CN108233880A - 一种固态功率放大器保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态功率放大器保护系统，其包括直流电源、与所述直流电源连接的功率放大器、向所述功率放大器输入驱动信号的信号处理单元、以及对输入所述功率放大器的驱动信号进行检测的驱动信号检测单元，所述功率放大器包括若干驱动电路，所述驱动信号检测单元包括串联设置在所述功率放大器输入直流母线上的电流传感器和固态断路器、与所述电流传感器连接的过流检测板以及与所述过流检测板和所述固态断路器连接的可编程逻辑器件，所述可编程逻辑器件与所述信号处理单元、所述驱动电路均电信号连通。本发明响应速度快，保护功能稳定可靠。

Description

一种固态功率放大器保护系统

【技术领域】

本发明涉及电力系统保护技术领域，特别是涉及一种固态功率放大器保护系统。

【背景技术】

随着微电子技术的制造工艺以及加工水平的快速发展，大功率固态电力电子器件的功率容量、开关速度、动静态损耗、门级驱动和单位体积的扩容等关键技术难题取得了重大突破，使得大功率固态化开关类功率放大器的实现成为可能。固态化功率器件有着电真空器件无法比拟的优点，如效率高、体积小、冷却方式简单等。固态化是大功率放大器的发展趋势，它在提高功率放大器效率的同时还可减小设备的体积，并且使维护和操作都变得简单。在众多电力电子器件中，只有金属氧化物场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)真正实现了低损耗和大功率。

虽然固态功率放大器极大地提高了功率放大效率，但是其抗冲击能力比电子管差，一旦发生过压或过流，很容易烧毁器件。因此，固态功率放大器保护电路的设计就非常重要。保护技术是固态功率放大器设计的关键技术，关系到整个功率放大器能否稳定可靠地运行。

传统的保护电路使用分立元件或者是用单片机等微处理器编写软件程序来进行逻辑关系设计，存在响应速度慢、可靠性不高的缺点。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种固态功率放大器保护系统，对被驱动设备具有可靠的保护功能，且响应速度快，保护功能稳定可靠。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种固态功率放大器保护系统，其包括直流电源、与所述直流电源连接的功率放大器、向所述功率放大器输入驱动信号的信号处理单元、以及对输入所述功率放大器的驱动信号进行检测的驱动信号检测单元，所述功率放大器包括若干驱动电路，所述驱动信号检测单元包括串联设置在所述功率放大器输入直流母线上的电流传感器和固态断路器、与所述电流传感器连接的过流检测板以及与所述过流检测板和所述固态断路器连接的可编程逻辑器件，所述可编程逻辑器件与所述信号处理单元、所述驱动电路均电信号连通。

进一步的，所述功率放大器包括并联在所述直流电源母线输出端的第一IGBT管和第二IGBT管、并联在所述直流电源母线输入端的第三IGBT管和第三IGBT管、串联设置的电容和变压器。

进一步的，所述第一IGBT管的发射极与所述第三IGBT管的集电极以及所述电容一端连接，所述电容的另一端连接所述变压器；

所述第二IGBT管的发射极与所述第四IGBT管的集电极以及所述变压器的另一端连接，所述第一IGBT管、所述第二IGBT管、所述第三IGBT管以及所述第四IGBT管的门极与所述驱动电路连接。

进一步的，所述第一IGBT管、所述第二IGBT管、所述第三IGBT管以及所述第四IGBT管的集电极与发射极之间均连接有吸收电路。

进一步的，所述可编程逻辑器件的整体控制方法为，

1)所述信号处理单元输入驱动信号；

2)驱动信号检测；

3)判断驱动信号是否正常，若不正常，则执行下一步；若正常，则判断是否有过电流反馈信号，若有，则进行下一步，若没有，则输出驱动信号；

4)锁定故障信号；

5)闭锁驱动信号；

6)判断是否复位，若是，则输出驱动信号，若不是，则执行步骤5)。

进一步的，所述可编程逻辑器件中设置有闭锁驱动信号功能模块，所述闭锁驱动信号功能模块的实现方法为，

1)所述信号处理单元输入信号至所述可编程逻辑器件中；

2)判断是否有过电流反馈信号，若没有，则输出驱动信号，若有，则进行下一步；

3)闭锁驱动信号；

4)判断是否复位，若是，则输出驱动信号，若没有，则返回至步骤2)。

与现有技术相比，本发明一种固态功率放大器保护系统的有益效果在于：提出了基于过电流检测、驱动信号闭锁以及大功率固态断路器等多级保护相结合的保护方案，系统保护可靠性高、故障相应速度快。

【附图说明】

图1为本发明实施例的控制原理示意图；

图2为本发明实施例中可编程逻辑器件的控制逻辑原理示意图；

图3为本发明实施例中可编程逻辑器件中闭锁驱动信号功能模块的控制逻辑原理示意图；

图4为本发明实施例中集中检测的控制原理示意图；

图5为本发明实施例中异常检测的控制原理示意图。

【具体实施方式】

实施例：

请参照图1，本实施例为固态功率放大器保护系统，其包括直流电源、与所述直流电源连接的功率放大器、向所述功率放大器输入驱动信号的信号处理单元、以及对输入所述功率放大器的驱动信号进行检测的驱动信号检测单元，所述功率放大器包括若干驱动电路，所述驱动信号检测单元包括串联设置在所述功率放大器输入直流母线上的电流传感器和固态断路器、与所述电流传感器连接的过流检测板以及与所述过流检测板和所述固态断路器连接的可编程逻辑器件CPLD，所述可编程逻辑器件CPLD与所述信号处理单元、所述驱动电路均电信号连通。

所述功率放大器包括并联在所述直流电源母线输出端的第一IGBT管(绝缘栅双极型晶体管)和第二IGBT管、并联在所述直流电源母线输入端的第三IGBT管和第三IGBT管、串联设置的电容C和变压器T，所述第一IGBT管的发射极与第三IGBT管的集电极以及电容C一端连接，电容C的另一端连接变压器T。所述第二IGBT管的发射极与第四IGBT管的集电极以及变压器T的另一端连接，所述第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管以及第四IGBT管的门极上均相应的连接有驱动电路Q1、Q2、Q3、Q4；且四个IGBT管的集电极与发射极之间均连接有吸收电路X1、X2、X3、X4。

所述信号处理单元的输出信号传输至所述驱动信号检测单元中的可编程逻辑器件CPLD中，结合所述过流检测板、所述固态断路器以及所有驱动电路中的反馈信息，经过逻辑判断后再将驱动信号传输出去，驱动功率放大器工作。

请参照图2，所述可编程逻辑器件CPLD的整体控制方法为：

1)所述信号处理单元输入驱动信号；

2)驱动信号检测；

3)判断驱动信号是否正常，若不正常，则执行下一步；若正常，则判断是否有过电流反馈信号，若有，则进行下一步，若没有，则输出驱动信号；

4)锁定故障信号；

5)闭锁驱动信号；

6)判断是否复位，若是，则输出驱动信号，若不是，则执行步骤5。

所述可编程逻辑器件CPLD中设置有闭锁驱动信号功能模块，本实施例采用可编程逻辑器件CPLD进行数字系统开发，电路并行运行模式，而非基于指令集的处理器运行模式，因此不存在主频速度的概念和限制，具有处理速度快的特点。同时也可以降低系统成本，并且可以反复地编程、擦除，使用者只需在外围电路不通的情况下用不同软件即可实现不同的功能。逻辑功能关系如图3所示，所述闭锁驱动信号功能模块的实现方法为：1)所述信号处理单元输入信号至所述可编程逻辑器件CPLD中；2)判断是否有过电流反馈信号，若没有，则输出驱动信号，若有，则进行下一步；3)闭锁驱动信号；4)判断是否复位，若是，则输出驱动信号，若没有，则返回至步骤2。

本实施例中的驱动信号检测单元，采用集中、分散以及异常相结合的检测分布，具体的，

1)集中过电流检测主要体现在设置的电流传感器，用于检测功率放大器输入直流母线上的电流，如图4所示，当该电流值超过设定的阀值时，便输出过流信号。直流母线电流的检测应该选择霍尔传感器，它是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器，具有快速的反应能力。

2)分散过流检测就是检测功率放大器各个功率器件上的电流，主要体现在将功率放大器中的所有驱动电路与可编程逻辑器件CPLD信号连接，且采用IGBT场效应管，其原理为设定一个电流阀值，当该电流值超过设定的阀值时，便输出过流信号。该电流的检测不是由传感器完成，而是通过检测IGBT的导通压降VCE来检测流过IGBT的电流，这是因为IGBT的导通压降与流过IGBT的电流满足一定的关系，当流过IGBT的电流越大时，其导通压降也越大。

3)根据固态功率放大器的放大原理可知，控制功率器件导通和关断的各路驱动信号必须保证严格的占空比和相位信息，驱动信号的异常，比如脉宽过宽或过窄、脉冲丢失等情况，将会影响功率放大器的稳定工作，甚至造成桥臂直通而短路。因此，由信号处理单元输出的驱动信号首先应该进行检测，然后再送至功率放大器，如图5所示。

本实施例通过在功率放大器的输入直流母线上设置的固态断路器，能够在出现故障后，快速的切断直流供电电源，响应速度快。传统的切断供电电源的方式采用的是空气断路器或油断路器，灭弧困难、动作速度慢、遮断容量受到限制。同时，由于其采用的是机械式开关，动作速度受到机械惯性的限制，严重阻碍了在故障处理及系统可靠保护中的应用，并且器件寿命短、机械动作可靠性差，已无法满足功率放大器的保护设计要求。固态断路器则是使用电力电子器件作为开关，克服了机械式断路器的缺点，与传统机械式断路器相比，固态断路器具有无声响、开断时间短、无弧光、寿命长、无关断死区及工作可靠性高等特点，使固态断路器具有较高的推广应用价值。同时，由于电力电子器件的通断时间在微秒甚至纳秒级，故而使得断路器的动作速度大大提高。

本实施例固态功率放大器保护系统在对固态功率器件的动静态特性及其损坏机理的分析之后，提出了基于过电流检测、驱动信号闭锁以及大功率固态断路器等多级保护相结合的保护方案；并根据设计方案进行了保护电路的实现，设计了一个过流检测电路、使用可编程逻辑器件CPLD进行了综合保护逻辑关系的设计并完成了保护电路的设计实现。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种固态功率放大器保护系统，其特征在于：其包括直流电源、与所述直流电源连接的功率放大器、向所述功率放大器输入驱动信号的信号处理单元、以及对输入所述功率放大器的驱动信号进行检测的驱动信号检测单元，所述功率放大器包括若干驱动电路，所述驱动信号检测单元包括串联设置在所述功率放大器输入直流母线上的电流传感器和固态断路器、与所述电流传感器连接的过流检测板以及与所述过流检测板和所述固态断路器连接的可编程逻辑器件，所述可编程逻辑器件与所述信号处理单元、所述驱动电路均电信号连通。

2.如权利要求1所述的固态功率放大器保护系统，其特征在于：所述功率放大器包括并联在所述直流电源母线输出端的第一IGBT管和第二IGBT管、并联在所述直流电源母线输入端的第三IGBT管和第三IGBT管、串联设置的电容和变压器。

3.如权利要求2所述的固态功率放大器保护系统，其特征在于：所述第一IGBT管的发射极与所述第三IGBT管的集电极以及所述电容一端连接，所述电容的另一端连接所述变压器；

所述第二IGBT管的发射极与所述第四IGBT管的集电极以及所述变压器的另一端连接，所述第一IGBT管、所述第二IGBT管、所述第三IGBT管以及所述第四IGBT管的门极与所述驱动电路连接。

4.如权利要求3所述的固态功率放大器保护系统，其特征在于：所述第一IGBT管、所述第二IGBT管、所述第三IGBT管以及所述第四IGBT管的集电极与发射极之间均连接有吸收电路。

5.如权利要求1所述的固态功率放大器保护系统，其特征在于：所述可编程逻辑器件的整体控制方法为，

1)所述信号处理单元输入驱动信号；

2)驱动信号检测；

3)判断驱动信号是否正常，若不正常，则执行下一步；若正常，则判断是否有过电流反馈信号，若有，则进行下一步，若没有，则输出驱动信号；

4)锁定故障信号；

5)闭锁驱动信号；

6)判断是否复位，若是，则输出驱动信号，若不是，则执行步骤5)。

6.如权利要求1所述的固态功率放大器保护系统，其特征在于：所述可编程逻辑器件中设置有闭锁驱动信号功能模块，所述闭锁驱动信号功能模块的实现方法为，

1)所述信号处理单元输入信号至所述可编程逻辑器件中；

2)判断是否有过电流反馈信号，若没有，则输出驱动信号，若有，则进行下一步；

3)闭锁驱动信号；

4)判断是否复位，若是，则输出驱动信号，若没有，则返回至步骤2)。