CN108418187A - 一种功率变换电路及其驱动电路和输出短路保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率变换电路及其驱动电路和输出短路保护方法，当其驱动控制单元接收到该功率变换电路中控制电路发送的输出短路保护信号时，封锁PWM波，并按照预设顺序依次输出驱动信号至各个处理单元中的n个渐断模块及关断模块；使n个渐断模块及关断模块分别根据该驱动信号，输出各自对应的预设电压至功率变换电路主电路中相应功率管的控制端，进而控制相应功率管的控制端电压从高到低逐渐变化，直至关断；这种多电平逐渐关断的方式降低了功率管关断时两端的尖峰电压，无需再依靠TVS实现对于输出短路的保护，避免了现有技术中由于采用TVS而导致输出短路保护准确度低的问题。

Description

一种功率变换电路及其驱动电路和输出短路保护方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种功率变换电路及其驱动电路和输出短路保护方法。

背景技术

当前，对于逆变电路的直通短路情况，由于其短路回路中的电感较小，电流上升较快，其主电路中的功率管能够快速退出饱和区，因此，利用其驱动电路检测功率管的压降便可进行输入短路的保护，而后进行软关断，能够降低关断时的电压尖峰。

逆变电路相间短路或者相对地短路为输出短路，在输出短路时，由于其短路回路中的电感较大，短路电流上升较慢，此时其驱动电路无法进行退饱和检测；因此，其控制电路通常需要通过结合相电流检测来实现对于输出短路的保护。具体的，当相电流超过保护阈值时，其控制电路将PWM信号封波，使主电路中的功率管直接硬关断；此时关断电压尖峰较高，可能会超过器件承受范围而导致过压损坏，因此，一般还需要利用TVS(TransientVoltage Suppressor，瞬态二极管)进行钳位，参见图1。

但是，实际应用中，由于TVS的本身误差较大、容易产生误动作，所以现有技术中的方案难以准确的实现对于输出短路的保护。

发明内容

本发明提供一种功率变换电路及其驱动电路和输出短路保护方法，以解决现有技术中难以准确实现对于输出短路的保护的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种功率变换电路的驱动电路，包括：驱动控制单元和多个处理单元；各个所述处理单元分别与所述功率变换电路中主电路的功率管的控制端一一对应相连；所述处理单元包括：开通模块、关断模块和n个渐断模块，n为大于1的正整数；其中：

所述驱动控制单元用于接收所述功率变换电路中控制电路发送的脉冲宽度调制PWM波转发至各个处理单元中的所述开通模块和所述关断模块；根据所述控制电路发送的输出短路保护信号，封锁所述PWM波，并按照预设顺序依次输出驱动信号至各个所述处理单元中的n个所述渐断模块及所述关断模块；

所述开通模块用于根据所述PWM波控制所述功率变换电路主电路中的相应功率管开通；

所述关断模块用于根据所述PWM波或者所述驱动信号，控制所述功率变换电路主电路中的相应功率管关断；

n个所述渐断模块分别用于根据所述驱动信号，输出各自对应的预设电压至所述功率变换电路主电路中相应功率管的控制端；

所述预设顺序为n个所述渐断模块对应的预设电压及所述关断模块的输出电压从高到低的顺序。

优选的，n个所述预设电压，均大于所述关断模块的输出电压，且均小于所述开通模块的输出电压。

优选的，所述开通模块包括：第一光耦、第一电阻、第二电阻和第一开关管；其中：

所述第一光耦的输入端与所述驱动控制单元的对应输出端相连；

所述第一光耦的VCC脚接收第一直流电压，GND脚接收第二直流电压；

所述第一光耦的输出端通过所述第一电阻与VCC脚相连，且所述第一光耦的输出端与所述第一开关管的栅极相连；

所述第一开关管的源极接收第一直流电压；

所述第一开关管的漏极通过所述第二电阻与所述功率变换电路主电路中相应功率管的控制端相连。

优选的，所述关断模块包括：第二光耦、第三电阻和第二开关管；其中：

所述第二光耦的输入端与所述驱动控制单元的对应输出端相连；

所述第二光耦的VCC脚接收第二直流电压，GND脚接收第三直流电压；

所述第二光耦的输出端与所述第二开关管的栅极相连；

所述第二开关管的源极接收第三直流电压；

所述第二开关管的漏极通过所述第三电阻与所述功率变换电路主电路中相应功率管的控制端相连。

优选的，所述渐断模块包括：第三光耦、第四电阻、二极管和第三开关管；其中：

所述第三光耦的输入端与所述驱动控制单元的对应输出端相连；

所述第三光耦的VCC脚接收第一直流电压，GND脚接收第二直流电压；

所述第三光耦的输出端与所述第三开关管的栅极相连；

所述第三开关管的源极接收各自对应的基准电压；

所述第三开关管的漏极与所述二极管的阴极相连；

所述二极管的阳极通过所述第四电阻与所述功率变换电路主电路中相应功率管的控制端相连。

优选的，还包括：

稳压电路，用于为各个所述渐断模块提供对应的基准电压。

一种功率变换电路，包括：主电路、控制电路和如上述任一所述的功率变换电路的驱动电路；其中：

所述主电路用于对所述主电路的输入端接收的电能进行功率变换后输出；

所述控制电路用于发送PWM波至所述驱动电路，接收所述驱动电路的故障返回信号；并对所述主电路的输出电流进行检测，在所述输出电流大于保护阈值或者接收到上位机发出的多电平关断指令时，发送输出短路保护信号至所述驱动电路。

一种功率变换电路的输出短路保护方法，应用于所述功率变换电路，所述功率变换电路的驱动电路包括：驱动控制单元和多个处理单元；各个所述处理单元分别与所述功率变换电路中主电路的功率管的控制端一一对应相连；所述处理单元包括：开通模块、关断模块和n个渐断模块，n为大于1的正整数；所述功率变换电路的输出短路保护方法包括：

所述驱动控制单元根据所述功率变换电路中控制电路发送的输出短路保护信号，封锁所述控制电路发送的PWM波，并按照预设顺序依次输出驱动信号至各个所述处理单元中的n个所述渐断模块及所述关断模块；

n个所述渐断模块及所述关断模块分别根据所述驱动信号，输出各自对应的预设电压至所述功率变换电路主电路中相应功率管的控制端；

所述预设顺序为n个所述渐断模块对应的预设电压及所述关断模块的输出电压从高到低的顺序。

优选的，n个所述预设电压，均大于所述关断模块的输出电压，且均小于所述开通模块的输出电压。

优选的，在所述驱动控制单元根据所述功率变换电路中控制电路发送的输出短路保护信号，封锁所述控制电路发送的PWM波之前，还包括：

所述控制电路对所述功率变换电路中主电路的输出电流进行检测，在所述输出电流大于保护阈值时发送所述输出短路保护信号至所述驱动电路；

或者，所述控制电路根据上位机发出的多电平关断指令，生成并发送所述输出短路保护信号至所述驱动电路。

本发明提供的功率变换电路的驱动电路，当其驱动控制单元接收到该功率变换电路中控制电路发送的输出短路保护信号时，封锁PWM波，并按照预设顺序依次输出驱动信号至各个处理单元中的n个渐断模块及关断模块；使n个渐断模块及关断模块分别根据该驱动信号，输出各自对应的预设电压至功率变换电路主电路中相应功率管的控制端，进而控制相应功率管的控制端电压从高到低逐渐变化，直至关断；这种多电平逐渐关断的方式降低了功率管关断时两端的尖峰电压，无需再依靠TVS实现对于输出短路的保护，避免了现有技术中由于采用TVS而导致输出短路保护准确度低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的TVS钳位电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的驱动电路的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的处理单元的电路示意图；

图4是本发明实施例提供的功率变换电路的结构示意图；

图5a是现有技术提供的功率管的电压波形图；

图5b是本发明实施例提供的功率管的电压波形图；

图6是本发明另一实施例提供的功率变换电路的输出短路保护方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种功率变换电路的驱动电路，以解决现有技术中难以准确实现对于输出短路的保护的问题。

具体的，该功率变换电路的驱动电路，如图2所示，包括：驱动控制单元100和多个处理单元200；各个处理单元200分别与功率变换电路中主电路的功率管的控制端一一对应相连；参见图3，处理单元200包括：开通模块201、关断模块202和n个渐断模块(203和204)，n为大于1的正整数；

图4以逆变电路为例进行展示，其控制电路根据检测得到的相电流判断该逆变电路是否发生输出短路的情况，在正常情况下，发送PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)波至驱动电路；并在相电流大于保护阈值时判定该逆变电路发生了输出短路，然后发送输出短路保护信号至驱动电路；或者，在上位机发出多电平关断指令中，生成并发送该输出短路保护信号至该驱动电路。

在该驱动电路的内部，具体工作原理如下：

在正常情况下，驱动控制单元100接收功率变换电路中控制电路发送的PWM波，并将其转发至各个处理单元200中的开通模块201和关断模块202；使开通模块201根据PWM波控制功率变换电路主电路中的相应功率管开通，关断模块202根据PWM波控制功率变换电路主电路中的相应功率管关断。

在发生输出短路的情况下，驱动控制单元100根据控制电路发送的输出短路保护信号，封锁PWM波，并按照预设顺序依次输出驱动信号至各个处理单元200中的n个渐断模块及关断模块202；使n个渐断模块及关断模块202分别根据该驱动信号，输出各自对应的预设电压至功率变换电路主电路中相应功率管的控制端；由于该预设顺序是n个渐断模块对应的预设电压及关断模块202的输出电压从高到低的顺序，也即，n个渐断模块按照预设顺序依次导通后输出至相应功率管控制端的n个预设电压是从高到低逐渐变化的，因此将会导致相应功率管的控制端电压Vge逐渐下降，直至关断模块202根据驱动信号将相应功率管关断，进而实现了对于输出短路保护的多电平逐渐关断。

图5a为现有技术中对于输出短路保护采用硬关断方案时，功率管的控制端电压Vge及输入输出端之间的电压Vce的波形图；图5b为本实施例提供的该功率变换电路的驱动电路，能够实现的功率管的控制端电压Vge及输入输出端之间的电压Vce的波形图。由图5b可以得到，通过上述原理，能够控制相应功率管的控制端电压Vge从高到低逐渐变化，直至关断；这种多电平逐渐关断的方式降低了功率管关断时两端的尖峰电压，无需再依靠TVS实现对于输出短路的保护，避免了现有技术中由于采用TVS而导致输出短路保护准确度低的问题。

具体的实际应用中，该功率变换电路并不限定于逆变电路，该逆变电路也并不限定于图4所述的形式，处理单元200的个数与该功率变换电路主电路中功率管的个数保持一致，以一一对应相连进行驱动；只要其驱动电路能够实现上述渐断控制的方案，均在本申请的保护范围内。

本发明另一实施例还提供了一种具体的功率变换电路的驱动电路，在上述实施例及图1至图5b的基础之上，优选的，上述n个预设电压，均大于关断模块202的输出电压，且均小于开通模块201的输出电压。

优选的，参见图3，开通模块201包括：第一光耦、第一电阻R1、第二电阻R2和第一开关管M1；其中：

第一光耦的输入端与驱动控制单元100的对应输出端相连；

第一光耦的VCC脚接收第一直流电压(比如15V直流电压)，GND脚接收第二直流电压(比如0V直流电压)；

第一光耦的输出端通过第一电阻R1与VCC脚相连，且第一光耦的输出端与第一开关管M1的栅极相连；

第一开关管M1的源极接收第一直流电压；

第一开关管M1的漏极通过第二电阻R2与功率变换电路主电路中相应功率管的控制端相连。

此时，关断模块202包括：第二光耦、第三电阻R3和第二开关管M2；其中：

第二光耦的输入端与驱动控制单元100的对应输出端相连；

第二光耦的VCC脚接收第二直流电压，GND脚接收第三直流电压(比如-10V直流电压)；

第二光耦的输出端与第二开关管M2的栅极相连；

第二开关管M2的源极接收第三直流电压；

第二开关管M2的漏极通过第三电阻R3与功率变换电路主电路中相应功率管的控制端相连。

如图3所示，各个渐断模块(203和204)均包括：第三光耦、第四电阻R4、二极管D和第三开关管M3；其中：

第三光耦的输入端与驱动控制单元100的对应输出端相连；

第三光耦的VCC脚接收第一直流电压，GND脚接收第二直流电压；

第三光耦的输出端与第三开关管M3的栅极相连；

第三开关管M3的源极接收各个渐断模块相对应的基准电压；

第三开关管M3的漏极与二极管D的阴极相连；

二极管D的阳极通过第四电阻R4与功率变换电路主电路中相应功率管的控制端相连。

优选的，该功率变换电路的驱动电路，还包括：

稳压电路，用于为各个渐断模块提供对应的基准电压。比如，在图3中，稳压电路为渐断模块203提供10V直流电压，并为渐断模块204提供7V直流电压。

图3以开通模块201的输出电压(由于第二电阻R2的存在)略高于15V、关断模块202的输出电压(由于第三电阻R3的存在)略高于-10V且渐断模块203的个数n＝2为例进行展示，当控制电路发送该输出短路保护信号至驱动电路时，在各个处理单元200内部：

首先基准电压为10V的渐断模块203内，其第三光耦根据该输出短路保护信号输出15V电压，控制第三开关管M3导通，通过二极管D和第四电阻R4，将相应功率管的控制端电压下拉至略高于10V；

然后，基准电压为7V的渐断模块204内，其第三光耦根据该输出短路保护信号输出15V电压，控制第三开关管M3导通，通过二极管D和第四电阻R4，将相应功率管的控制端电压下拉至略高于7V。

最后，关断模块202内，其第二光耦根据该输出短路保护信号输出0V电压，控制第二开关管M2导通，通过第三电阻R3，将相应功率管的控制端电压下拉至略高于-10V使该功率管关断。

由于各个模块输出端电阻的存在，导致各个渐断模块输出的预设电压略高于其接收的基准电压，关断模块202的输出电压也率高于其接收的基准电压；因此，在具体的实际应用中，可以按照各个渐断模块及该关断模块202的基准电压从高到低的顺序分别给它们输出驱动信号，进而使得n个渐断模块依次输出的n个预设电压及关断模块202的输出电压按照从高到低的顺序分别输出至相应开关管的控制端，进而使得相应功率管的控制端电压Vge逐渐下降，直至关断。

值得说明的是，n与图5b中功率管的控制端电压Vge能够实现的电平个数相同，n越大，则越有利于降低功率管关断时两端的尖峰电压。n的具体取值可以视其应用环境而定，此处不做限定，均在本申请的保护范围内；并且，稳压电路提供的基准电压还可以为其他电压值，具体可以根据n的数量自定义多级关断电压，只要使各个渐断模块的输出电压分别处于开通模块201的输出电压和关断模块202的输出电压之间，即可实现上述多电平逐渐关断的过程，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

本实施例提供的功率变换电路的驱动电路，易于实现，成本增加可控。

本发明另一实施例还提供了一种功率变换电路，如图4所示，包括：主电路、控制电路和驱动电路；其中：

主电路用于对主电路的输入端接收的电能进行功率变换后输出；

控制电路用于发送PWM波至驱动电路，接收驱动电路的故障返回信号；并对主电路的输出电流进行检测，在输出电流大于保护阈值或者接收到上位机发出的多电平关断指令时，发送输出短路保护信号至驱动电路。

驱动电路的具体结构和工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

值得说明的是，图4中以6个功率管组成的全桥拓扑实现主电路为例进行展示，而主电路的具体形式并不仅限于此，还可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

本发明另一实施例还提供了一种功率变换电路的输出短路保护方法，应用于功率变换电路，该功率变换电路的驱动电路，如图2所示，包括：驱动控制单元100和多个处理单元200；各个处理单元200分别与功率变换电路中主电路的功率管的控制端一一对应相连；参见图3，处理单元200包括：开通模块201、关断模块202和n个渐断模块203，n为大于1的正整数；

参见图6，该功率变换电路的输出短路保护方法包括：

S101、驱动控制单元根据功率变换电路中控制电路发送的输出短路保护信号，封锁控制电路发送的PWM波，并按照预设顺序依次输出驱动信号至各个处理单元中的n个渐断模块及关断模块；

S102、n个渐断模块及关断模块分别根据驱动信号，输出各自对应的预设电压至功率变换电路主电路中相应功率管的控制端；

所述预设顺序为n个所述渐断模块对应的预设电压及所述关断模块的输出电压从高到低的顺序。

该关断模块所对应的预设电压也即其输出电压。

优选的，n个预设电压，均大于关断模块202的输出电压，且均小于开通模块201的输出电压。

优选的，参见图6，在步骤S101之前，还包括：

该控制电路对功率变换电路中主电路的输出电流进行检测，在输出电流大于保护阈值时发送输出短路保护信号至驱动电路；

或者，控制电路根据上位机发出的多电平关断指令，生成并发送该输出短路保护信号至驱动电路。

具体的原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

该功率变换电路的输出短路保护方法，在判断输出短路的情况下进行多电平逐渐关断，控制功率管的关断尖峰不超过器件额定电压，进而实现准确的安全保护，并可节省TVS构成的钳位电路。

另外，该功率变换电路的输出短路保护方法，不仅适用于两电平逆变器电路，也适用于多电平逆变电路，还可应用于所有功率变换电路的输出短路保护或者过流保护。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种功率变换电路的驱动电路，其特征在于，包括：驱动控制单元和多个处理单元；各个所述处理单元分别与所述功率变换电路中主电路的功率管的控制端一一对应相连；所述处理单元包括：开通模块、关断模块和n个渐断模块，n为大于1的正整数；其中：

所述驱动控制单元用于接收所述功率变换电路中控制电路发送的脉冲宽度调制PWM波转发至各个处理单元中的所述开通模块和所述关断模块；根据所述控制电路发送的输出短路保护信号，封锁所述PWM波，并按照预设顺序依次输出驱动信号至各个所述处理单元中的n个所述渐断模块及所述关断模块；

所述开通模块用于根据所述PWM波控制所述功率变换电路主电路中的相应功率管开通；

所述关断模块用于根据所述PWM波或者所述驱动信号，控制所述功率变换电路主电路中的相应功率管关断；

n个所述渐断模块分别用于根据所述驱动信号，输出各自对应的预设电压至所述功率变换电路主电路中相应功率管的控制端；

所述预设顺序为n个所述渐断模块对应的预设电压及所述关断模块的输出电压从高到低的顺序。

2.根据权利要求1所述的功率变换电路的驱动电路，其特征在于，n个所述预设电压，均大于所述关断模块的输出电压，且均小于所述开通模块的输出电压。

3.根据权利要求1所述的功率变换电路的驱动电路，其特征在于，所述开通模块包括：第一光耦、第一电阻、第二电阻和第一开关管；其中：

所述第一光耦的输入端与所述驱动控制单元的对应输出端相连；

所述第一光耦的VCC脚接收第一直流电压，GND脚接收第二直流电压；

所述第一光耦的输出端通过所述第一电阻与VCC脚相连，且所述第一光耦的输出端与所述第一开关管的栅极相连；

所述第一开关管的源极接收第一直流电压；

所述第一开关管的漏极通过所述第二电阻与所述功率变换电路主电路中相应功率管的控制端相连。

4.根据权利要求1所述的功率变换电路的驱动电路，其特征在于，所述关断模块包括：第二光耦、第三电阻和第二开关管；其中：

所述第二光耦的输入端与所述驱动控制单元的对应输出端相连；

所述第二光耦的VCC脚接收第二直流电压，GND脚接收第三直流电压；

所述第二光耦的输出端与所述第二开关管的栅极相连；

所述第二开关管的源极接收第三直流电压；

所述第二开关管的漏极通过所述第三电阻与所述功率变换电路主电路中相应功率管的控制端相连。

5.根据权利要求1所述的功率变换电路的驱动电路，其特征在于，所述渐断模块包括：第三光耦、第四电阻、二极管和第三开关管；其中：

所述第三光耦的输入端与所述驱动控制单元的对应输出端相连；

所述第三光耦的VCC脚接收第一直流电压，GND脚接收第二直流电压；

所述第三光耦的输出端与所述第三开关管的栅极相连；

所述第三开关管的源极接收各个所述渐断模块相对应的基准电压；

所述第三开关管的漏极与所述二极管的阴极相连；

所述二极管的阳极通过所述第四电阻与所述功率变换电路主电路中相应功率管的控制端相连。

6.根据权利要求5所述的功率变换电路的驱动电路，其特征在于，还包括：

稳压电路，用于为各个所述渐断模块提供对应的基准电压。

7.一种功率变换电路，其特征在于，包括：主电路、控制电路和如权利要求1-6任一所述的功率变换电路的驱动电路；其中：

所述主电路用于对所述主电路的输入端接收的电能进行功率变换后输出；

所述控制电路用于发送PWM波至所述驱动电路，接收所述驱动电路的故障返回信号；并对所述主电路的输出电流进行检测，在所述输出电流大于保护阈值或者接收到上位机发出的多电平关断指令时，发送输出短路保护信号至所述驱动电路。

8.一种功率变换电路的输出短路保护方法，其特征在于，应用于所述功率变换电路，所述功率变换电路的驱动电路包括：驱动控制单元和多个处理单元；各个所述处理单元分别与所述功率变换电路中主电路的功率管的控制端一一对应相连；所述处理单元包括：开通模块、关断模块和n个渐断模块，n为大于1的正整数；所述功率变换电路的输出短路保护方法包括：

所述驱动控制单元根据所述功率变换电路中控制电路发送的输出短路保护信号，封锁所述控制电路发送的PWM波，并按照预设顺序依次输出驱动信号至各个所述处理单元中的n个所述渐断模块及所述关断模块；

n个所述渐断模块及所述关断模块分别根据所述驱动信号，输出各自对应的预设电压至所述功率变换电路主电路中相应功率管的控制端；

所述预设顺序为n个所述渐断模块对应的预设电压及所述关断模块的输出电压从高到低的顺序。

9.根据权利要求8所述的功率变换电路的输出短路保护方法，其特征在于，n个所述预设电压，均大于所述关断模块的输出电压，且均小于所述开通模块的输出电压。

10.根据权利要求8所述的功率变换电路的输出短路保护方法，其特征在于，在所述驱动控制单元根据所述功率变换电路中控制电路发送的输出短路保护信号，封锁所述控制电路发送的PWM波之前，还包括：

所述控制电路对所述功率变换电路中主电路的输出电流进行检测，在所述输出电流大于保护阈值时发送所述输出短路保护信号至所述驱动电路；

或者，所述控制电路根据上位机发出的多电平关断指令，生成并发送所述输出短路保护信号至所述驱动电路。