CN103701099A - 低成本逆变输出短路保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本逆变输出短路保护电路主要由Vce电压信号提取电路、信号比较电路、功率管驱动电路和处理器组成，Vce电压信号提取电路将逆变器中IGBT或MOSFET的源级和漏极之间产生的电压差Vce的信息传送给信号比较电路，信号比较电路，用以将电压Vce与设定电压Vth进行比较：当Vce＞Vth时，信号比较电路输出的电平翻转，将电平翻转信息传送给所述功率管驱动电路，功率管驱动电路立即封锁驱动信号，与此同时，将电平翻转信息作为过流信号传送给处理器，处理器接到该信号后，立即关断信号源；由于采用上述的逆变输出短路保护电路，其成本不到专用驱动芯片或霍尔传感器检测方案的30%，应用前景非常广阔。

Description

低成本逆变输出短路保护电路
技术领域
本发明涉及一种逆变器，具体是一种逆变输出短路保护电路。
背景技术
国家知识产权局于2007年4月25日公开了公开号为CN1954470，专利名称为逆变器桥短路保护方案的专利，逆变器桥短路保护方案具有三支路的三相多电平逆变器桥，每个支路提供三相输出中的一相，用于驱动电感负载，所述三相多电平逆变器桥具有“L”个母线电压电平(L≥3)，其中所述L个电平中的两个是最小负极母线电压和最大正极母线电压，任何中间母线电压电平与其它母线电压电平的差分是所述最大正极母线电压和所述最小负极母线电压之差再除以(L-1)，每个支路包括两个半支路：第一半支路和第二半支路，所述第一半支路包含(L-1)个串联连接在所述最大正极母线电压和所述相输出之间的开关，所述第二半支路包含(L-1)个串联连接在所述最小负极母线电压和所述相输出之间的开关，每个半支路包含：所述(L-1)个开关的最外侧开关，其就是连接到所述最大正极母线电压或所述最小负极母线电压的开关；所述(L-1)个开关的最内侧开关，其就是连接到所述相输出的开关；以及如果L＞3，则包含所述(L-1)个开关的(L-3)个中间开关，其串联连接在所述最内侧开关和所述最外侧开关之间，其中：每一个的所述(L-1)个开关都具有跨导，并且其被配置以通过控制信号来驱动，和每个最外侧开关具有的跨导低于同一半支路的所述最内侧开关的跨导，以及如果L＞3，半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其不大于对着所述相输出连接的串联的下一个内侧开关的跨导，并且不小于对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的串联的下一个外侧开关的跨导。上述技术方案与本专利存在实质的区别。
   在光伏发电、风光互补发电、家用储能系统及通信电源等各种发电方式中，需要将直流电逆变成交流电。逆变输出过流及短路保护技术经过多年的发展，也日臻完善，尤其是短路保护，通常采用硬件封锁驱动，同时软件关断SPWM信号来实现。
目前一些主流的驱动IC集成了功率器件短路保护功能，其原理也是检测Vce压降，与参考电压比较，过流时封锁驱动信号。另外一种方案就是在逆变输出侧加霍尔电流传感器检测电流，通过信号处理电路转化为电压信号，然后与参考值比较，当发生短路时，封锁驱动信号。专用驱动芯片一般成本较高，逆变输出侧增加霍尔电流传感器方案除了成本较高外，还有因电流突增导致输出饱和的情况发生，会偶发失效情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本逆变输出短路保护电路。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
低成本逆变输出短路保护电路主要由Vce电压信号提取电路、信号比较电路、功率管驱动电路和处理器组成，所述Vce电压信号提取电路将逆变器中IGBT或MOSFET的源级和漏极之间产生的电压差Vce的信息传送给信号比较电路，信号比较电路，用以将电压Vce与设定电压Vth进行比较：当Vce＞Vth时，信号比较电路输出的电平翻转，将电平翻转信息传送给所述功率管驱动电路，功率管驱动电路立即封锁驱动信号，与此同时，将电平翻转信息作为过流信号传送给处理器，处理器接到该信号后，立即关断信号源；当Vce≤Vth，信号比较电路输出的电平不翻转。
所述Vce电压信号提取电路是由电阻和二极管构成，所述IGBT或MOSFET的栅级串接所述电阻后与IGBT或MOSFET的漏极串接所述二极管后电连接。
所述信号比较电路主要由LM339比较器U5A、LM339比较器U5B、LM339比较器U5C和LM339比较器U5D构成，LM339比较器U5A和LM339比较器U5B的负极输入端与Vce电压信号提取电路电连接，LM339比较器U5A和LM339比较器U5B的输出端通过电阻与LM339比较器U5C正极输入端电连接，所述LM339比较器U5C的输出端与LM339比较器U5D的负极输入端电连接，所述LM339比较器U5C的负极输入端与LM339比较器U5D的正极输入端电连接，所述LM339比较器U5D的输出端分别与功率管驱动电路和处理器电连接。
所述处理器采用DSP处理器或MCU处理器。
所述逆变器为全桥式逆变器或半桥式逆变器。
    本发明的有益效果：由于采用上述的逆变输出短路保护电路，其成本不到专用驱动芯片或霍尔传感器检测方案的30%，应用前景非常广阔。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明的电原理框图；
图2为本发明的电原理图。
图中：1、Vce电压信号提取电路；2、信号比较电路；3、功率管驱动电路；4、处理器；5、逆变器。
具体实施方式
如图1、2所示，低成本逆变输出短路保护电路主要由Vce电压信号提取电路1、信号比较电路2、功率管驱动电路3和处理器4组成，所述Vce电压信号提取电路1将逆变器中IGBT或MOSFET的源级和漏极之间产生的电压差Vce的信息传送给信号比较电路2，信号比较电路2，用以将电压Vce与设定电压Vth进行比较：当Vce＞Vth时，信号比较电路输出的电平翻转，将电平翻转信息传送给所述功率管驱动电路3，功率管驱动电路3立即封锁驱动信号，与此同时，将电平翻转信息作为过流信号传送给处理器4，处理器4接到该信号后，立即关断信号源；当Vce≤Vth，信号比较电路输出的电平不翻转。所述处理器4采用DSP处理器或MCU处理器。所述逆变器5为全桥式逆变器或半桥式逆变器。
本发明最核心的地方以Q3功率管为例说明：Q3功率管的Vce电压信号提取电路由D9和R30组成，所述Q3功率管的栅级串接所述电阻后与IGBT或MOSFET的漏极串接所述二极管后电连接，本电路能正常工作的关键是，BUS（-）与比较器供电必须共地。
所述信号比较电路主要由LM339比较器U5A、LM339比较器U5B、LM339比较器U5C和LM339比较器U5D构成，LM339比较器U5A和LM339比较器U5B的负极输入端与Vce电压信号提取电路电连接，LM339比较器U5A和LM339比较器U5B的输出端通过电阻与LM339比较器U5C正极输入端电连接，所述LM339比较器U5C的输出端与LM339比较器U5D的负极输入端电连接，所述LM339比较器U5C的负极输入端与LM339比较器U5D的正极输入端电连接，所述LM339比较器U5D的输出端分别与功率管驱动电路和处理器电连接。
    假设图1中负载短路瞬间，电流通过下桥臂功率管Q3，此时Q3管Vce电压突增，U5A第4脚电压随之突增，U＞Uth，U5A第2脚输出-12V，送至U5C的第9脚，与GND电平比较，U5C第14脚继续输出-12V，经过U5D反相后，输出高电平12V，一路送到功率管驱动电路封锁信号，另一路经过分压后，送到DSP处理器或MCU处理器，当DSP处理器或MCU处理器接收到高电平信号时，立即关断信号源。从发生短路到完全关断，时间约在220us左右。
    过流保护电压Vth计算标准如下：以额定输出为220V/3000W的逆变器为例，
 额定输出电流Irms=3000÷220=13.6A；
 额定峰值电流Ip=13.6×1.414=19.2A；
 通常，为了保证逆变器有足够的带载能力，一般要求电流峰值系数＞3，Uth最小值=19.2×3=57.7A，Uth可设定为60A。
   查询Ic-Vce曲线，可知60A时，对应的Vce约为2.0V；
设U5A第4脚电压为U，则U= Vce+VF，VF为二极管D9的导通压降。VF值一般在0.6V左右。
     由上述公式Uth=Vce+VF=2.0+0.6=2.6V。
 
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种低成本逆变输出短路保护电路，其特征在于：它主要由Vce电压信号提取电路、信号比较电路、功率管驱动电路和处理器组成，所述Vce电压信号提取电路将逆变器中IGBT或MOSFET的源级和漏极之间产生的电压差Vce的信息传送给信号比较电路，信号比较电路，用以将电压Vce与设定电压Vth进行比较：当Vce＞Vth时，信号比较电路输出的电平翻转，将电平翻转信息传送给所述功率管驱动电路，功率管驱动电路立即封锁驱动信号，与此同时，将电平翻转信息作为过流信号传送给处理器，处理器接到该信号后，立即关断信号源；当Vce≤Vth，信号比较电路输出的电平不翻转。
2.根据权利要求1所述的低成本逆变输出短路保护电路，其特征在于：所述Vce电压信号提取电路是由电阻和二极管构成，所述IGBT或MOSFET的栅级串接所述电阻后与IGBT或MOSFET的漏极串接所述二极管后电连接。
3.根据权利要求1或2所述的低成本逆变输出短路保护电路，其特征在于：所述信号比较电路主要由LM339比较器U5A、LM339比较器U5B、LM339比较器U5C和LM339比较器U5D构成，LM339比较器U5A和LM339比较器U5B的负极输入端与Vce电压信号提取电路电连接，LM339比较器U5A和LM339比较器U5B的输出端通过电阻与LM339比较器U5C正极输入端电连接，所述LM339比较器U5C的输出端与LM339比较器U5D的负极输入端电连接，所述LM339比较器U5C的负极输入端与LM339比较器U5D的正极输入端电连接，所述LM339比较器U5D的输出端分别与功率管驱动电路和处理器电连接。
4.根据权利要求3所述的低成本逆变输出短路保护电路，其特征在于：所述处理器采用DSP处理器或MCU处理器。
5.根据权利要求3所述的低成本逆变输出短路保护电路，其特征在于：所述逆变器为全桥式逆变器或半桥式逆变器。
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