CN104767179A - 一种采用隔离变压器栅驱动的移相全桥变换器的故障保护方法 - Google Patents

Abstract

一种采用隔离变压器栅驱动的移相全桥变换器故障保护方法，实时读取移相全桥变换器的输出电压、输出电流和栅驱动供电电压数据，并将读取的上述三种数据分别与各自的整定值比较，整定值即根据桥式变换器实际工作环境，为保证变换器稳定可靠运行而人为设定并写入微处理器的输出电压上限值、输出电流上限值和栅驱动供电电压上、下限值，只要上述三种数据中的任何一种超出其整定值范围，就触发保护，分四步实施保护：(1)切断电源输入，(2)输出空占空比，(3)输出最小占空比，(4)关闭栅驱动信号，保护动作完成。

Description

一种采用隔离变压器栅驱动的移相全桥变换器的故障保护方法

技术领域

本发明涉及一种采用隔离变压器栅驱动的移相全桥变换器的故障保护方法，可适用于大功率的应用场合，提高开关管使用寿命的同时又增加了变换器的可靠性。

背景技术

近年来，大功率开关变换器的需求越来越强烈，而拥有更高输出功率的桥式变换器常常被应用于大功率的应用场合。更高的输出功率一方面缩短了充电时间，另一方面，也对变换器的可靠性提出了更高的要求。例如，对于任何桥式变换器，在长期的使用过程当中都有可能发生故障，如输出出现开路或者短路的情况。在故障发生之后，如何立刻进行保护动作以避免系统进一步损坏是一个必须要考虑的问题。

一般来说，故障之后的保护需要断开输入与输出之间的连接，其中，最好的方法就是关闭开关管。对于采用隔离变压器的栅驱动而言，由于栅极隔直电容的电压不能立刻降为零，同一桥臂上下两只开关管会出现短暂直通，传统的直接关闭开关管的故障保护方法缺乏对这个问题的考虑，若依旧采用此种方法，会大大缩短开关管的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是针对现有采用隔离变压器栅驱动的移相全桥变换器在故障保护时存在的问题，提供一种新型的故障保护方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种采用隔离变压器栅驱动的移相全桥变换器的故障保护方法，隔离变压器栅驱动的移相全桥变换器包括移相全桥变换器主电路、输入继电器及其控制电路、微处理器、栅驱动电路以及栅驱动供电电压采样电路，移相全桥变换器主电路包括超前和滞后两个桥臂、主变压器T_r、输出滤波电路、负载以及输出电压采样电路、输出电流采样电路和水泥电阻，超前桥臂包括上开关管Q₃和下开关管Q₁，滞后桥臂包括上开关管Q₄和下开关管Q₂；微处理器通过其内部的通用输入输出接口GPIO与输入继电器控制电路连接，微处理器通过其内部的模拟数字转换模块ADC分别与输出电压采样电路、输出电流采样电路和栅驱动供电电压采样电路连接，输出电压采样电路串联在输出正极和地之间，输出电流采样电路串联在负载和地之间，栅驱动供电电压采样电路串联在VDD和地之间；微处理器通过其内部的高级定时器TIMER1和TIMER2产生四个开关管的栅驱动信号，通过编程使TIMER1产生两路始终互补的栅驱动信号分别通过各自栅驱动电路驱动Q₂和Q₄，TIMER2产生两路始终互补的栅驱动信号分别通过各自栅驱动电路驱动Q₁和Q₃；四个栅驱动电路的结构相同，其输出分别通过各自驱动电路内设的栅驱动变压器的一端和隔直电容连接到四个开关管Q₁-Q₄的栅极，四个开关管Q₁-Q₄的源极分别连接各自栅驱动变压器的另一端；输入继电器与水泥电阻并联；开机时，输入继电器断开，水泥电阻接入在变换器的主回路中，用于减小变换器开机时的浪涌电流；开机完成之后，微处理器输出通过输入继电器控制电路控制输入继电器开启，水泥电阻被输入继电器短路，不再接入主回路，以防止水泥电阻在变换器正常工作时继续消耗能量；

其特征在于：实时读取移相全桥变换器的输出电压、输出电流和栅驱动供电电压数据，并将读取的上述三种数据分别与各自的整定值比较，整定值即根据桥式变换器实际工作环境，为保证变换器稳定可靠运行而人为设定并写入微处理器的输出电压上限值、输出电流上限值和栅驱动供电电压上、下限值，只要上述三种数据中的任何一种超出其整定值范围，就触发保护，按以下四个步骤实施保护：

步骤1，切断电源输入，由微处理器通过GPIO接口输出低电平，通过输入继电器控制电路将输入继电器断开，将原本被短路的水泥电阻又重新接回到主回路中，以便在后续步骤中利用这个水泥电阻代替开关管承担短暂直通时的功率；

步骤2，输出空占空比，由微处理器调整TIMER2产生的两路栅驱动信号相对TIMER1产生的两路栅驱动信号之间的相移，使两个桥臂中互为斜对角的两只开关管Q₁与Q₄，Q₂与Q₃同时导通的时间为零，即输出空占空比，保证在保护被触发之后立即停止向输出传递能量，以防电路中的故障进一步扩大；

步骤3，输出最小占空比，在维持空占空比15ms至25ms之后，由微处理器调整TIMER2产生的两路栅驱动信号相对TIMER1产生的两路栅驱动信号之间的相移，使两个桥臂中互为斜对角的两只开关管Q₁与Q₄，Q₂与Q₃同时导通的时间为最小值，即输出最小占空比，以释放25％至35％母线电容C_in当中的能量，进一步减小开关管在其驱动信号关闭之后所需短暂承受的功率；

步骤4，关闭栅驱动信号，由微处理器和水泥电阻共同完成，以彻底断开输入与输出之间的连接；由微处理器同时将所有四路栅驱动信号置零，此时由于栅极隔直电容的存在，所有开关管的栅源之间都短暂存在着幅值等于VDD一半的电压值，同一桥臂的上下两管Q₁和Q₃、Q₂和Q₄短暂直通，但由于在步骤1中水泥电阻已经接入，且导通时的开关管等效电阻非常小，此时的全部输入功率和母线电容C_in中的能量都将加在水泥电阻上，并由水泥电阻将这些功率和能量以热能的形式消耗，待开关管栅源之间的电压降为零之后，开关管彻底关闭，输入和输出就彻底断开，保护动作完成。

本发明具有如下优点及显着效果：

1)无需增加任何硬件电路，成本低；

2)所有保护动作只需在控制方式上做相应处理即可，实现简单；

3)通过输出空占空比的方式迅速断开输入与输出的连接，响应速度快；

4)适用于各种类型的保护，如输出电压过压保护、输出电流过流保护和栅驱动过压、欠压保护等各类保护，应用方便；

5)有效延长开关管的使用寿命，提高桥式变换器的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是本发明实现流程图；

图2是本发明保护的电路原理图；

图3是采用传统保护方法的样机实测示波器波形图；

图4是采用本发明保护方法的样机实测示波器波形图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

图2是公知的采用隔离变压器栅驱动的移相全桥变换器的基本电路原理图，包括移相全桥变换器主电路(含Q₁和Q₃构成的超前桥臂、Q₂和Q₄构成的滞后桥臂，主变压器T_r、输出滤波电路、负载以及输出电压采样电路、输出电流采样电路和水泥电阻)、输入继电器控制电路(含输入继电器)、微处理器、栅驱动电路(图示中以Q₂的栅驱动电路为例，以下也以Q2的栅驱动电路为例说明，其包括两只三极管Q₅和Q₆、栅驱动变压器T_r1、电阻R₁、隔直电容C₁、C₂。Q₁、Q₃、Q₄的栅驱动电路以及栅驱动电路与各自开关管的连接方式与Q₂的都一样，而且四只开关管都是N沟道增强型MOS管)、栅驱动供电电压采样电路(包括分压电阻R₅、R₆)。微处理器通过其内部的GPIO(通用输入输出)接口与输入继电器控制电路连接，并通过其内部的ADC(模拟数字转换)模块与输出电压采样电路、输出电流采样电路和栅驱动供电电压采样电路连接，再通过其内部的高级定时器TIMER1和TIMER2与四只开关管的栅驱动电路连接。输入继电器控制电路中的输入继电器与移相全桥变换器主电路中的水泥电阻并联，水泥电阻原本接入在变换器的主回路当中，用于减小变换器开机时的浪涌电流，在变换器开机完成之后，需由微处理器控制输入继电器开启，此后水泥电阻就被输入继电器短路而不再接入主回路，目的是为了防止水泥电阻在变换器正常工作时继续消耗能量。四只开关管的栅驱动电路分别直接串联至各自所驱动的开关管。输出电压采样电路串联在输出正极和地之间，输出电流采样电路串联在负载和地之间，栅驱动供电电压采样电路串联在VDD和地之间。另外，栅驱动电路与开关管的具体连接方式以Q₂的栅驱动电路为例：开关管的栅极经过隔直电容C₂与栅驱动变压器T_r1的一端相连，开关管的源极则与栅驱动变压器T_r1的另一端相连。驱动电路中Q₅和Q₆组成的推挽放大电路的作用在于放大驱动电流，R₁的作用在于进一步控制驱动电流的大小，C₁、C₂和T_r1的作用在于提供电气隔离并将栅驱动供电电压VDD幅值不变的传递到开关管Q₂的栅源之间。当栅驱动信号为高电平时，Q₅导通，开关管Q₂栅源之间的电压为VDD，开关管Q₂开通；当栅驱动信号为低电平时，Q₆导通，开关管Q₂栅源之间的电压为0，开关管Q₂关断，故监测栅驱动供电电压可以有效反应开关管Q₂栅源之间电压的是否正常。

四只开关管Q₁-Q₄的栅驱动信号由微处理器内部的两个高级定时器TIMER1和TIMER2产生，通过编程使其中的TIMER1产生两路始终互补的栅驱动信号分别驱动Q₂和Q₄，TIMER2再产生两路始终互补的栅驱动信号分别驱动Q₁和Q₃。系统工作时，由TIMER1产生的两路栅驱动信号的相位保持不变，微处理器通过调整由TIMER2产生的两路栅驱动信号相对由TIMER1产生的两路栅驱动信号之间的相移，来控制斜对角的两只开关管(Q₁和Q₄、Q₂和Q₃)同时导通的时间，继而控制移相全桥变换器的占空比。

由于栅驱动电路中栅极隔直电容C₂的存在，在微处理器发出关闭开关管的信号之后，电容C₂上的电压不能立刻降为零，这就会造成同一桥臂上下两只开关管(Q₁和Q₃、Q₂和Q₄)的短暂同时导通(称为“直通”)，而直通的上下两管相当于阻值很小的电阻直接接在输入电源和地之间，将产生很大的电流。传统的直接关闭开关管的移相全桥变换器故障保护方法会造成开关管在短暂直通时承受巨大功率，缩短其使用寿命。正是为了解决这个问题，才提出了本发明的故障保护方法。

如图1所示，本发明的故障保护方法：实时读取移相全桥变换器的输出电压、输出电流和栅驱动供电电压数据，并将读取的上述三种数据分别与各自的整定值比较，整定值即根据桥式变换器实际工作环境，为保证变换器稳定可靠运行而人为设定并写入微处理器的输出电压上限值、输出电流上限值和栅驱动供电电压上、下限值，只要上述三种数据中的任何一种超出其整定值范围，就触发保护(输出电压数据经输出电压采样电路进入微处理器的ADC模块，输出电流数据经输出电流采样电路也进入微处理器的ADC模块，栅驱动供电电压数据经栅驱动供电电压采样电路同样进入微处理器的ADC模块。ADC模块可同时接收并完成上述三种数据从模拟量到数字量的转换，并由微处理器实时将已经转换成数字量的上述三种数据同时从ADC模块中读取进来，以便后续处理)。

按以下四个步骤分步式实施保护：

步骤1，切断电源输入，关闭输入继电器。在保护被触发之后，首先由微处理器通过其内部的用于产生继电器控制信号的GPIO接口发出的继电器控制信号(当该GPIO口输出为低电平时，输入继电器关闭)将输入继电器关闭。如图2所示，关闭输入继电器的目的在于将原本被短路的水泥电阻又重新接回到主回路中，以便在后续步骤中可以巧妙利用这个水泥电阻代替开关管承担短暂直通时的功率。

步骤2，输出空占空比。在关闭输入继电器的继电器控制信号发出之后，紧接着，需要由微处理器调整由TIMER2产生的两路栅驱动信号相对由TIMER1产生的两路栅驱动信号之间的相移，使得斜对角的两只开关管同时导通的时间为零，即输出空占空比。此步骤完全由微处理器完成，目的是为了在保护被触发之后立即停止向输出传递能量，以防电路中的故障进一步扩大。

步骤3，输出最小占空比，在维持空占空比15ms至25ms之后，输入继电器已经完全关闭。再由微处理器调整由TIMER2产生的两路栅驱动信号相对由TIMER1产生的两路栅驱动信号之间的相移，使得斜对角的两只开关管同时导通的时间为最小值，即输出最小占空比。此步骤同样由微处理器独立完成，目的是为了释放25％至35％母线电容C_in当中的能量，进一步减小开关管在其驱动信号关闭之后所需短暂承受的功率。

步骤4，关闭栅驱动信号。此步骤由微处理器和水泥电阻共同完成，目的是为了彻底断开输入与输出之间的连接。由微处理器同时将所有四路栅驱动信号置零，此时由于栅极隔直电容C₂的存在，所有开关管的栅源之间都短暂存在着幅值等于VDD一半的电压值，同一桥臂的上下两管(Q₁和Q₃、Q₂和Q₄)短暂直通，但由于在步骤1中水泥电阻已经接入，且导通时的开关管等效电阻非常小，故此时的全部输入功率和母线电容C_in中的能量都将加在水泥电阻上，并由水泥电阻将这些功率和能量以热能的形式消耗。待开关管栅源之间的电压降为零之后，开关管彻底关闭，输入和输出就彻底断开，保护动作完成。

如图3所示，分别为栅驱动供电电压、继电器控制信号和水泥电阻两端电压的电压波形图。图中以时间为横坐标，电压值为纵坐标，左侧X4、X2和X1所在的位置分别表示栅驱动供电电压、继电器控制信号和水泥电阻两端电压的坐标原点。从图中画圈的部分可以看出，在没有采用本发明的情况下，由微处理器将栅驱动信号置零后，水泥电阻两端电压仍然是零，说明此时输入电源仍未断开，水泥电阻也依然被短路，此时全部功率和能量都将加在直通的开关管上，大大缩短了开关管的使用寿命。

如图4所示，分别为栅驱动供电电压、继电器控制信号和水泥电阻两端电压的电压波形图。图中以时间为横坐标，电压值为纵坐标，左侧X4、X2和X1所在的位置分别表示栅驱动供电电压、继电器控制信号和水泥电阻两端电压的坐标原点。从图中画圈的部分可以看出，在采用本发明之后，由微处理器将栅驱动信号置零后，水泥电阻两端电压已经升为输入电压，说明此时输入电源已经断开，水泥电阻也已经接入主回路，此时全部功率和能量都将加在水泥电阻上，开关管不受影响。

Claims (1)

1.一种采用隔离变压器栅驱动的移相全桥变换器的故障保护方法，隔离变压器栅驱动的移相全桥变换器包括移相全桥变换器主电路、输入继电器及其控制电路、微处理器、栅驱动电路以及栅驱动供电电压采样电路，移相全桥变换器主电路包括超前和滞后两个桥臂、主变压器T_r、输出滤波电路、负载以及输出电压采样电路、输出电流采样电路和水泥电阻，超前桥臂包括上开关管Q₃和下开关管Q₁，滞后桥臂包括上开关管Q₄和下开关管Q₂；微处理器通过其内部的通用输入输出接口GPIO与输入继电器控制电路连接，微处理器通过其内部的模拟数字转换模块ADC分别与输出电压采样电路、输出电流采样电路和栅驱动供电电压采样电路连接，输出电压采样电路串联在输出正极和地之间，输出电流采样电路串联在负载和地之间，栅驱动供电电压采样电路串联在VDD和地之间；微处理器通过其内部的高级定时器TIMER1和TIMER2产生四个开关管的栅驱动信号，通过编程使TIMER1产生两路始终互补的栅驱动信号分别通过各自栅驱动电路驱动Q₂和Q₄，TIMER2产生两路始终互补的栅驱动信号分别通过各自栅驱动电路驱动Q₁和Q₃；四个栅驱动电路的结构相同，其输出分别通过各自驱动电路内设的栅驱动变压器的一端和隔直电容连接到四个开关管Q₁-Q₄的栅极，四个开关管Q₁-Q₄的源极分别连接各自栅驱动变压器的另一端；输入继电器与水泥电阻并联；开机时，输入继电器断开，水泥电阻接入在变换器的主回路中，用于减小变换器开机时的浪涌电流；开机完成之后，微处理器输出通过输入继电器控制电路控制输入继电器开启，水泥电阻被输入继电器短路，不再接入主回路，以防止水泥电阻在变换器正常工作时继续消耗能量；

其特征在于：实时读取移相全桥变换器的输出电压、输出电流和栅驱动供电电压数据，并将读取的上述三种数据分别与各自的整定值比较，整定值即根据桥式变换器实际工作环境，为保证变换器稳定可靠运行而人为设定并写入微处理器的输出电压上限值、输出电流上限值和栅驱动供电电压上、下限值，只要上述三种数据中的任何一种超出其整定值范围，就触发保护，按以下四个步骤实施保护：

步骤1，切断电源输入，由微处理器通过GPIO接口输出低电平，通过输入继电器控制电路将输入继电器断开，将原本被短路的水泥电阻又重新接回到主回路中，以便在后续步骤中利用这个水泥电阻代替开关管承担短暂直通时的功率；

步骤2，输出空占空比，由微处理器调整TIMER2产生的两路栅驱动信号相对TIMER1产生的两路栅驱动信号之间的相移，使两个桥臂中互为斜对角的两只开关管Q₁与Q₄，Q₂与Q₃同时导通的时间为零，即输出空占空比，保证在保护被触发之后立即停止向输出传递能量，以防电路中的故障进一步扩大；

步骤3，输出最小占空比，在维持空占空比15ms至25ms之后，由微处理器调整TIMER2产生的两路栅驱动信号相对TIMER1产生的两路栅驱动信号之间的相移，使两个桥臂中互为斜对角的两只开关管Q₁与Q₄，Q₂与Q₃同时导通的时间为最小值，即输出最小占空比，以释放25％至35％母线电容C_in当中的能量，进一步减小开关管在其驱动信号关闭之后所需短暂承受的功率；

步骤4，关闭栅驱动信号，由微处理器和水泥电阻共同完成，以彻底断开输入与输出之间的连接；由微处理器同时将所有四路栅驱动信号置零，此时由于栅极隔直电容的存在，所有开关管的栅源之间都短暂存在着幅值等于VDD一半的电压值，同一桥臂的上下两管Q₁和Q₃、Q₂和Q₄短暂直通，但由于在步骤1中水泥电阻已经接入，且导通时的开关管等效电阻非常小，此时的全部输入功率和母线电容C_in中的能量都将加在水泥电阻上，并由水泥电阻将这些功率和能量以热能的形式消耗，待开关管栅源之间的电压降为零之后，开关管彻底关闭，输入和输出就彻底断开，保护动作完成。