CN112953272A - 一种电力电子变换装置驱动在线自检方法 - Google Patents

一种电力电子变换装置驱动在线自检方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电力电子变换装置驱动在线自检方法，用于监测已量产的电力电子变换装置的驱动器性能，该电力电子变换装置包括整流桥，其特征在于，同一桥臂内N个串联IGBT，使N‑1个IGBT处于常通状态，第N个IGBT使加固定时长T的脉冲。本发明提出的一种在线式驱动自检方法无需外部测试电路，仅利用电子电子自身元件，通过特定的控制方法，可以实现对量产产品驱动器性能的在线测试，可以快速、准确的判断驱动器及其对应电力电子开关(例如IGBT器件)的性能是否正常。

Description

一种电力电子变换装置驱动在线自检方法
技术领域
本发明涉及一种驱动在线自检方法，属于电力电子装置技术领域。
背景技术
电力电子装置通常由电力电子器件、电容、电感、驱动器和控制器等组成。控制器通过驱动器控制电力电子器件的开关状态，间接控制电容的电压或电感的电流，进而实现电能转换。常见的电力电子器件有IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等。
一个典型的电力电子变换装置如图1所示，该装置包括：交流输入电感L、预充电接触器SW1、预充电电阻R1、主回路接触器SW2、IGBT器件S1/S2/S3/S4、IGBT驱动器DR1/DR2/DR3/DR4、直流电容C、负载接触器SW3。该装置将交流源A的交流电压转化为直流电容C两端的直流电压，为负载提供能量。
上述装置过程为，首先吸合预充电接触器SW1，交流源A通过预充电电阻R1和IGBT器件S1/S2/S3/S4内部的二极管给直流电容C预充电。当直流电容C电压达到要求的阀值时，断开预充电接触器SW1，闭合主回路接触器SW2，控制器通过驱动器DR1/DR2/DR3/DR4按一定方式控制IGBT器件S1/S2/S3/S4的开关状态，使直流电容C电压稳定在负载所需要的电压值，然后闭合负载接触器SW3，给负载提供能量。
电力电子装置中驱动器的作用是将控制器发出的使能或封锁信号转换为IGBT器件GE两端的控制电压，高电压使IGBT导通，零电压或负电压使IGBT关断。同时，在IGBT导通状态下，通过检测IGBT器件CE两端电压来判断IGBT的状态。驱动器具体工作过程如图2及图3所示。
如图2所示，正常工作模式下，驱动器工作方法是：
T0时刻，控制器给驱动器发送使能信号，驱动器在IGBT器件GE两端施加高电压，驱使IGBT导通。此时，IGBT器件CE间电流上升，电压下降。T1时刻，IGBT器件CE间电流到达稳定工作状态，IGBT器件CE间电压下降至退饱和电压以下。从T1至T2时刻之间，驱动器监测IGBT器件CE两端电压。
T2时刻，控制器给驱动器发送封锁信号，驱动器在IGBT器件GE两端施加零电压/负电压，驱使IGBT关断。此时，IGBT器件CE间电流下降，电压上升。T2时刻，IGBT器件CE间电压到达稳定状态，IGBT器件CE间电流下降至零。
如图3所示，退饱和工作模式下，驱动器工作方法是：
T0时刻，控制器给驱动器发送使能信号，驱动器在IGBT器件GE两端施加高电压，驱使IGBT导通。此时，IGBT器件CE间电流上升，电压下降。T1时刻，IGBT器件CE间电压下降至退饱和电压以下，IGBT器件CE间电流超过稳定工作电流。继续上升，IGBT器件进入退饱和状态，IGBT器件CE间电压开始上升。T2时刻，IGBT器件CE间电压超过退饱和电压，驱动器检测到该电压，判断IGBT进入退饱和状态，主动给IGBT器件GE两端施加零电压或负电压，驱动IGBT关断。T3时刻，IGBT关断，电流下降至零，IGBT器件CE两端电压恢复额定值。
由上述分析可知，驱动器的性能对电力电子装置的安全运行有决定性影响。电力电子装置在设计之初，需采用离线式测试方法，借助外部测试电路对驱动器的性能进行评估。进入量产后的电力电子装置，无法外接测试电路，因此通常并不会对量产产品上的驱动器性能进行离线评估，这会给电力电子装置的现场安全投运带来一定风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：电力电子装置进入量产后无法外接测试电路，无法对量产电力电子装置上的驱动器性能进行离线评估。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种电力电子变换装置驱动在线自检方法，用于监测已量产的电力电子变换装置的驱动器性能，该电力电子变换装置包括整流桥，整流桥的上桥臂由N个电力电子开关组成，整流桥的下桥臂由M个电力电子开关组成，N≥1，M≥1，通常N＝M，每个电力电子开关的开关状态均由独立的驱动器控制，所有驱动器则由外部的控制***控制，交流电源经由整流桥为储能电力电子元件充电，由储能电力电子元件充电为接入电力电子变换装置的负载提供直流工作电压，其特征在于，所述在线自检方法包括以下步骤：
步骤1、将已量产的电力电子变换装置连接交流源，使交流电源经由电力电子变换装置内的整流桥为电力电子变换装置内的储能电力电子元件充电，直至储能电力电子元件达到预充电压阈值；
步骤2、将用于控制上桥臂中第n个电力电子开关的驱动器命名为驱动器
Figure BDA0002974448070000031
将用于控制上桥臂中第m个电力电子开关的驱动器命名为驱动器
Figure BDA0002974448070000032
则：
在线测试驱动器
Figure BDA0002974448070000033
及上桥臂中第n个电力电子开关的性能包括以下步骤：
步骤2A01、通过控制***给驱动器
Figure BDA0002974448070000034
使能信号，由驱动器
Figure BDA0002974448070000035
驱动上桥臂中第n个电力电子开关导通；
步骤2A02、通过控制***依序给除驱动器
Figure BDA0002974448070000036
外其他控制上桥臂剩余N-1个电力电子开关中的N-2个电力电子开关的驱动器使能信号，最后给剩余的一个电力电子开关的驱动器一定时间长度T的使能信号，从而驱动上桥臂剩余N-1个电力电子开关中的N-2个电力电子开关导通，并驱动上桥臂剩余N-1个电力电子开关中的剩余一个在导通时长T内导通；
步骤2A03、在导通时长T内，整流桥的上桥臂将储能电力电子元件短路，上桥臂上N个电力电子开关电流迅速增加，使上桥臂中第n个电力电子开关首先进入并超过退饱和状态，若上桥臂中第n个电力电子开关被驱动器
Figure BDA0002974448070000037
主动关断，则上桥臂中第n个电力电子开关及驱动器
Figure BDA0002974448070000038
性能正常，否则，上桥臂中第n个电力电子开关及驱动器
Figure BDA0002974448070000039
性能异常；
在线测试驱动器
Figure BDA00029744480700000310
及下桥臂中第m个电力电子开关的性能包括以下步骤：
步骤2B01、通过控制***给驱动器
Figure BDA00029744480700000311
使能信号，由驱动器
Figure BDA00029744480700000312
驱动下桥臂中第m个电力电子开关导通；
步骤2B02、通过控制***依序给除驱动器
Figure BDA00029744480700000313
外其他控制上桥臂剩余M-1个电力电子开关中的M-2个电力电子开关的驱动器使能信号，最后给剩余的一个电力电子开关的驱动器一定时间长度T的使能信号，从而驱动上桥臂剩余M-1个电力电子开关中的M-2个电力电子开关导通，并驱动上桥臂剩余M-1个电力电子开关中的剩余一个在导通时长T内导通；
步骤2B03、在导通时长T内，整流桥的下桥臂将储能电力电子元件短路，下桥臂上M个电力电子开关电流迅速增加，使下桥臂中第m个电力电子开关首先进入并超过退饱和状态，若下桥臂中第m个电力电子开关被驱动器
Figure BDA0002974448070000041
主动关断，则下桥臂中第m个电力电子开关及驱动器
Figure BDA0002974448070000042
性能正常，否则，下桥臂中第m个电力电子开关及驱动器
Figure BDA0002974448070000043
性能异常。
优选地，所述导通时长T小于电力电子开关短路耐受时长，且大于驱动短路保护响应时长。
本发明提出的一种在线式驱动自检方法无需外部测试电路，仅利用电子电子自身元件，通过特定的控制方法，可以实现对量产产品驱动器性能的在线测试，可以快速、准确的判断驱动器及其对应电力电子开关(例如IGBT器件)的性能是否正常。
附图说明
图1为一种典型的电力电子变换装置的示意图；
图2为正常工作模式下驱动器的工作过程；
图3为退饱和工作模式下驱动器的工作过程
图4为典型的I型三电平结构的电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
对于图1所示的电路，本实施例公开的一种电力电子变换装置驱动在线自检方法，包括以下步骤：
步骤1、闭合预充电接触器SW1，交流源通过交流输入电感L和IGBT器件S1/S2/S3/S4的二极管给直流电容充电，使直流电容电压达到预充电阀值。
步骤2、控制***给驱动器DR1使能信号，驱动器DR1驱动IGBT器件S1导通。
步骤3、控制***给驱动器DR2特定时间长度T的使能信号，驱动器DR2驱动IGBT器件S2导通，导通时长为T。
步骤4、此时，IGBT器件S1和IGBT器件S2将直流电容C短路，IGBT器件S1和IGBT器件S2的电流迅速增加，使IGBT器件S1首先进入退饱和状态，IGBT器件S1两端电压迅速上升，超过退饱和电压。
步骤5、上述情况下，如果驱动器DR1驱动性能正常，则驱动器DR1将主动关闭IGBT器件S1，并反馈故障状态至控制***。如果驱动器DR1驱动性能异常，则驱动器DR2在时长T结束时，也会主动关闭IGBT器件S2，避免IGBT器件S1/S2损坏。
基于上述方法，可以判断驱动器DR1及其对应的IGBT器件S1工作是否正常。将上述方法中的驱动器DR1和驱动器DR2对调，可以判断驱动器DR2及其对应IGBT器件S2工作是否正常。同理，同样可以判断驱动器DR3及其对应IGBT器件S3、驱动器DR4及其对应IGBT器件S4工作是否正常。
上述方法中固定时长T的选取原则：T小于IGBT器件短路耐受时长，大于驱动短路保护响应时长。
实施例2
对于图4所示的电路，本实施例公开的一种电力电子变换装置驱动在线自检方法，包括以下步骤：
步骤1、闭合预充电接触器SW1，交流源通过交流输入电感L和IGBT器件S1/S2/S3/S4的二极管给直流电容C1/C2充电，使直流电容C1/C2电压达到预充电阀值。
步骤2、控制***给驱动器DR1使能信号，驱动器DR1驱动IGBT器件S1导通。
步骤3、控制***给驱动器DR2使能信号，驱动器DR2驱动IGBT器件S2导通。
步骤4、控制***给驱动器DR3特定时间长度T的使能信号，驱动器DR3驱动IGBT器件S3导通，导通时长为T。
步骤5、此时，IGBT器件S1/S2/S3将直流电容C1短路，IGBT器件S1/S2/S3的电流迅速增加，使IGBT器件S1首先进入退饱和状态，IGBT器件S1两端电压迅速上升，超过退饱和电压。
步骤6、上述情况下，如果驱动器DR1驱动性能正常，则驱动器DR1将主动关闭IGBT器件S1，并反馈故障状态至控制***。如果驱动器DR1驱动性能异常，则驱动器DR2/DR3在时长T结束时，也会主动关闭IGBT器件S2/S3，避免IGBT器件S1/S2/S3损坏。

Claims (2)

1.一种电力电子变换装置驱动在线自检方法，用于监测已量产的电力电子变换装置的驱动器性能，该电力电子变换装置包括整流桥，整流桥的上桥臂由N个电力电子开关组成，整流桥的下桥臂由M个电力电子开关组成，N≥1，M≥1，通常N＝M，每个电力电子开关的开关状态均由独立的驱动器控制，所有驱动器则由外部的控制***控制，交流电源经由整流桥为储能电力电子元件充电，由储能电力电子元件充电为接入电力电子变换装置的负载提供直流工作电压，其特征在于，所述在线自检方法包括以下步骤：
步骤1、将已量产的电力电子变换装置连接交流源，使交流电源经由电力电子变换装置内的整流桥为电力电子变换装置内的储能电力电子元件充电，直至储能电力电子元件达到预充电压阈值；
步骤2、将用于控制上桥臂中第n个电力电子开关的驱动器命名为驱动器
Figure FDA0002974448060000011
将用于控制上桥臂中第m个电力电子开关的驱动器命名为驱动器
Figure FDA0002974448060000012
则：
在线测试驱动器
Figure FDA0002974448060000013
及上桥臂中第n个电力电子开关的性能包括以下步骤：
步骤2A01、通过控制***给驱动器
Figure FDA0002974448060000014
使能信号，由驱动器
Figure FDA0002974448060000015
驱动上桥臂中第n个电力电子开关导通；
步骤2A02、通过控制***依序给除驱动器
Figure FDA0002974448060000016
外其他控制上桥臂剩余N-1个电力电子开关中的N-2个电力电子开关的驱动器使能信号，最后给剩余的一个电力电子开关的驱动器一定时间长度T的使能信号，从而驱动上桥臂剩余N-1个电力电子开关中的N-2个电力电子开关导通，并驱动上桥臂剩余N-1个电力电子开关中的剩余一个在导通时长T内导通；
步骤2A03、在导通时长T内，整流桥的上桥臂将储能电力电子元件短路，上桥臂上N个电力电子开关电流迅速增加，使上桥臂中第n个电力电子开关首先进入并超过退饱和状态，若上桥臂中第n个电力电子开关被驱动器
Figure FDA0002974448060000017
主动关断，则上桥臂中第n个电力电子开关及驱动器
Figure FDA0002974448060000018
性能正常，否则，上桥臂中第n个电力电子开关及驱动器
Figure FDA0002974448060000019
性能异常；
在线测试驱动器
Figure FDA0002974448060000021
及下桥臂中第m个电力电子开关的性能包括以下步骤：
步骤2B01、通过控制***给驱动器
Figure FDA0002974448060000022
使能信号，由驱动器
Figure FDA0002974448060000023
驱动下桥臂中第m个电力电子开关导通；
步骤2B02、通过控制***依序给除驱动器
Figure FDA0002974448060000024
外其他控制上桥臂剩余M-1个电力电子开关中的M-2个电力电子开关的驱动器使能信号，最后给剩余的一个电力电子开关的驱动器一定时间长度T的使能信号，从而驱动上桥臂剩余M-1个电力电子开关中的M-2个电力电子开关导通，并驱动上桥臂剩余M-1个电力电子开关中的剩余一个在导通时长T内导通；
步骤2B03、在导通时长T内，整流桥的下桥臂将储能电力电子元件短路，下桥臂上M个电力电子开关电流迅速增加，使下桥臂中第m个电力电子开关首先进入并超过退饱和状态，若下桥臂中第m个电力电子开关被驱动器
Figure FDA0002974448060000025
主动关断，则下桥臂中第m个电力电子开关及驱动器
Figure FDA0002974448060000026
性能正常，否则，下桥臂中第m个电力电子开关及驱动器
Figure FDA0002974448060000027
性能异常。
2.如权利要求1所述的一种电力电子变换装置驱动在线自检方法，其特征在于，所述导通时长T小于电力电子开关短路耐受时长，且大于驱动短路保护响应时长。
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