功率开关短路保护制造技术

本公开的实施例总体上涉及功率开关短路保护。公开了功率开关保护的系统、方法、技术和装置。一个示例性实施例是一种用于功率开关的保护系统，该保护系统包括电阻器和检测电路。电阻器与解耦电容器串联耦合。检测电路被构造为接收电阻器的电压，基于所接收的电气特性确定发生短路，并且响应于确定发生短路而传输故障触发信号。障触发信号。障触发信号。

【技术实现步骤摘要】
功率开关短路保护


[0001]本公开总体上涉及功率开关保护。

技术介绍

[0002]半导体开关的一些最近开发的类型在传导短路电流时会很快失效。例如，一些宽带隙开关在传导短路电流仅600ns之后就可能会失效。现有的功率开关保护系统存在很多缺陷和缺点。仍有未满足的需求，包括提高保护系统响应能力和减少保护系统功率损耗。例如，一些常规的保护系统(诸如基于去饱和检测的系统)的响应速度不够快而无法保护宽带隙开关免受短路电流的影响。此外，一些常规的保护系统监测插入负载电流路径中的分流电阻器，从而生成恒定的功率损耗。鉴于本领域中的这些和其他缺陷，非常需要本文中公开的装置、方法、系统和技术。
[0003]说明性实施例的公开
[0004]为了清楚、简明和准确地描述本公开的非限制性示例性实施例、其制作和使用的方式和过程，并且为了能够实践、制作和使用这些非限制性示例性实施例，现在将参考某些示例性实施例，包括图中所示的那些，并且将使用特定的语言来对其进行描述。然而，应当理解，没有因此对本公开的范围产生限制，并且本公开包括和保护由受益于本公开的本领域技术人员能够想到的示例性实施例的这样的改变、修改和其他应用。

技术实现思路

[0005]本公开的示例性实施例包括用于功率开关短路保护的系统、方法、技术和装置。本公开的其他实施例、形式、目的、特征、优点、方面和益处将从以下描述和附图变得很清楚。
附图说明
[0006]图1示出了示例性功率开关保护系统；
[0007]图2示出了示例性检测电路；/>[0008]图3示出了示例性栅极驱动器电路；以及
[0009]图4是示出使用图1的示例性功率开关保护系统的短路保护的多个曲线图。
具体实施方式
[0010]参考图1，示出了包括功率开关保护系统130的示例性电源系统100。应当理解，系统130可以在各种应用中实现，包括双电平和多电平电源转换器(仅举几个示例)。还应当理解，系统100的拓扑结构是出于解释的目的而示出的，并且不旨在作为对本公开的限制，除非另有说明。
[0011]电源系统100被构造为在输出端子121与电源设备105之间传输电力。系统100可以被构造为从电源设备105向输出端子121单向地传输电力，从输出端子121向电源设备105单向地传输电力，或者在输出端子121与电源设备105之间双向地传输电力。输出端子121可以
接收或传输交流(AC)或直流(DC)电力。电源设备105被构造为传输或接收DC电力。
[0012]电源系统100包括DC总线，该DC总线包括DC总线轨101和DC总线轨103。四个支路跨DC总线而耦合。在第一支路与第二支路之间，DC总线具有寄生电感111。在第二支路与第三支路之间，DC总线具有寄生电感113。在第三支路与第四支路之间，DC总线具有寄生电感115。
[0013]第一支路包括被构造为在输出端子121与电源设备105之间转换或传输电力的功率开关117和功率开关119。例如，功率开关117和功率开关119可以将从输出端子121接收的AC电力转换为DC电力，或者将从DC总线接收的DC电力转换为AC电力。功率开关117耦合在DC总线轨101与输出端子121之间，并且功率开关119耦合在DC总线轨103与输出端子121之间。每个功率开关117、119可以包括宽带隙开关，诸如E模式氮化镓(GaN)开关、共源共栅模式GAN开关或碳化硅开关(仅举几个示例)。
[0014]第二支路包括串联耦合在DC总线轨101与DC总线轨103之间的解耦电容器109和电阻器131。解耦电容器109被构造为减少由功率开关117和119的操作生成的电噪声。在某些实施例中，解耦电容器109可以是陶瓷电容器或薄膜电容器。在某些实施例中，解耦电容器的电容可以在100nF与1uF之间，或者可以是功率开关117和119的输出电容的10
‑
100倍。
[0015]电阻器131可以包括外部电阻器或等效电阻器。例如，电阻器131可以包括具有电阻的外部电阻器或具有等效电阻的印刷电路板迹线布置。电阻器131被构造为具有小电阻R
131
。例如，电阻器131的电阻或等效电阻可以在200微欧与10毫欧之间，或者在200微欧与800微欧之间(仅举几个示例)。
[0016]第一支路和第二支路的组件形成高频回路123，使得只有瞬态电流(诸如来自功率开关的操作的噪声)流过第二支路，包括电阻器131。因此，与在负载电流I
105
的电流路径中放置具有相同电阻的电阻器相比，来自第二支路的电阻器131的功率损耗可以忽略不计。通过在高频回路123中放置电阻器131，电阻器131感应出电感L
131
。在某些实施例中，电阻器131位于功率开关119的10mm内。
[0017]第三支路包括耦合在DC总线轨101与DC总线轨103之间的DC链路电容器107。在某些实施例中，DC链路电容器107包括一电容，该电容大于解耦电容器的电容。例如，DC链路电容器107的电容可以是解耦电容器109的电容的100倍。与解耦电容器109相比，DC链路电容器107也被放置得离开关117和119更远。例如，解耦电容器可以被放置为距功率开关117和119小于10mm，而DC链路电容器可以放置在几厘米远的地方。
[0018]第四支路包括耦合在DC总线轨101与DC总线轨103之间的电源设备105。在所示的实施例中，电源设备105是能量存储设备，其被构造为从DC总线接收电力，存储能量并且向DC总线提供电力。电源设备105也可以是发电设备、或被构造为接收或传输DC电力的另一种类型的设备。
[0019]功率开关保护系统130被构造为保护电源系统100免受电源系统100内发生的短路的影响。例如，系统130可以保护系统100免受相臂短路或相间短路的影响。功率开关保护系统130包括电阻器131、检测电路133以及栅极驱动器电路135和137。
[0020]检测电路133被构造为测量跨电阻器131的电压V
131
。当电流流过高频回路123时，电流引起跨电阻器131的电压V
131
。在正常操作期间，由于解耦电容器109吸收由切换(toggling)引起的电压变化，所以由功率开关切换生成的瞬态电流流过电阻器131。虽然功
率开关切换可能导致DC总线中的电压振荡，但检测电路133确定跨电阻器131的电压V
131
保持低于短路阈值。一旦发生短路，短路电流流过高频回路123，从而引起检测电路133确定跨电阻器131的电压V
131
超过短路阈值。
[0021]短路阈值是一电压，该电压大于由功率开关切换而生成的跨电阻器131的电压。在某些实施例中，短路阈值是由功率开关切换引起的跨电阻器的峰值标称电压的3
‑
5倍。在某些实施例中，检测电路133在短路开始的50ns内确定发生短路。
[0022]栅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于功率开关的保护系统，包括：电阻器，与解耦电容器串联耦合；以及检测电路，被构造为接收所述电阻器的电压，基于所接收的电压确定发生短路，并且响应于确定发生所述短路而传输故障触发信号。2.根据权利要求1所述的保护系统，包括：栅极驱动器电路，被构造为接收所述故障触发信号并且响应于接收到所述故障触发信号而在电流过零点处断开所述功率开关。3.根据权利要求2所述的保护系统，其中所述栅极驱动器电路包括被构造为接收所述故障触发信号的非逻辑门、耦合到所述非逻辑门的与逻辑门以及被构造为接收所述故障触发信号的软断开电路。4.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述电阻器包括具有等效电阻的印刷电路板迹线布置。5.根据权利要求4所述的保护系统，其中所述等效电阻在200微欧与10毫欧之间。6.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述检测电路包括：放大器，被构造为接收所述电阻器电压；比较器，被构造为接收短路电压阈值和来自所述放大器的放大输出；以及信号锁存器，被构造为从所述比较器接收故障检测信号并且向栅极驱动器电路输出所述故障触发信号。7.根据权利要求6所述的保护系统，其中所述短路电压阈值对应于第一电阻器电压，所述第一电阻器电压大于由所述功率开关的切换生成的第二电阻器电压。8.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述功率开关是宽带隙开关，其中所述检测电路被构造为在所述短路开始的50ns内传输所述故障触发信号，并且其中所述故障触发信号被配置为使栅极驱动器断开所述功率开关。9.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述检测电路被构造为通过以下方式确定发生所述短路：放大所接收的电压，将经放大的电压与短路电压阈值进行比较，以及确定所述经放大的电压大于所述短路电压阈值，其中所述短路电压阈值大于第一电阻器电压，所述第一电阻器电压由在所述功率开关的切换期间流过所述解耦电容器的电流生成。10.根据权利要求1所述的保护系统，其中跨所述电阻器的所述电压由流过所述解耦电容器的高频电流生成。11.一种用于保护功...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘黎明，徐璟，潘志国，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：