CN102707179B - 一种逆变器故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种逆变器故障检测装置，包括：脉冲信号检测单元，与逆变器的输出端连接，用于检测逆变器的输出端有无高压脉冲信号，并将检测结果输入隔离单元；隔离单元，与脉冲信号检测单元和模拟地连接，用于将电平信号调整单元与逆变器隔离，并将检测结果传入电平信号调整单元；电平信号调整单元，与隔离单元连接，用于根据检测结果调整反映逆变器桥臂信息的电平信息，并将所述电平信息反馈给控制器；控制器，与电平信号调整单元连接，用于根据传入的电平信息判断逆变器是否发生故障。本发明通过检测逆变器输出端有无高压脉冲信号，获取逆变器的桥臂信息，不仅结构简单，成本低，而且抗干扰能力强，灵敏度高。

Description

一种逆变器故障检测装置

技术领域

本发明涉及逆变器故障检测领域，尤其涉及一种逆变器故障检测装置。

背景技术

目前，高频开关电源模块即高频开关电源大量应用于铁路系统，其功率密度高，模块化的特点已被广泛认同。高频开关电源模块的开发主要是基于逆变技术的发展。如图1所示，图1为全桥逆变器的拓扑结构图，图中S1、S2、S3和S4均表示开关元器件如晶体管与二极管并联的结构，V-BUS为母线，C0为母线电容，OUT_L为第一逆变桥输出端，OUT_N为第二逆变桥输出端，PGND为电源地。虽然桥式拓扑和PWM(脉冲宽度调制)逆变技术相对成熟，但为保护高频开关电源模块，往往需要对桥臂的互补情况进行检测即检测逆变器是否发生故障。

传统的逆变器故障检测方法有如下两种：(1)采用分流器检测逆变器故障。在图1中S1与S3之间和S2与S4之间均串联接入一个分流器，通过检测分流器两端的电压来判断逆变器的桥臂电流情况，进而判断逆变器是否发生故障。例如，在逆变器发生桥臂直通或过流时，分流器两端的电压将突然增大，此时说明逆变器发生了故障，系统将发出报警。但是，这种检测方法存在以下不足：一、由于逆变器故障时，流过分流器的电流非常大，分流器需要承受的功率太大；二、为了降低功耗，采用分流器的电阻一般较小，从而分流器两端的电压也就较小，但是小的电压易受到干扰；三、由于分流器串接在逆变器的桥臂中间，从而使得分流器两端的电压信号不能与控制地隔离。(2)采用电流互感器检测逆变器故障。在图1中S1与S3之间和S2与S4之间均串联接入一个电流互感器，电流互感器二次侧接入电阻形成电压信号，通过检测该电阻两端的电压信号来判断逆变器是否发生故障。与采用分流器检测逆变器故障的方法相比，通过电流互感器实现了控制电流与强电的隔离，而且使用电流传输方式，降低了干扰，但此方法也有一定的缺陷：一、电流互感器的电路特性比分流器复杂的多，实现过程复杂，而且成本高；二、当逆变器发生桥臂直通时，电流将从母线V-BUS的正极直接流入负极，此时的电流不是高频电流，而是直流电流，为了使电流互感器能够正常工作，则电流互感中的磁性元件就要求非常大，这么大的磁性元件将很大程度上增加逆变器的主回路面积，由此会引发一系列的问题，例如逆变器的损耗增大、毛刺增大及逆变器电压的总谐波失真(THD)高等问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种逆变器故障检测装置,其能够迅速检测出逆变器是否发生故障，且结构简单，成本低。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种逆变器故障检测装置，包括：脉冲信号检测单元、隔离单元、电平信号调整单元及控制器；

所述脉冲信号检测单元与逆变器的输出端连接，用于检测逆变器的输出端有无高压脉冲信号，并将检测结果输入隔离单元；

所述隔离单元与脉冲信号检测单元和模拟地连接，用于将电平信号调整单元与逆变器隔离，并将所述检测结果传入电平信号调整单元；

所述电平信号调整单元与隔离单元连接，用于根据所述检测结果调整反映逆变器桥臂信息的电平信息，并将所述电平信息反馈给控制器；

所述控制器与电平信号调整单元连接，用于根据传入的电平信息判断逆变器是否发生故障。

特别地，所述脉冲信号检测单元包括：第一电容、第一二极管、第二二极管、第二电容、第一电阻、第二电阻及第三电阻；

其中，第二电阻串接在逆变器的第一逆变桥输出端和第一电容之间，第一电容的一端与第二电阻的一端连接，另一端与第一二极管的一端和第二二极管的一端连接，第三电阻的一端与第一电阻的一端连接，另一端与第二电容的一端和第一二极管的另一端连接，第一电阻的另一端与第二电容的另一端、第二二极管的另一端以及逆变器的第二逆变桥输出端连接。

特别地，所述电平信号调整单元包括：

上拉电路，与隔离单元和故障信号给定端连接，用于在脉冲信号检测单元检测出逆变器的输出端没有高压脉冲信号时，将故障信号给定端的电平拉高为高电平；

故障信号给定端，与隔离单元和控制器连接，用于将其自身的电平信息输入控制器。

特别地，所述上拉电路包括上拉电压输入端和上拉电阻，其中，所述上拉电阻的一端与上拉电压输入端连接，另一端与隔离单元和故障信号给定端连接。

特别地，所述隔离单元为光电耦合器；在逆变器的输出端有高压脉冲信号时，第二电容的两端积聚电压，光电耦合器被所述电压击穿，故障信号给定端的电平变为低电平，控制器检测到此低电平时，判断逆变器没有发生故障；当逆变器的输出端没有高压脉冲信号时，光电耦合器不能被击穿，故障信号给定端的电平被上拉电路拉升为高电平，控制器检测到此高电平时，判断逆变器发生了故障。

特别地，所述控制器还用于

在判断出逆变器发生故障时，发出故障报警信号，与此同时，关闭逆变器各桥臂开关管的驱动电压。

本发明的有益效果：(1)抗干扰能力强。脉冲信号检测单元的检测信号为高压脉冲信号，不易受到干扰。(2)结构简单，成本低。逆变器故障检测装置由电阻、光电耦合器以及几个二极管组成，占用印制电路板(PCB)较少，不影响逆变器的主回路面积，而且整个逆变器只使用一个逆变器故障检测装置，成本低。(3)功耗小，不影响整个高频开关电源模块的工作效率。(4)通过隔离单元实现了检测电路与主电路的隔离，简单，可靠。(5)反应灵敏，检测效率高。在控制器判断逆变器发生故障时，能够在最短时间内关闭逆变器各桥臂开关管的驱动电压，避免故障扩大。

附图说明

图1为全桥逆变器的拓扑结构图；

图2为本发明实施例提供的逆变器故障检测装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本实施例中逆变器故障检测装置包括：脉冲信号检测单元201、隔离单元202、电平信号调整单元203及控制器204。

所述脉冲信号检测单元201与逆变器的输出端连接，用于检测逆变器的输出端有无高压脉冲信号，并将检测结果输入隔离单元202。

所述隔离单元202与脉冲信号检测单元201和模拟地AGND连接，用于将电平信号调整单元203与逆变器隔离，并将所述检测结果传入电平信号调整单元203。

所述电平信号调整单元203与隔离单元202连接，用于根据所述检测结果调整反映逆变器桥臂信息的电平信息，并将所述电平信息反馈给控制器204。电平信息也即电平的高低，电平的高低直接反映了桥臂的工作状况。

所述控制器204与电平信号调整单元203连接，用于根据传入的电平信息判断逆变器是否发生故障，并在判断出逆变器发生故障时，发出故障报警信号，与此同时，关闭逆变器的各桥臂开关管的驱动电压。

同时参照图1所示，逆变器的输出端包括第一逆变桥输出端OUT_L和第二逆变桥输出端OUT_N。

本实施例中脉冲信号检测单元201包括：第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3。

其中，第二电阻R2串接在第一逆变桥输出端OUT_L和第一电容C1之间，第一电容C1的一端与第二电阻R2的一端连接，另一端与第一二极管D1的一端和第二二极管D2的一端连接，第三电阻R3的一端与隔离单元202和第一电阻R1的一端连接，另一端与第二电容C2的一端和第一二极管D1的另一端连接，第一电阻R1的另一端与第二电容C2的另一端、第二二极管D2的另一端、隔离单元202以及逆变器的第二逆变桥输出端OUT_N连接。

隔离单元202可以选用光电耦合器U1、隔离变压器以及继电器等隔离元件。本实施例中隔离单元202选用光电耦合器U1。光电耦合器U1的一次侧设置有第一输入端和第二输入端，二次侧设置有第一输出端和第二输出端，其中，第一输入端与第一电阻R1的一端和第三电阻R3的一端的连接，第二输入端与第一电阻R1的另一端、第二逆变桥输出端OUT_N、第二电容C2的一端及第二二极管D2的一端连接；第一输出端与电平信号调整单元203连接，第二输出端与模拟地AGND连接。

本实施例中的电平信号调整单元203由上拉电路和故障信号给定端IO_FAIL组成。其中，上拉电路包括上拉电压输入端VIN和上拉电阻R4，所述上拉电阻R4的一端与上拉电压输入端VIN连接，另一端与光电耦合器U1的第一输出端和故障信号给定端IO_FAIL连接。在工作时，上拉电路用于在脉冲信号检测单元201检测出逆变器的输出端没有高压脉冲信号时，将故障信号给定端IO_FAIL的电平拉高为高电平。故障信号给定端IO_FAIL与光电耦合器U1的第一输出端和控制器204连接，用于将其自身的电平信息输入控制器204。

该逆变器故障检测装置的具体工作过程如下：逆变器在没有发生故障(如桥臂直通或发生过流等)时，逆变器的输出端将有高压脉冲信号输出，此时，第二电容C2的两端将开始电压积聚，随着积聚的电压值越来越大，光电耦合器U1被击穿，由于故障信号给定端IO_FAIL通过光电耦合器U1与模拟地AGND连接，所以当光电耦合器U1被击穿时，故障信号给定端IO_FAIL的电平变将变为低电平，控制器204检测到此低电平时，判断逆变器没有发生故障。逆变器在发生故障时，例如发生桥臂直通或过流，逆变器的输出端的高压脉冲信号将消失，第二电容C2的两端不能积聚电压，所以光电耦合器U1不能被击穿，此时，上拉电路开始工作，上拉电压输入端VIN通过上拉电阻R4将3.3V的电压输入故障信号给定端IO_FAIL，故障信号给定端IO_FAIL的电平拉升为高电平，控制器204检测到此高电平时，判断逆变器发生了故障，同时，发出故障报警信号，并立即关闭逆变器的各桥臂开关管的驱动电压。

需要说明说的是，上拉电压输入端VIN输入的3.3V的电压值是根据控制器204的高电平值设定的，当控制器204的高电平值变化时，上拉电压输入端VIN输入的电压也随之变化。为了便于控制器204检测使用，在逆变器正常工作时，故障信号给定端IO_FAIL给出的是低电平保护信号，但本发明并不局限于此，该保护信号可以是任何具有跳变的电平或模拟信号。对该逆变器故障检测装置进行改造后，还可以用于驱动部分的检测，检测驱动有无死区。

本发明通过检测逆变器输出端有无高压脉冲信号，获取逆变器的桥臂信息，判断逆变器是否发生故障，而且在控制器判断逆变器发生故障时，能够在最短时间内关闭逆变器的各桥臂开关管的驱动电压，避免故障扩大，不仅抗干扰能力强，反应灵敏，而且结构简单，成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种逆变器故障检测装置，其特征在于，包括：脉冲信号检测单元、隔离单元、电平信号调整单元及控制器；

所述脉冲信号检测单元与逆变器的输出端连接，用于检测逆变器的输出端有无高压脉冲信号，并将检测结果输入隔离单元；其中，所述脉冲信号检测单元包括：第一电容、第一二极管、第二二极管、第二电容、第一电阻、第二电阻及第三电阻；第二电阻串接在逆变器的第一逆变桥输出端和第一电容之间，第一电容的一端与第二电阻的一端连接，另一端与第一二极管的一端和第二二极管的一端连接，第三电阻的一端与第一电阻的一端连接，另一端与第二电容的一端和第一二极管的另一端连接，第一电阻的另一端与第二电容的另一端、第二二极管的另一端以及逆变器的第二逆变桥输出端连接；

所述隔离单元与脉冲信号检测单元和模拟地连接，用于将电平信号调整单元与逆变器隔离，并将所述检测结果传入电平信号调整单元；

所述电平信号调整单元与隔离单元连接，用于根据所述检测结果调整反映逆变器桥臂信息的电平信息，并将所述电平信息反馈给控制器；

所述控制器与电平信号调整单元连接，用于根据传入的电平信息判断逆变器是否发生故障；

所述电平信号调整单元包括：

上拉电路，与隔离单元和故障信号给定端连接，用于在脉冲信号检测单元检测出逆变器的输出端没有高压脉冲信号时，将故障信号给定端的电平拉高为高电平；

故障信号给定端，与隔离单元和控制器连接，用于将其自身的电平信息输入控制器。

2.根据权利要求1所述的逆变器故障检测装置，其特征在于，所述上拉电路包括上拉电压输入端和上拉电阻，其中，所述上拉电阻的一端与上拉电压输入端连接，另一端与隔离单元和故障信号给定端连接。

3.根据权利要求2所述的逆变器故障检测装置，其特征在于，所述隔离单元为光电耦合器；在逆变器的输出端有高压脉冲信号时，第二电容的两端积聚电压，光电耦合器被所述电压击穿，故障信号给定端的电平变为低电平，控制器检测到此低电平时，判断逆变器没有发生故障；当逆变器的输出端没有高压脉冲信号时，光电耦合器不能被击穿，故障信号给定端的电平被上拉电路拉升为高电平，控制器检测到此高电平时，判断逆变器发生了故障。

4.根据权利要求3所述的逆变器故障检测装置，其特征在于，所述控制器还用于

在判断出逆变器发生故障时，发出故障报警信号，与此同时，关闭逆变器各桥臂开关管的驱动电压。