CN102354958A - 一种软硬件结合保护逆变器功率开关管的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种软硬件结合保护逆变器功率开关管的装置及其方法。保护装置包括过流检测电路和控制电路。过流检测电路对功率开关管进行硬件保护，若在一个驱动脉冲时间内检测到功率开关管过流则快速地关断功率开关管，同时向控制电路发送一个计数信号；控制电路对功率管进行软件保护，控制电路接收过流检测电路发送的计数信号，以记录下硬件保护的次数，并根据负载比率、功率开关管温度以及硬件保护的时间间隔来决定是否停止逆变器的运行。所述方法基于上述装置实现对逆变器功率开关管的保护。本发明能灵敏有效地防止功率开关管短路损坏、避免了误检测，还能保护功率开关管在负载受到周期性的大电流冲击时过热损坏、增加功率管的使用寿命。

Description

一种软硬件结合保护逆变器功率开关管的装置及其方法

技术领域

本发明属于逆变器领域，具体涉及一种保护逆变器功率开关管的装置及其方法。

背景技术

逆变器将直流电能转换为交流电能供给负载，在许多领域得到了广泛的应用。逆变器中设置有保护装置，当检测到逆变器工作异常时进行处理以避免逆变器损坏。功率开关管是逆变器中的关键元件，也是保护装置的主要保护对象。

目前，对功率开关管的保护主要是硬件电路保护。一种方法是检测到功率开关管过流后就彻底关闭逆变电路，这种方法能有效地保护住功率开关管，但容易出现误保护。特别是感性负载在启动的过程中会出现瞬时大电流，保护电路彻底关闭逆变电路，逆变器将无法启动感性负载。

还有一种方法采用逐脉冲的方式对功率开关管进行保护，即在功率开关管的一个驱动脉冲时间内如果检测到功率开关管过流，则在这个脉冲时间内关闭功率开关管；若过流的现象消失。则在下个脉冲时间开始时重新打开功率开关管。逐脉冲的保护方式反应灵敏，也不容易出现误保护，但是功率开关管有过热损坏的风险。因为保护电路从检测到功率开关管过流到关闭功率开关管有一段时间差，在这段时间内功率开关管会产生多余的热量。当逆变器受到现周期性的密集的大电流冲击时，功率开关管将可能因多余热量不断积累而过热损坏。此外，逆变器长时间工作在这种状态会使功率开关管的寿命大大缩短。

发明内容

为了解决现有技术中逆变器功率开关管保护所出现的误保护、过热损坏的问题，本发明提出一种软硬件结合保护逆变器功率开关管的装置及其方法。

过流检测电路对功率开关管进行硬件保护。在一个驱动脉冲时间内，过流检测电路对全桥逆变电路中的功率开关管进行过流检测，当检测到功率开关管过流后，则向驱动电路发送瞬时停止信号，使功率管在这个驱动脉冲时间内关闭，同时向控制电路发送一个计数信号。若过流现象消失，则在下个驱动脉冲时间开始时重新打开功率开关管。所述的驱动脉冲时间是指驱动电路产生的驱动脉冲的周期时间。

控制电路对功率管进行软件保护。控制电路具有计数器，对过流检测电路发送的计数信号进行计数，以记录下硬件保护的次数；控制电路具有计时器，记录下最近相邻两次硬件保护的时间间隔；此外，控制电路还检测逆变器负载比率和功率开关管的温度，所述的逆变器负载比率是指逆变器实际负载和额定负载的比值。控制电路在各驱动脉冲时间内进行如下步骤：

步骤1、开始本次驱动脉冲时间内的处理；

步骤2、判断是否检测到过流检测电路发送的计数信号，如果是进入步骤3，否则进入步骤10；

步骤3、根据功率开关管的温度来调整负载比率阈值T1、硬件保护次数阈值T2和时间间隔阈值T3，然后进入步骤4；

步骤4、判断负载比率是否大于T1，如果是则进入步骤5，否则进入步骤10；

步骤5、将控制电路所记录的硬件保护次数加1，然后进入步骤6；

步骤6、判断硬件保护次数是否大于T2，如果是则进入步骤7，否则进入步骤10；

步骤7、判断两次硬件保护的时间间隔是否小于T3，如果是则进入步骤9，否则进入步骤8；

步骤8、将硬件保护次数清零，然后进入步骤10；

步骤9、向驱动电路发送终止信号以彻底关闭逆变器装置，然后进入步骤10。

步骤10、结束本次驱动脉冲时间内的处理。

本发明的优点与积极效果在于：本发明采用软硬件相结合的技术手段对功率开关管进行保护，既能灵敏有效地防止功率开关管短路损坏、避免了误检测，又能保护功率开关管在负载受到周期性的大电流冲击时过热损坏、增加了功率管的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的逆变器装置的方框原理图；

图2是本发明保护装置的具体实施电路原理图；

图3是本发明的控制电路的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的逆变器装置的方框原理图，本发明的逆变器装置包括推挽升压电路102、全桥逆变电路103、驱动电路105、过流检测电路106和控制电路107。推挽升压电路102将蓄电池101的低压直流电压升压到高压直流电压(High-Voltage Direct Current，简称HVDC)，全桥逆变电路103将高压直流电压HVDC逆变为标准频率、标准幅值的交流电压提供给负载104。图中的虚线框内的装置为本发明设置的保护控制装置，包括驱动电路105，过流检测电路106和控制电路107。驱动电路105产生PWM(Pulse Width Modulation，中文名称脉冲宽度调制)驱动信号输出提供给全桥逆变电路103，控制全桥逆变电路103中的功率开关管的开关。在一个脉冲时间内，过流检测电路106对全桥逆变电路103中的功率开关管进行过流检测，当检测到功率开关管过流后，则向驱动电路105发送瞬时停止信号，使驱动电路105控制全桥逆变电路103中的功率开关管在这个脉冲时间内关闭，并且过流检测电路106还向控制电路107发送一个计数信号。控制电路107设置有计数器对接收到的计数脉冲信号进行计数，以记录下硬件保护的次数。控制电路107具有计时器，记录下硬件保护的时间间隔；此外，控制电路107还检测逆变器负载比率(逆变器实际负载和额定负载的比值)和功率开关管的温度。当满足条件时，控制电路107向驱动电路105发送终止信号，彻底关闭逆变器的工作。

图2是一种具体实现本发明设置的保护控制装置部分的电路原理图。控制电路105采用型号为TMS320F28016的DSP芯片实现。型号为IR2114的芯片集成了过流检测电路106和驱动电路105。图2中画出了全桥逆变电路3的一个桥臂，包括两个功率开关管Q1和Q2。IR2114芯片的DSH管脚通过二极管D1与上桥臂功率开关管Q1的集电极相连，检测Q1是否过流，IR2114芯片的DSL管脚通过二极管D2与下桥臂功率开关管Q2的集电极相连，检测Q2是否过流。IR2114芯片的HO管脚和LO管脚分别产生PWM驱动信号输出给Q1和Q2，LO管脚串联电阻R2并与功率开关管Q2的基极相连，管脚SSDL串联电阻R1并与Q2的基极相连，HO管脚串联电阻R4并与功率开关管Q1的基极相连，管脚SSDH串联电阻R3并与Q1的基极相连。下面以Q1为例对工作原理进行说明。在一个驱动脉冲周期内，当IR2114通过DSH管脚检测到Q1过流后，IR2114通过管脚SSDH将Q1软关断，同时IR2114通过管脚FLT产生一个脉冲计数信号提供给DSP芯片TMS320F28016，在下个驱动周期如果没有检测到Q1过流则IR2114恢复正常工作。TMS320F28016芯片通过HIN、LIN管脚为IR2114芯片提供SPWM(SinusoidalPWM，中文名称正弦脉宽调制)驱动控制信号。TMS320F28016通过FLT管脚对IR2114发送的计数信号进行计数。通过管脚SD向IR2114芯片发送终止信号，以彻底关闭逆变器的工作。管脚ADC0、管脚ADC1为TMS320F28016的模拟数字转换器(简称ADC)的输入口。管脚ADC0与负载检测电路的输出相连，以检测逆变器的负载比率。管脚ADC1与温度检测电路相连，以检测功率开关管的温度。

图3是本发明的控制电路对逆变器进行软件保护的方法流程图。控制电路在各驱动脉冲时间内进行如下步骤：

步骤1、开始本次驱动脉冲时间内的处理；

步骤2、判断是否检测到过流检测电路发送的计数信号，如果是进入步骤3，否则进入步骤10；

步骤3、根据功率开关管的温度来调整负载比率阈值T1、硬件保护次数阈值T2和时间间隔阈值T3，然后进入步骤4；

步骤4、判断负载比率是否大于T1，如果是则进入步骤5，否则进入步骤10；

步骤5、将控制电路所记录的硬件保护次数加1，然后进入步骤6；

步骤6、判断硬件保护次数是否大于T2，如果是则进入步骤7，否则进入步骤10；

步骤7、判断两次硬件保护的时间间隔是否小于T3，如果是则进入步骤9，否则进入步骤8；

步骤8、将硬件保护次数清零，然后进入步骤10；

步骤9、向驱动电路发送终止信号以彻底关闭逆变器装置，然后进入步骤10。

步骤10、结束本次脉冲时间内的处理。

控制器107根据功率开关管的温度(TEMP)对所述阈值进行分段调整，即将功率开关管的温度分成若干个温度段，每一个温度段设定相应的负载比率阈值T1、硬件保护次数阈值T2和时间间隔阈值T3。T1、T2随温度的增加而减小，T3随温度的增加而增加，具体参数的设定和应用场合相关，需要试验确定。下面给出几个优选实施例。其中，T2的单位为毫安，T3的单位为秒。

针对小功率的逆变器，T1和T2的值可相应调大，T3的值调小。例如额定功率为300W的逆变器，有实施例1如下：

TEMP＞90°，关闭功率管，逆变器停止工作；

70°≤TEMP＜90°，T1＝0.2，T2＝10，T3＝2s；

50°≤TEMP＜70°，T1＝0.2，T2＝15，T3＝1.5s；

30°≤TEMP＜50°，T1＝0.3，T2＝20，T3＝1s；

10°≤TEMP＜30°，T1＝0.3，T2＝25，T3＝1s；

TEMP＜10°，T1＝0.3，T2＝30，T3＝0.5s。

针对大功率的逆变器，T1和T2的值可相应调小，T3的值调大。例如额定功率为2000W的逆变器，有实施例1如下：

TEMP＞90°，关闭功率管，逆变器停止工作；

70°≤TEMP＜90°，T1＝0.05，T2＝5，T3＝5s；

50°≤TEMP＜70°，T1＝0.05，T2＝5，T3＝5s；

30°≤TEMP＜50°，T1＝0.1，T2＝10，T3＝4s；

10°≤TEMP＜30°，T1＝0.15，T2＝15，T3＝3s；

TEMP＜10°，T1＝0.15，T2＝20，T3＝2s。

针对中功率的逆变器，如额定功率为600W的逆变器，有实施例1如下：

TEMP＞90°，关闭功率管，逆变器停止工作；

70°≤TEMP＜90°，T1＝0.1，T2＝10，T3＝3s；

50°≤TEMP＜70°，T1＝0.1，T2＝15，T3＝2s；

30°≤TEMP＜50°，T1＝0.15，T2＝15，T3＝1s；

10°≤TEMP＜30°，T1＝0.6，T2＝15，T3＝1s；

TEMP＜10°，T1＝0.6，T2＝15，T3＝1s。

本发明的上述实例可以变动。例如，控制电路107除了用DSP实现外，还可以用单片机实现，也还可以用计数器、计时器加上简单的逻辑电路实现。过流检测电路106和驱动电路105可以用分立式的元件实现，也可以方便地用集成电路实现。

Claims (5)

1.一种软硬件结合保护逆变器功率开关管的装置，其特征在于，具有对功率开关管进行硬件保护的过流检测电路，在一个驱动脉冲时间内如果检测到功率开关管过流则通过驱动电路快速地关断功率开关管但不停止逆变器的运行，同时向控制电路发送一个计数脉冲信号；具有对功率管进行软件保护的控制电路，控制电路接收过流检测电路发送的计数脉冲信号，以记录下硬件保护的次数，并根据负载比率、功率开关管温度以及硬件保护的时间间隔来决定是否停止逆变器的运行。

2.根据权利要求1所述的一种软硬件结合保护逆变器功率开关管的装置，其特征在于，所述的控制电路中设置有用于记录硬件保护次数的计数器，以及记录最近相邻两次硬件保护时间间隔的计时器，在一个驱动脉冲时间内若接收到计数脉冲信号，检测逆变器负载比率，在逆变器负载比率大于负载比率阈值T1时，将计数器的值加1，检测所述的计数器的值是否大于硬件保护次数阈值T2且所述的计时器记录的时间小于时间间隔阈值T3，若是，控制电路向驱动电路发送终止信号，彻底关闭逆变器；当所述的计时器记录的时间大于等于时间间隔阈值T3时，将所述的计数器的值清零；所述的负载比率阈值T1、硬件保护次数阈值T2和时间间隔阈值T3根据功率开关管的温度TEMP来调整。

3.根据权利要求1所述的一种具有软硬件功率开关管保护的逆变器装置，其特征在于，所述的控制电路采用型号为TMS320F28016的DSP芯片实现，所述的过流检测电路和驱动电路采用型号为IR2114的芯片实现；IR2114芯片的管脚FLT、管脚HIN、管脚LIN和管脚SD分别与芯片TMS320F28016中对应的FLT管脚、管脚HIN、管脚LIN和管脚SD连接；IR2114芯片中：管脚FLT用于产生脉冲计数信号，DSH管脚通过二极管D1与全桥逆变电路中的上桥臂功率开关管Q1的集电极相连，检测Q1是否过流，DSL管脚通过二极管D2与全桥逆变电路中的下桥臂功率开关管Q2的集电极相连，检测Q2是否过流，SSDL管脚串联电阻R1并与Q2的基极相连，LO管脚串联电阻R2并与功率开关管Q2的基极相连，SSDH管脚串联电阻R3并与Q1的基极相连，HO管脚串联电阻R4并与功率开关管Q1的基极相连，HO管脚和LO管脚分别产生PWM驱动信号；芯片TMS320F28016中：ADC0管脚与负载电流检测电路的输出相连以检测逆变器的负载电流，ADC1管脚与温度检测电路相连以检测逆变器的温度，HIN、LIN管脚为IR2114芯片提供SPWM驱动控制信号，SD管脚向IR2114芯片发送彻底关闭逆变器工作的终止信号。

4.一种基于权利要求1所述的软硬件结合保护逆变器功率开关管的装置的保护方法，其特征在于，控制电路在每个驱动脉冲时间内，进行下面步骤：

步骤1、开始本次驱动脉冲时间内的处理；

步骤2、判断是否检测到过流检测电路发送的计数脉冲，如果是进入步骤3，否则进入步骤10；

步骤3、根据功率开关管的温度TEMP来调整负载比率阈值T1、硬件保护次数阈值T2和时间间隔阈值T3，然后进入步骤4；

步骤4、判断负载比率是否大于T1，如果是则进入步骤5，否则进入步骤10；

步骤5、将控制电路所记录的硬件保护次数加1，然后进入步骤6；

步骤6、判断硬件保护次数是否大于T2，如果是则进入步骤7，否则进入步骤10；

步骤7、判断两次硬件保护的时间间隔是否小于T3，如果是则进入步骤9，否则进入步骤8；

步骤8、将硬件保护次数清零，然后进入步骤10；

步骤9、向驱动电路发送终止信号以彻底关闭逆变器装置，然后进入步骤10；

步骤10、结束本次驱动脉冲时间内的处理。

5.根据权利要求4所述的一种软硬件结合保护逆变器功率开关管的保护方法，其特征在于，所述的步骤3具体是，控制电路将功率开关管的温度分成六个温度段，每一个温度段设定相应的负载比率阈值T1、硬件保护次数阈值T2和时间间隔阈值T3。

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