CN101902122B - 一种vienna整流器逐波限流保护的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VIENNA整流器逐波限流保护的方法和装置，当主功率电路的三相输入电流在一个开关周期内超过过流保护阈值电流并达到一定时间时，停止驱动主功率电路的开关管；当主功率电路的三相输入电流回落到过流保护阈值电流及以下，且开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定时，重新驱动主功率电路的开关管。本发明根据一个脉冲周期内的三相输入电流对开关管驱动信号进行的调整，在有效保护主功率电路中的开关管不受过流损坏的同时，达到输入电流连续变化的效果。当主功率电路由于故障出现短路时，本发明能够在开关周期内做出反应，保证单脉冲短路电流都在允许范围之内，具有短路保护功能，提高了开关电源及功率器件的可靠性。

Description

一种VIENNA整流器逐波限流保护的方法和装置

技术领域

本发明涉及开关电源电流保护技术领域，尤其涉及一种VIENNA整流器逐波限流保护的方法和装置。

背景技术

自从PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)控制技术引入开关电源领域以来，因直接电流控制技术使电网侧电流动态、静态性能得到提高，也使电网侧电流控制对系统参数不敏感，增强电流控制系统鲁棒性得到广泛关注。随着数字开关电源技术的发展，对产品的性能和可靠性要求越来越高，而现有的电流保护方法和各自的缺点如下：

现有技术方案之一：通过电流检测，利用PWM控制调节电流大小。本方案存在调节时间过长、过载或大电流时间过长等风险，控制系统无法在极短的时间内做出判断，功率管极有可能在此时间内烧坏。

现有技术方案之二：硬件过流打嗝保护。本方案对于短路情况是有效的，但对于负载电流的持续增加是不能做到保护的，因为打嗝保护是长时间间歇性的，封锁驱动要经过毫秒级的时间才能放开，这种保护控制方式不能达到电流连续变化的效果。而且，在大电流的间隙中会不断冲击功率开关管造成损坏，也会影响输入侧电网电流畸变性能指标。

现有技术方案之三：应用于二极管中点箝位型多电平变换器的逐波限流控制，与中点箝位型逆变器拓扑相关，侧重延时控制电路，控制方法复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种VIENNA整流器逐波限流保护的方法和装置，在有效保护主功率电路中的开关管不受过流损坏的同时，保持输入电流连续变化。

本发明采用的技术方案是，所述VIENNA整流器逐波限流保护的方法，包括：

当主功率电路的三相输入电流在一个开关周期内超过过流保护阈值电流并达到一定时间时，停止驱动主功率电路的开关管；

当主功率电路的三相输入电流回落到过流保护阈值电流及以下，且开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定时，重新驱动主功率电路的开关管。

所述一定时间为9～15纳秒。

所述开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定包括：

一个开关周期内的首个所述驱动控制信号的上升沿到最后一个所述驱动控制信号的下降沿之间的持续时间达到10～18纳秒时，表明所述驱动控制信号已在一个开关周期内达到稳定。

本发明还提供一种VIENNA整流器逐波限流保护的装置，包括：驱动使能单元、逐波限流单元和限流比较单元，其中，

限流比较单元，用于根据主功率电路中的三相输入电流产生逐波限流使能信号输出到逐波限流单元；

驱动使能单元，用于根据开关管驱动电路中的开关管驱动控制信号产生逐波驱动使能信号输出到逐波限流单元；

逐波限流单元，用于将根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号对开关管驱动控制信号进行输出控制。

所述限流比较单元包括三个比较器，三相输入电流分别输入到三个比较器的负输入端，过流保护阈值电流输入到三个比较器的正输入端，当所述输入电流超过过流保护阈值电流时，所述比较器输出逐波限流使能信号到逐波限流单元。

所述驱动使能单元包括三个并联的二极管，三个开关管驱动控制信号分别与三个二极管的正极相连，一个开关周期内的首个所述驱动控制信号的上升沿触发一个逐波驱动使能信号，且在最后一个所述驱动控制信号的下降沿触发所述逐波驱动使能信号结束，三个二极管的负极汇成一路，将所述逐波驱动使能信号输出到逐波限流单元。

所述驱动使能单元包括两个级联的或门，两路所述驱动控制信号输入到第一或门的两个输入端，第一或门的两个输出端汇为一路连接到第二或门的一个输入端，剩下的一路所述驱动控制信号输入到第二或门的另一个输入端，最终由第二或门输出逐波驱动使能信号到逐波限流单元。

所述逐波限流单元包括一个D触发器和三个与非门，其中，D触发器的清零端口输入逐波限流使能信号，时钟端口输入逐波驱动使能信号，D端口输入高电平，Q输出端口分别连接三个与非门的一个输入端，三个开关管驱动控制信号分别接入三个与非门的另一个输入端；

当逐波限流使能信号有效且持续第一稳定时间时，D触发器停止输出开关管驱动控制信号；

在逐波限流使能信号无效的情况下，当逐波驱动使能信号有效且持续第二稳定时间时，D触发器重新恢复传递开关管驱动控制信号的功能。

所述第一稳定时间为9～15纳秒，所述第二稳定时间为10～18纳秒。

本发明还提供一种具有所述限流保护装置的开关管驱动电路，开关管驱动电路包括电压采样单元、电流采样单元、智能单元和功率管驱动单元，智能单元依次通过驱动使能单元和逐波限流单元连接到功率管驱动单元，电流采样单元还通过限流比较单元连接到逐波限流单元，其中，

电流采样单元，用于将主功率电路的三相输入电流分别输入到智能单元和限流比较单元；

智能单元，用于根据由电流采样单元输入的所述三相输入电流、由电压采样单元输入的主功率电路的三相输入电压和正负母线电压，向逐波限流单元输出开关管驱动控制信号；

驱动使能单元，用于根据开关管驱动控制信号产生逐波驱动使能信号输出到逐波限流单元；

限流比较单元，用于根据三相输入电流产生逐波限流使能信号输出到逐波限流单元；

逐波限流单元，用于根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号控制向功率管驱动单元输出的开关管驱动控制信号。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明结合目前数字开关电源的发展，提出所述VIENNA整流器逐波限流保护的方法和装置，当主功率电路的三相输入电流在一个开关周期内超过过流保护阈值电流并达到一定时间时，停止驱动主功率电路的开关管；当主功率电路的三相输入电流回落到过流保护阈值电流及以下，且开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定时，重新驱动主功率电路的开关管。由于本发明是根据开关周期内即一个脉冲周期内的三相输入电流对开关管驱动信号进行的调整，在有效保护主功率电路中的开关管不受过流损坏的同时，达到输入电流连续变化的效果。当主功率电路由于故障出现短路时，本发明能够在开关周期内做出反应，保证单脉冲短路电流都在允许范围之内，具有短路保护功能，提高了开关电源及功率器件的可靠性。

附图说明

图1为VIENNA整流器的主功率电路拓扑结构图；

图2为本发明第一实施例所述VIENNA整流器逐波限流保护的装置与主功率电路开关管驱动电路的连接关系示意图；

图3为本发明第一实施例所述VIENNA整流器逐波限流保护的装置组成结构示意图；

图4为逐波驱动使能信号clk与三路开关管驱动控制信号之间的关系示意图；

图5为逐波限流过程示意图；

图6为本发明第二实施例所述VIENNA整流器逐波限流保护的装置中驱动使能单元的组成结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对本发明提出的所述VIENNA整流器逐波限流保护的方法和装置，详细说明如后。

VIENNA整流器的主功率电路拓扑结构如图1所示，其三相输入电流：第一输入电流Ia、第二输入电流Ib和第三输入电流Ic将由电流采样单元采样后输入到智能单元，电压采样单元将采样得到的主功率电路的三相输入电压：第一输入电压Va、第二输入电压Vb和第三输入电压Vc，以及主功率电路的正负母线电压E/2输入到智能单元。

现有的主功率电路开关管驱动电路包括：电压采样单元、电流采样单元、智能单元和功率管驱动单元。电压采样单元可以由采样电阻和集成运算放大器组成，电流采样单元可以由电流霍尔传感器、互感器和取样电阻三者中的任一个以及集成运算放大器、直流偏置电路组成。智能单元通常选用TI公司的TMS320F280x系列的DSC实现。

本发明第一实施例，一种VIENNA整流器逐波限流保护的装置，与现有的主功率电路开关管驱动电路的连接关系如图2所示。本装置包括：驱动使能单元、逐波限流单元和限流比较单元，如图3所示，其中，

1）限流比较单元，与电流采样单元的输出相连，用于根据电流采样单元采集的三相输入电流产生逐波限流使能信号输出到逐波限流单元；

限流比较单元具体包括三个比较器，三相输入电压：Ia、Ib和Ic分别输入到三个比较器的负输入端，过流保护阈值电流与三个比较器的正输入端相连，当三相输入电压中的任意一路超过过流保护阈值电流时，该路比较器输出逐波限流使能信号clr到逐波限流单元。

2）驱动使能单元，与智能单元的输出相连，用于根据智能单元输出的三路开关管驱动控制信号：第一驱动控制信号PWM1、第二驱动控制信号PWM2和第三驱动控制信号PWM3，产生逐波驱动使能信号clk输出到逐波限流单元；

驱动使能单元具体包括三个并联的二极管，三个开关管驱动控制信号分别与三个二极管的正极相连，一个开关周期内的首个开关管驱动控制信号的上升沿触发一个逐波驱动使能信号clk，且在最后一个开关管驱动控制信号的下降沿触发该逐波驱动使能信号clk结束，三个二极管的负极汇成一路，将该逐波驱动使能信号clk输出到逐波限流单元。逐波驱动使能信号clk与三路开关管驱动控制信号之间的关系如图4所示。

3）逐波限流单元，用于将根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号对向功率管驱动单元输出的开关管驱动控制信号进行输出控制。

逐波限流单元包括一个D触发器和三个与非门，其中，D触发器的清零端口CLR输入逐波限流使能信号，时钟端口CLK输入逐波驱动使能信号，D端口输入高电平，Q输出端口分别连接三个与非门的一个输入端，三个与非门的另一个输入端分别连接三个开关管驱动控制信号，与非门的输出端连接到功率管驱动单元；

本实施例中逐波限流单元的工作过程如下：

当逐波限流使能信号clr有效且持续第一稳定时间时，D触发器停止输出开关管驱动控制信号。该第一稳定时间为9～15纳秒，第一稳定时间与D触发器产品的型号参数有关，本实施例中，优选为TI的SN74AH74型号的D触发器，其清零端口CLR的稳定时间为10纳秒。

在逐波限流使能信号clr无效的情况下，当逐波驱动使能信号clk有效且持续第二稳定时间时，D触发器重新恢复向功率管驱动单元传递开关管驱动控制信号的功能。该第二稳定时间为10～18纳秒。

现给出表格描述各个信号的电平状态，若开关管驱动控制信号PWM为0，则开关管驱动信号Q为0；当开关管驱动控制信号PWM为1时，经过逐波限流单元输出开关管驱动信号Q的电平状态如表1所示：

表1逐波限流控制单元输出开关管驱动信号的电平状态

clr	clk	驱动控制信号PWM	驱动信号Q
				0	1	1	0
0	0	1	0
				1	0	1	0
1	1	1	1

由此可知，逐波限流单元输出的开关管驱动信号Q对限制三相输入电流，保护开关管起到了很好的效果，如图5所示，主功率电路中实际采集的三相输入电流在第一个开关周期内没有达到过流保护阈值，逐波限流单元实际输出的开关管驱动信号Q与开关管驱动控制信号PWM相同，在第二个开关周期内，三相输入电流达到过流保护阈值并还有上升的趋势，逐波限流单元经过判断后停止了开关管驱动信号Q的输出，即开关管驱动控制信号PWM与实际输出的开关管驱动信号Q不同了，在第二个开关周期剩下的时间内，三相输入电流逐渐减小。在第三个开关周期开始时，逐波限流单元又判断出三相输入电流已经回落到过流保护阈值以下并稳定时，会重新恢复对开关管驱动控制信号PWM的输出，此时，开关管驱动信号Q即为开关管驱动控制信号PWM，以此类推，本发明能够使主功率电路的开关管得到过流保护，且三相输入电流在过流保护阈值范围内连续变化。

本发明第二实施例，一种VIENNA整流器逐波限流保护的装置，与第一实施例大致相同，区别仅在于，驱动使能单元的组成和连接方式不同。本实施例中，驱动使能单元包括两个级联的或门，如图6所示，第一驱动控制信号PWM1和第二驱动控制信号PWM2输入到第一或门1的两个输入端，第一或门1的两个输出端汇为一路连接到第二或门2的一个输入端，第三驱动控制信号PWM3输入到第二或门2的另一个输入端，最终由第二或门2输出逐波驱动使能信号clk到逐波限流单元。

本发明第三实施例，本实施例是在第一、二实施例的基础上总结的一种VIENNA整流器逐波限流保护的方法，具体包括：

当主功率电路的三相输入电流在一个开关周期内超过过流保护阈值电流并达到一定时间时，停止驱动主功率电路的开关管。该一定时间可以为9～15纳秒。

当主功率电路的三相输入电流回落到过流保护阈值电流及以下，且开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定时，重新驱动主功率电路的开关管。

如图4所示，开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定是指：一个开关周期内的首个所述驱动控制信号的上升沿到最后一个所述驱动控制信号的下降沿之间的持续时间达到10～18纳秒时，表明所述驱动控制信号已在一个开关周期内达到稳定。

本发明第四实施例，一种具有所述限流保护装置的主功率电路开关管驱动电路，如图2所示，主功率电路开关管驱动电路包括电压采样单元、电流采样单元、智能单元和功率管驱动单元，智能单元依次通过驱动使能单元和逐波限流单元连接到功率管驱动单元，电流采样单元还通过限流比较单元连接到逐波限流单元，其中，

电压采样电路，用于采集主功率电路的三相输入电压和正负母线电压输出到智能单元；

电流采样单元，用于将主功率电路的三相输入电流分别输出到智能单元和限流比较单元；

智能单元，用于根据主功率电路的三相输入电流、三相输入电压和正负母线电压向逐波限流单元输出开关管驱动控制信号；

驱动使能单元，用于根据开关管驱动控制信号产生逐波驱动使能信号输出到逐波限流单元；

限流比较单元，用于根据三相输入电流产生逐波限流使能信号输出到逐波限流单元；

逐波限流单元，用于根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号控制向功率管驱动单元输出的开关管驱动控制信号。

功率管驱动单元，用于对开关管驱动控制信号进行放大处理得到开关管驱动信号，输出到主功率电路的开关管驱动端。

下面描述一下第四实施例中所述开关管驱动电路产生开关管驱动控制信号的过程，包括如下具体步骤：

步骤1：将主功率电路三相输入电流i_a、i_b、i_c、三相输入电压v_a、v_b、v_c及正负母线电压E/2经由电流和电压采样电路送至智能单元，智能单元对这些输入变量进行处理、根据相应的控制算法计算出占空比，输出三路开关管驱动控制信号：第一驱动控制信号PWM1、第二驱动控制信号PWM2和第三驱动控制信号PWM3。

在电感电流连续模式时，计算占空比的公式如下：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{2}{3}& -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}\\ -\frac{1}{3}& \frac{2}{3}& -\frac{1}{3}\\ -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}& \frac{2}{3}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}(1-d_a)\·\mathrm{sign}\left(i_a\right)\\ (1-d_b)\·\mathrm{sign}\left(i_b\right)\\ (1-d_c)\·\mathrm{sign}\left(i_c\right)\end{array}\right]=\frac{2}{E}\·\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]$

式中d_a、d_b、d_c为三相整流器各相开关脉冲占空比，sign(i_a)、sign(i_b)、sign(i_c)为整流器三相输入电流方向值，具体取值如下：

步骤2：三相输入电流i_a、i_b、i_c经电流采样单元检测输入至智能单元处理，同时也送至限流比较单元的输入端，与过流保护阈值电流进行比较。若三相输入电流值均未超过过流保护阈值电流，则限流比较单元输出电平为高电平；一旦输入电流超过过流保护阈值电流，则限流比较单元输出低电平，即输出逐波限流使能信号clr有效，逐波限流使能信号clr低电平有效。

步骤3：D触发器的输出由逐波限流使能信号clr和逐波驱动使能信号clk来控制，逐波限流使能信号clr优先级高、逐波驱动使能信号clk优先级低，具体情况请见表1。当D触发器收到逐波限流使能信号clr有效9～15纳秒以上，逐波限流单元封锁该开关周期内所有的开关管驱动信号：第一驱动信号Q1、第二驱动信号Q2和第三驱动信号Q3，否则维持先前的工作状态。此时，智能单元仍计算控制环路的占空比大小、正常输出第一驱动控制信号PWM1、第二驱动控制信号PWM2和第三驱动控制信号PWM3脉冲波，但实际输出的第一驱动信号Q1、第二驱动信号Q2和第三驱动信号Q3由逐波限流单元控制，如图5逐波限流原理所示，在一个开关周期内，当输入电流过流时，实际输出的开关管驱动信号比智能单元输出的开关管驱动控制信号要小甚至可以全部关闭。实际开关管驱动信号Q1～Q3经由功率管驱动单元放大得到驱动电流drv1～drv3，分别连接到图1中的第一开关管驱动端DRV1、第二开关管驱动端DRV2和第三开关管驱动端DRV3，直接控制主功率电路的开关管。

步骤4：检测三相输入电流的大小，比较器若判断任一相输入电流仍大于或等于过流保护阀值，即逐波限流使能信号clr有效，则逐波限流单元继续停止输出该开关周期内的开关管驱动信号；反之，若三相输入电流均恢复正常范围，限流比较单元输出的逐波限流使能信号clr翻转为高电平，无效。

驱动使能电路时刻检测三路开关管驱动控制信号，当三路驱动控制信号的首个上升沿时刻即输出逐波驱动使能信号clk，具体原理如图4所示。若逐波驱动使能信号clk高电平维持10～18纳秒以上，并且逐波限流使能信号clr为高电平状态时，逐波限流单元重新恢复对开关管驱动信号的输出，否则仍然维持先前状态，停止输出该开关周期内的开关管驱动信号。

由于本发明是根据开关周期内即一个脉冲周期内的三相输入电流对开关管驱动信号进行的调整，在有效保护主功率电路中的开关管不受过流损坏的同时，达到输入电流连续变化的效果。当主功率电路由于故障出现短路时，本发明能够在开关周期内做出反应，保证单脉冲短路电流都在允许范围之内，具有短路保护功能，提高了开关电源及功率器件的可靠性。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (5)

1.一种VIENNA整流器逐波限流保护的方法，其特征在于，当主功率电路的三相输入电流在一个开关周期内超过过流保护阈值电流并达到一定时间时，停止驱动主功率电路的开关管；

当主功率电路的三相输入电流回落到过流保护阈值电流及以下，且开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定时，重新驱动主功率电路的开关管；

所述开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定包括：

一个开关周期内的首个所述开关管驱动控制信号的上升沿到最后一个所述开关管驱动控制信号的下降沿之间的持续时间达到10～18纳秒时，表明所述开关管驱动控制信号已在一个开关周期内达到稳定；

所述一定时间为9～15纳秒。

2.一种VIENNA整流器逐波限流保护的装置，其特征在于，包括：驱动使能单元、逐波限流单元和限流比较单元，其中，

限流比较单元，用于根据主功率电路中的三相输入电流产生逐波限流使能信号输出到逐波限流单元；

驱动使能单元，用于根据开关管驱动电路中的开关管驱动控制信号产生逐波驱动使能信号输出到逐波限流单元；

逐波限流单元，用于将根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号对开关管驱动控制信号进行输出控制；

所述驱动使能单元具体包括三个并联的二极管，三个开关管驱动控制信号分别与三个二极管的正极相连，一个开关周期内的首个所述开关管驱动控制信号的上升沿触发一个逐波驱动使能信号，且在最后一个所述开关管驱动控制信号的下降沿触发所述逐波驱动使能信号结束，三个二极管的负极汇成一路，将所述逐波驱动使能信号输出到逐波限流单元；

所述逐波限流单元具体包括一个D触发器和三个与非门，其中，D触发器的清零端口输入逐波限流使能信号，时钟端口输入逐波驱动使能信号，D端口输入高电平，Q输出端口分别连接三个与非门的一个输入端，三个开关管驱动控制信号分别接入三个与非门的另一个输入端；

当逐波限流使能信号有效且持续第一稳定时间时，D触发器停止输出开关管驱动控制信号；

在逐波限流使能信号无效的情况下，当逐波驱动使能信号有效且持续第二稳定时间时，D触发器重新恢复传递开关管驱动控制信号的功能；

所述第一稳定时间为9～15纳秒，所述第二稳定时间为10～18纳秒。

3.根据权利要求2所述逐波限流保护的装置，其特征在于，所述限流比较单元包括三个比较器，三相输入电流分别输入到三个比较器的负输入端，过流保护阈值电流输入到三个比较器的正输入端，当所述输入电流超过过流保护阈值电流时，所述比较器输出逐波限流使能信号到逐波限流单元。

4.根据权利要求2所述逐波限流保护的装置，其特征在于，所述驱动使能单元替换为包括两个级联的或门，两路所述开关管驱动控制信号输入到第一或门的两个输入端，第一或门的两个输出端汇为一路连接到第二或门的一个输入端，剩下的一路所述开关管驱动控制信号输入到第二或门的另一个输入端，最终由第二或门输出逐波驱动使能信号到逐波限流单元。

5.一种具有权利要求3所述限流保护装置的开关管驱动电路，开关管驱动电路包括电压采样单元、电流采样单元、智能单元和功率管驱动单元，其特征在于，智能单元依次通过驱动使能单元和逐波限流单元连接到功率管驱动单元，电流采样单元还通过限流比较单元连接到逐波限流单元，其中，

电流采样单元，用于将主功率电路的三相输入电流分别输入到智能单元和限流比较单元；

智能单元，用于根据由电流采样单元输入的所述三相输入电流、由电压采样单元输入的主功率电路的三相输入电压和正负母线电压，向逐波限流单元输出开关管驱动控制信号；

驱动使能单元，用于根据开关管驱动控制信号产生逐波驱动使能信号输出到逐波限流单元；

限流比较单元，用于根据三相输入电流产生逐波限流使能信号输出到逐波限流单元；

逐波限流单元，用于根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号控制向功率管驱动单元输出的开关管驱动控制信号。