来自DC链路的浪涌电流，该阈值电压与晶体管开关的去饱和相对应。
在一个示例中，晶体管开关包括IGBT。在一个示例中，浪涌电流检测器被布置为根据晶体管开关的集电极-发射极电压来检测来自DC链路的浪涌电流。
可供使用的IGBT即使在承受大电流时也展示了向饱和行为的相对急剧的过渡。尽管关断IGBT晶体管比关断其他晶体管开关相对更慢，但是使用IGBT晶体管开关生产保护电路的成本也可能相对低于特定额定电压的保护电路可能需要的其他晶体管开关的成本。
在一个示例中，晶体管开关包括FET，诸如MOSFET/SiC MOSFET，或包括基于GaN的MOSFET、MESFET或HEMT设备。在一个示例中，浪涌电流检测器被布置为根据晶体管开关的漏极-源极电压来检测来自DC链路的浪涌电流。
MOSFET器件可能会展出出相对较快的关断时间，这对于快速检测和DC链路故障保护操作而言是期望的，但与IGBT相比较，每单位面积的成本通常会更高。
在一个示例中，保护电路还设置有限流电阻器，该限流电阻器与晶体管开关并联连接。在一个示例中，限流电阻器包括正温度系数热敏电阻器。
通过提供与晶体管开关并联的限流电阻器，减少了从DC链路电容器流出的峰值电流。使用正温度系数热敏电阻器可以提供电阻，该电阻通常较低，但是在保护电路的浪涌电流的情况下，迅速升高，同时关断晶体管开关。这对于启动期间限制来自DC链路的电流很有用，以使电荷可以积聚在DC链路电容器上。
在一个示例中，保护电路还包括故障通知端子，并且被布置为在保护电路响应于检测到的浪涌电流而隔离DC链路之后，将故障通知信号输出到故障通知端子。
这样，保护电路会很容易与其他保护或控制电路集成在一起，以便更容易进行故障通知/诊断操作。
在一个示例中，保护电路还包括输入关闭端子，并且被布置为在保护电路响应于检测到的浪涌电流而隔离DC链路之后，将输入关闭信号输出到输入关闭端子。
这样，保护电路可以使得能够关掉为DC链路馈电的电源。
因而，可以提供一种功率转换系统，该功率转换系统包括如本文中所描述的保护电路。
在一个示例中，功率转换系统在输入电源与负载之间(例如，在输入电源与电动机驱动之间)操作。
在一个示例中，保护电路与电动机驱动一体设置。
在一个示例中，功率转换系统包括逆变器，其中保护电路被布置为在逆变器初始化之前操作，以在逆变器初始化时为DC链路提供保护。
因而，提供了一种保护耦合到DC链路的部件的方法，该方法包括：在保护电路中检测来自DC链路的浪涌电流，该保护电路包括晶体管开关，该晶体管开关在保护电路的正常操作中接通；以及响应于检测到的浪涌电流，关断晶体管开关，其中检测步骤通过检测跨晶体管开关的电压何时超过阈值电压而被执行。
在一个示例中，晶体管开关在DC链路电容器与DC负极线之间与DC链路电容器串联设置，使得保护电路操作为响应于来自DC链路电容器的检测到的浪涌电流，检测跨晶体管开关的电压何时超过阈值电压。
在一个示例中，晶体管开关在输入整流器与DC负极线之间与输入整流器串联设置，使得保护电路操作为响应于来自DC负极线的检测到的浪涌电流，检测跨晶体管开关的电压何时超过阈值电压。
在一个示例中，该方法包括：响应于检测到的浪涌电流，操作栅极驱动器电路以关断晶体管开关。
在一个示例中，该方法包括：根据晶体管开关的集电极-发射极电压升高到阈值电压以上来检测晶体管开关的去饱和。
在一个示例中，该方法包括：使浪涌电流通过限流电阻器，该限流电阻器与晶体管开关并联连接。在一个示例中，该方法包括：在保护电路的启动操作期间，使浪涌电流通过限流电阻器，该限流电阻器与晶体管开关并联连接。在一个示例中，该方法包括：使浪涌电流通过限流电阻器，同时关断晶体管，该限流电阻器与晶体管开关并联连接。在一个示例中，该方法包括：使浪涌电流通过形式为正温度系数热敏电阻器的限流电阻器，该限流电阻器与晶体管开关并联连接。
在一个示例中，该方法还包括：关掉为DC链路馈电的电源。
在一个示例中，该方法还包括：输出故障通知信号。在一个示例中，该方法包括：在保护电路响应于检测到的浪涌电流而隔离DC链路之后，输出故障通知信号。
附图说明
现在，参考附图对本公开的示例进行描述，其中
图1示出了根据示例实施例的包括保护电路的功率转换系统的示意性概图；
图2示出了图1的功率转换系统以及PTC；
图3示出了包括根据示例实施例的保护电路、以及PTC的功率转换系统的示意性概图；
图4A至图4C各自示出了采用备选配置的包括根据示例实施例的保护电路和PTC的功率转换系统的示意性概图；以及
图5示出了根据示例实施例的保护耦合到DC链路的部件的方法中的步骤。
具体实施方式
图1示出了根据示例实施例的包括保护电路20的功率转换系统的示意性概图。
保护电路20与连接在DC正极线11与DC负极线12之间的DC链路电容器C1和C2串联设置。保护电路20的左侧是三个输入线L1、L2和L3，这三个输入线为被布置作为整流器10的二极管D1至D6馈电。保护电路20的右侧是由开关Z1至Z6所示意性表示的逆变器30。逆变器30在控制单元(未示出)的控制下操作，以作为用于电动机M的驱动来操作，该电动机M耦合到来自逆变器30的三个输出线O1、O2和O3。由DC正极线11和DC负极线12组成的、整流器10与逆变器30之间的连接包括DC链路。
保护电路20包括浪涌电流检测器，并且可操作为检测来自DC链路的浪涌电流。响应于检测到来自DC链路的浪涌电流，保护电路20被布置为隔离DC链路。这保护了DC链路电容器C1、C2、逆变器30中的开关Z1至Z6、以及实际上耦合到DC链路的任何其他电子部件免受短路、DC链路电容器C1、C2中的一个DC链路电容器的部件故障等导致的损坏。
图2示出了图1的功率转换系统以及与之并联连接的正温度系数热敏电阻器PTC。
PTC与保护电路20的晶体管开关Q1并联连接，并且在启动时用作限流器。限流正温度系数热敏电阻器PTC的电阻通常较低，但是当保护电路20隔离DC链路时，在来自DC链路的浪涌电流的情况下，迅速升高。例如，限流正温度系数热敏电阻器PTC用来减小在保护电路20的启动操作期间从DC链路电容器C2流出的峰值电流，从而使得电荷能够积聚在DC链路电容器C1、C2上。当启动后DC链路电压稳定时，如果感测到故障条件，则保护电路20准备好隔离DC链路。
在相关技术的功率转换系统中，PTC在启动时的操作通过与PTC并联设置的继电器来启用。启动时，继电器断开，以使PTC可以操作以控制来自DC链路的浪涌电流并且允许电荷积聚在DC链路电容器上。此后，继电器闭合。通过提供保护电路20，无需单独继电器就可以方便启动操作，从而降低了实现安全启动和保护的成本。消除在启动时使用的继电器具有提高可靠性并适用于易爆环境的优点。
图3示出了功率转换系统，该功率转换系统包括根据另一示例实施例的保护电路20以及与之并联连接的正温度系数热敏电阻器PTC。
浪涌电流检测器包括晶体管开关Q1及其相关联的栅极驱动器电路21。晶体管开关Q1被设置为与DC链路电容器C1、C2串联的具有反并联吸收二极管的IGBT。
晶体管开关Q1连接在晶体管开关Q1的集电极处的DC链路电容器C2与晶体管开关Q1的发射极处的DC负极线之间。在保护电路20的正常操作中，栅极驱动电压通过保护电路20的栅极驱动器电路21提供给晶体管开关Q1，使得晶体管开关Q1被接通，从而在晶体管开关Q1的饱和区域中操作。
从+18V电源在引脚6处为栅极驱动器电路21馈电，该+18V电源与DC链路上的功率无关。+18V电源分别以0V和栅极驱动器电路21的负电源引脚2和3为参考，这些引脚彼此系接。+18V电源还被馈送到栅极驱动器电路的引脚1。+18V电源还经由输入开关电路24馈送到栅极驱动器电路21的引脚3，使得向开启电路24提供使能信号会开启晶体管开关Q2，从而使得此后能够操作栅极驱动器电路21。
在保护电路20的正常操作中，栅极驱动器电路21通过滤波器22从引脚5向晶体管Q1的栅极提供栅极驱动电压。
因为跨晶体管开关Q1的电压是从集电极到发射极流经Q1的电流的函数，所以晶体管开关Q1能够检测来自DC链路的浪涌电流。通过检测跨晶体管开关Q1的阈值电压，可以推断出在晶体管开关Q1处发生浪涌电流。特别地，如果发生短路事件并且完整DC链路电压施加到晶体管开关Q1，则Q1的集电极电流会增加到一个水平，该水平将晶体管开关Q1驱离饱和区域并进入晶体管开关Q1的线性操作区域。这导致集电极-发射极电压的快速增加，该快速增加经由滤波器23通过栅极驱动器电路21检测到。作为响应，栅极驱动器电路21迅速调整其在引脚5处的输出以关断晶体管开关Q1。
此外，如上文关于图2所描述的，限流正温度系数热敏电阻器PTC与保护电路20的晶体管开关Q1并联连接。限流正温度系数热敏电阻器PTC的电阻通常较低，但在关断晶体管开关Q1时，在来自DC链路的浪涌电流的情况下，迅速上升。例如，限流正温度系数热敏电阻器PTC用于减小在保护电路20的启动操作期间从DC链路电容器C2流出的峰值电流，从而使得电荷能够积聚在DC链路电容器C1、C2上。当启动后DC链路电压稳定时，保护电路20在晶体管开关Q1接通的情况下开始操作，但是准备如果感测到与故障条件有关的浪涌电流，则通过栅极驱动器电路21关断。
栅极驱动器电路21还包括引脚7处的故障通知端子。在保护电路响应于检测到的浪涌电流而隔离DC链路之后，栅极驱动器电路21将故障通知信号输出到故障通知端子。故障通知端子使得保护电路20能够与其他保护或控制电路集成在一起。这可以是人工操作员，也可以实现其他自动安全干预，诸如使用故障通知端子处的信号作为输入关闭控件以在保护电路20已经响应于检测到的浪涌电流而隔离了DC链路之后，切断对输入线L1、L2和L3的供电。
图4A以与图1类似的布置示出了根据示例实施例的包括保护电路的功率转换系统的示意性概图。在该示例中，保护电路20与DC链路电容器C1、C2串联设置，并且附加地，还提供了继电器S1和并联PTC，以应对启动。
图4B示出了根据示例实施例的包括保护电路的功率转换系统的示意性概图。提供了继电器S1和PTC，以应对启动。在该示例中，保护电路20在DC负极线的输入侧处与整流器串联设置。在这种布置中提供保护电路20用于保护DC链路电容器C1、C2以及整流器的连接到功率转换系统的输出侧的开关部件。
图4C示出了根据示例实施例的包括保护电路的功率转换系统的示意性概图。在该示例中，保护电路20在DC负极线的输入侧处与整流器串联设置。在这种布置中提供保护电路20用于保护DC链路电容器C1、C2以及整流器的连接到功率转换系统的输出侧的开关部件。以与图2类似的布置，PTC与保护电路20并联设置。
图5示出了根据示例实施例的保护耦合到DC链路的部件的方法中的步骤。该方法可以由本文中所阐述的保护电路执行。
该方法包括：在与DC链路电容器串联连接的保护电路中检测来自DC链路的浪涌电流(S1)，并且响应于检测到的浪涌电流而隔离DC链路(S2至S4)。
更详细地，该方法包括：根据晶体管开关的集电极-发射极电压升高到预定阈值电压以上来检测已经达到去饱和电压(S1)。作为响应，关断晶体管开关(S2)。作为可选步骤，在S1和S2的检测和切断发生之后，任何其他浪涌电流都会暴露于与晶体管开关并联连接的正温度系数热敏电阻器(S3)。
该方法还可以包括一个或多个附加可选步骤：关掉为DC链路馈电的电源，以及向一个或多个用户发送故障信号(S4)。
除了有利于防止由于部件故障或DC链路意外短路而引起的一般安全问题外，保护电路在与电动机驱动结合使用时也很有用。诸如保险商实验室公司(UnderwritersLaboratory Inc.)之类的一些安全认证组织可能要求电动机驱动能够承受成对DC链路电容器中的一个DC链路电容器的故意短路，才能通过其认证。在电动机驱动中实现保护电路可以通过消除对单独测试/认证的需求来降低成本，从而实现了安全操作以及根据特定设计或服务要求可能需要的任何其他保护措施(诸如断路器/熔断器)。如上文所描述的，提供保护电路也是有利的，该保护电路还可以促进安全开启行为，而无需诸如继电器之类的附加开关部件。
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本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合进行组合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤互斥的组合以外。
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本发明不受限于(多个)前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖特征或任何新颖组合，或扩展为如此公开的任何方法或过程的步骤的新颖步骤或新颖组合。
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