CN109088398A - 大功率电源用开关电源逆变器保护系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统包括分别输出至逆变器控制器的输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电流检测电路和输出电压钳位电路；还包括逆变器驱动和保护电路，其包括共导逻辑保护电路、上桥臂驱动IC、下桥臂驱动IC，以及门极驱动互锁电路，所述的门极驱动互锁电路包括基极与下桥臂驱动IC输出相连的互锁三极管，所述的互锁三极管的集电极连接上桥臂IGBT管门极，发射极连接H桥输出。

Description

大功率电源用开关电源逆变器保护系统及控制方法

技术领域

本发明属于开关电源技术领域，具体涉及一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统及控制方法。

背景技术

一般的大功率开关电源的逆变器由四个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)组成，上桥臂由IGBT Q1B、Q2B、组成，下桥臂由可控硅Q1A、Q2A组成，其中绝缘栅双极型晶体管Q1B的发射极与绝缘栅双极型晶体管Q1A的集电极连接构成一个桥臂，其中绝缘栅双极型晶体管Q2B的发射极与绝缘栅双极型晶体管Q2A的集电极连接构成一个桥臂。针对逆变器的保护是单纯依靠驱动芯片对逆变器的功率管的管压降的检测进行保护的。这种保护方式具有以下一些问题。

1、保护比较单一，关键保护没有冗余功能，一旦唯一节点保护失效，就没有其他补救措施了，将是灾难结果。

2、实际应用中，管压降保护电路容易受到干扰，导致误动作，为了抗干扰，需要增加滤波电容，这将导致保护电路的快速反应能力下降，保护不及时等矛盾问题。

3、管压降保护电路的通用性不强，第一，同一型号的IGBT，不同批号的管压降会有区别，这会导致保护有差异，管压降低的保护电流比管压降高的电流大，更加容易损坏。第二，不同型号的IGBT管压降差异更加大，比如低导通压降型号的管子和高速型号的管子管压降可以差别到2倍以上，同时管压降的伏安曲线差异也很大。这将导致同一保护参数，完全不能通用在两个不同型号的IGBT上面。

4、保护不全面，只有电流管压降检测保护。逆变器的保护涉及到过电压，驱动逻辑等都没有。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，该大功率电源用开关电源逆变器保护系统具有可靠、通用、高精度全面等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统包括分别输出至逆变器控制器的输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电流检测电路和输出电压钳位电路，还包括逆变器驱动和保护电路，其包括共导逻辑保护电路、上桥臂驱动IC、下桥臂驱动IC，以及门极驱动互锁电路，所述的门极驱动互锁电路包括基极与下桥臂驱动IC输出相连的互锁三极管，所述的互锁三极管的集电极连接上桥臂IGBT管门极，发射极连接H桥输出。

在上述技术方案中，所述的共导逻辑保护电路包括两个反相门和两个与门，两个桥臂的驱动信号分别输入至与门的一个输入端，两个与门的输出对应连接上桥臂驱动IC和下桥臂驱动IC，同时两个与门的输出分别经反相门后连通至另一与门的另一输入端以实现互锁。

在上述技术方案中，所述的输入电流检测电路和输出电流检测电路分别包括电流传感器，用以将采样信号放大的放大器以及用以与设定基准进行比较的比较器，所述的比较器的输出连接至逆变器控制器。

在上述技术方案中，所述的输入电压检测电路包括欠压检测电路、过压检测电路、电压抬升电路以及电压检测输出电路，所述的电压检测输出电路包括光耦和上拉电阻。

在上述技术方案中，所述的过压检测电路包括过压采样电路和过压三极管；所述的欠压检测电路包括欠压采样电路和欠压三极管，所述的电压抬升电路包括与串接在光耦正极与电源正极间的第一稳压管和限流电阻，以及串接在限流电阻和欠压三极管发射极间的第二稳压管，所述的光耦的负极接欠压三极管的集电极，所述的过压三极管的集电极接入第二稳压管的输入端。

在上述技术方案中，所述的欠压三极管和过压三极管的发射极上分别设置有电压基准元件。

在上述技术方案中，所述的过压电压采样电路和分压采用电路分别包括两个串联的电阻，对应的过压三极管和欠压三极管的基极对应分别接入两电阻间。

在上述技术方案中，所述的电压基准元件为TL431，所述的过压三极管的集电极上串设有发光二极管。

在上述技术方案中，输出电压钳位电路包括分别并接在交流输出线上且另一端接地的两个压敏电阻，对应贴装在压敏电阻上的两个温度继电器，所述的温度继电器串接后一端经限流电阻接电源Vcc一端接地，所述的电压嵌位保护输出并接在限流电阻与温度继电器间。

在上述技术方案中，所述的输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电流检测电路和输出电压钳位电路的输出对应接入或非门的4个输入端，或非门输出连接到PWM控制器使能端。

在上述技术方案中，所述的互锁三极管的基极经二极管和限流电阻后接入下桥臂驱动IC输出。

一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统的控制方法：

当输入电压、输入电流、输出电压或输出电流超出正常范围，则逆变器控制器停止逆变器工作；当电压恢复后，延迟预定时间后重新启动逆变器；

当PWM受干扰时，通过门极驱动互锁确保上下桥臂不出现共导现象。

本发明的优点和有益效果为：本发明通过多重保护电路设计，可以对逆变器的安全工作区、逆变器驱动逻辑进行全面系统的保护。电路简单、成本低，同时具有设计高可靠性和高稳定度等优点。电路通用性好，也可以使用到其他类似产品上面去。

附图说明

图1大功率电源用开关电源逆变器保护系统框图

图2输入电压检测电路；

图3输入电流检测电路；

图4输出电流检测电路；

图5输出电压钳位电路；

图6逆变器驱动和保护电路；

图7逆变器控制电路；

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1-7所示，本实施例的大功率电源用开关电源逆变器保护系统，包括分别输出至逆变器控制器，即逆变器控制电路6的输入电压检测电路1、输入电流检测电路2、输出电流检测电路3和输出电压钳位电路4，还包括逆变器驱动和保护电路5，其包括共导逻辑保护电路、上桥臂驱动IC、下桥臂驱动IC，以及门极驱动互锁电路，所述的门极驱动互锁电路包括基极与下桥臂驱动IC输出相连的互锁三极管，所述的互锁三极管的集电极连接上桥臂IGBT管门极，发射极连接H桥输出。其中，所述的共导逻辑保护电路包括两个反相门U1A和U1B和两个与门U2A和U2A，两个桥臂的驱动信号分别输入至与门的一个输入端，两个与门的输出对应连接上桥臂驱动IC和下桥臂驱动IC，同时两个与门的输出分别经反相门后连通至另一与门的另一输入端以实现互锁。

其中，输入电压检测电路1的输入端并接在H桥逆变器15的输入母线正端11和负端23两端。H桥逆变器15的输入端母线正端11穿过输入电流检测电路2的电流传感器Tin。H桥逆变器15的输出两端12和27的任一端(图1所示为H桥逆变器15的输出端12)穿过输出电流检测电路3的电流传感器Tout。输出电压钳位电路4跨接在H桥逆变器15的输出端12、27与地之间。输入电压检测电路1、输入电流检测电路2、输出电流检测电路3和输出电压钳位电路4的相应保护输出信号7、8、9和10与逆变器控制电路6相连。逆变器控制电路6输出PWM信号14与逆变器驱动和保护电路5相连，逆变器驱动和保护电路5输出IGBT驱动信号13与H桥逆变器15相连。

如图6为所示逆变器驱动和保护电路5，包括共导逻辑保护电路21、驱动ICA、驱动ICB、门极驱动互锁电路22。共导逻辑保护电路21为常规电路。驱动ICA和驱动ICB可以根据IGBT管Q1A和Q1B的参数来选择合适的型号(如HCPL316J、M57959等)。门极驱动互锁电路22包括电阻R1、二极管D2和三极管Q3，电阻R1一端与下桥臂驱动ICB输出相连，另一端连接二极管D2阳极，二极管阴极连接三极管Q3基极，三极管Q3集电极连接上桥臂IGBT管Q1A的门极，发射极连接H桥输出12。

如图6所示逆变器驱动和保护电路5的工作过程为：

PWM信号14通过共导逻辑保护电路21，在经过驱动ICA和驱动ICB和限流电阻Ra、Rb，驱动桥臂IGBT管，按要求的时序工作。门极驱动互锁电路22的工作过程为：当下桥臂IGBT管Q1B驱动为高时，三极管Q3导通，锁定上桥臂驱动电平为低电平，实现了互锁。本电路可在PWM信号和驱动信号的时序被干扰时可靠对IGBT进行保护。

如图7为逆变器控制电路6，包括一个4输入或非门和一个PWM控制器。采样保护输出信号分别连接到或非门的4个输入端，或非门输出连接到PWM控制器使能端，PWM控制器可采用单片机或专用芯片(如UC2895、SG3525等)。只要有一个保护信号(高电平保护)出现，或非门输出低电平，关闭PWM信号14，保护H桥逆变器15。

其中，所述的输入电流检测电路和输出电流检测电路分别包括电流传感器，用以将采样信号放大的放大器以及用以与设定基准进行比较的比较器，所述的比较器的输出连接至逆变器控制器。

具体来说，如图3所示，逆变器输入电流检测电路2由电流传感器Tin、采样信号放大器16和比较器Uh1C组成。由电阻Rh1～Rh5、运放Uh1D构成采样信号放大器16，该放大器为常规放大器设计。传感器Tin输出的采样信号经信号放大器16放大后通过电阻Rh11连接到比较器Uh1C的负输入端，与设定基准Ref1比较。设定基准Ref1是逆变器输入电流的超限值，检测到的信号超过设定基准Ref1，输入电流检测输出8翻转，输出高电平。

如图4所示，逆变器输出电流检测电路3由电流传感器Tout、采样信号放大器17和比较器Uh1B组成。由电阻Rh6～Rh10和运放Uh1A组成采样信号放大器17，该放大器也为常规放大器设计。传感器Tout输出的采样信号经信号放大器17放大后通过电阻Rh12连接到比较器Uh1B的负输入端，与设定基准Ref2比较。设定基准Ref2是逆变器输出电流的过载值，检测到的信号超过设定基准Ref2，检测电路输出9翻转，输出高电平。逆变器输出电流检测功能，可以用于实现逆变器峰值电流工作模式，并且保护IGBT(或负载)在安全工作电流范围内，增强逆变器的性能和可靠性。

本发明通过多重保护电路设计，可以对逆变器的安全工作区、逆变器驱动逻辑进行全面系统的保护。电路简单、成本低，同时具有设计高可靠性和高稳定度等优点。电路通用性好，也可以使用到其他类似产品上面去。

实施例二

具体来说，如图2所示为逆变器输入电压检测电路1，包括过压检测电路18、欠压检测电路19、电压抬升电路20、光耦Uu1和上拉电阻Ru7。过压检测电路18跨接在输入母线正端11和输入母线负端23之间，过压检测电路18的过压输出24与电压抬升电路相连。欠压检测电路19跨接在输入母线正端11和输入母线负端23之间，欠压检测电路19的欠压输出26与光耦Uu1的发光二极管阴极相连，欠压发射极输出25与电压抬升电路20相连。

过压检测电路18包括：电阻Ru1、Ru2、过压三极管Qu4和电压基准元件，即基准Tu1。基准Tu1采用TL431。作为过压电压采样电路的电阻Ru1和Ru2串联后跨接在输入母线正端11和输入母线负端23之间，通过设定电阻Ru1和Ru2的比值来设定输入母线电压上限。过压三极管Qu4基极连接在电阻Ru1和Ru2的串联点，过压三极管Qu4集电极为过压输出24，与电压抬升电路20中的稳压管Du12的阴极和发光二极管LDu1的阴极相连，过压三极管Qu4发射极与基准Tu1的阴极和基准输出端相连，基准Tu1的阳极与输入母线负端23相连。

欠压检测电路19包括电阻Ru3、Ru4、欠压三极管Qu5和基准Tu2。电压基准元件，即基准Tu2采用TL431。电阻Ru3、Ru4串联后跨接在输入母线正端11和输入母线负端23之间，通过电阻Ru3和电阻Ru4的比值来设定母线电压下限。欠压三极管Qu5基极连接在电阻Ru3和Ru4的串联点，欠压三极管Qu5集电极为欠压输出26，连接到光耦Uu1的发光管的阴极，欠压三极管Qu5发射极为欠压发射极输出25，与基准Tu2的阴极、基准Tu2的基准输出端相连，基准Tu2的阳极与输入母线负端23相连。

其中，电压抬升电路包括限流电阻Ru6,、稳压管Du01、Du12和发光二极管LDu1；限流电阻Ru6一端连接在输入母线正端11，另一端分别与稳压管Du01的阴极、发光二极管LDu1的阳极相连，通过选择稳压管的稳压值来设定限流电阻Ru6与Du01的阴极、LDu1的阳极相连点的电压，本例选择10V稳压管；稳压管Du12阴极与欠压保护电路19中的基准Tu2的阴极相连，稳压管Du01的阴极与光耦Uu1的发光管阳极相连。光耦Uu1的光电三极管集电极为输入电压检测保护输出端，通过上拉电阻Ru7连接到电源Vcc，发射极连接到地。

如图2所示逆变器输入电压检测电路1的工作过程为：

输入母线电压正常时过压三极管Qu4关闭、欠压三极管Qu5导通，电阻Ru6、稳压管Du01、光耦Uu1的发光二极管、欠压三极管Qu5和基准Tu2形成通路，光耦Uu输出导通，保护输出信号7为低电平；过压保护时，过压三极管Qu4导通，电阻Ru6、发光二极管LDu1、过压三极管Qu4和基准Tu1形成通路，将稳压管Du01阴极电压拉低，光耦Uu1输出关闭，保护输出信号7为高电平；欠压时，欠压三极管Qu5关闭，光耦Uu1的发光二极管通路断开，光耦Uu1输出关闭，保护输出信号7为高电平。

本逆变器输入电压检测电路采样无源设计提高了电压检测电路的抗干扰能力和简洁性；过压三极管Qu4、Qu5的采用提高了检测灵敏度；电压抬升电路提高检测可靠性。

实施例三

所述的输出电压钳位电路包括分别并接在交流输出线上且另一端接地的两个压敏电阻，对应贴装在压敏电阻上的两个温度继电器，所述的温度继电器串接后一端经限流电阻接电源Vcc一端接地，所述的电压嵌位保护输出并接在限流电阻与温度继电器间。

如图5所示，逆变器输出电压钳位电路4包括压敏电阻Rym1、Rym2、温度继电器FR1、FR2组成，压敏电阻Rym1、Rym2的一端连接到由IGBT管Q1A、Q1B、Q2A和Q2B组成的H桥输出两端12和27，另一端接地。温度继电器FR1、FR2分别贴装在压敏电阻Rym1、Rym2上，触点常闭。通过逆变器输出电压钳位电路，可确保逆变器对地电压在安全电压范围内。当温度继电器FR1、FR2检测到压敏电阻Rym1、Rym2超温时，触点断开，继电器电压钳位电路的保护信号输出10变为高电平。

本发明的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统的控制方法，其特征在于：

当输入电压、输入电流、输出电压或输出电流超出正常范围，则逆变器控制器停止逆变器工作；当电压恢复后，延迟预定时间后重新启动逆变器；

当PWM受干扰时，通过门极驱动互锁确保上下桥臂不出现共导现象。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：包括分别输出至逆变器控制器的输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电流检测电路和输出电压钳位电路，还包括逆变器驱动和保护电路，其包括共导逻辑保护电路、上桥臂驱动IC、下桥臂驱动IC，以及门极驱动互锁电路，所述的门极驱动互锁电路包括基极与下桥臂驱动IC输出相连的互锁三极管，所述的互锁三极管的集电极连接上桥臂IGBT管门极，发射极连接H桥输出。

2.根据权利要求1所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：所述的共导逻辑保护电路包括两个反相门和两个与门，两个桥臂的驱动信号分别输入至与门的一个输入端，两个与门的输出对应连接上桥臂驱动IC和下桥臂驱动IC，同时两个与门的输出分别经反相门后连通至另一与门的另一输入端以实现互锁。

3.根据权利要求1所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：所述的输入电流检测电路和输出电流检测电路分别包括电流传感器，用以将采样信号放大的放大器以及用以与设定基准进行比较的比较器，所述的比较器的输出连接至逆变器控制器。

4.根据权利要求1所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：所述的输入电压检测电路包括欠压检测电路、过压检测电路、电压抬升电路以及电压检测输出电路，所述的电压检测输出电路包括光耦和上拉电阻。

5.根据权利要求4所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：所述的过压检测电路包括过压采样电路和过压三极管；所述的欠压检测电路包括欠压采样电路和欠压三极管，所述的电压抬升电路包括与串接在光耦正极与电源正极间的第一稳压管和限流电阻，以及串接在限流电阻和欠压三极管发射极间的第二稳压管，所述的光耦的负极接欠压三极管的集电极，所述的过压三极管的集电极接入第二稳压管的输入端。

6.根据权利要求5所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：所述的欠压三极管和过压三极管的发射极上分别设置有电压基准元件。

7.根据权利要求5所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：所述的过压电压采样电路和分压采用电路分别包括两个串联的电阻，对应的过压三极管和欠压三极管的基极对应分别接入两电阻间。

8.根据权利要求6所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：所述的电压基准元件为TL431，所述的过压三极管的集电极上串设有发光二极管。

9.根据权利要求1所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：输出电压钳位电路包括分别并接在交流输出线上且另一端接地的两个压敏电阻，对应贴装在压敏电阻上的两个温度继电器，所述的温度继电器串接后一端经限流电阻接电源Vcc一端接地，所述的电压嵌位保护输出并接在限流电阻与温度继电器间。

10.根据权利要求1所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：所述的输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电流检测电路和输出电压钳位电路的输出对应接入或非门的4个输入端，或非门输出连接到PWM控制器使能端。

11.根据权利要求1所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统，其特征在于：所述的互锁三极管的基极经二极管和限流电阻后接入下桥臂驱动IC输出。

12.一种根据权利要求1-11任一项所述的一种大功率电源用开关电源逆变器保护系统的控制方法，其特征在于：

当输入电压、输入电流、输出电压或输出电流超出正常范围，则逆变器控制器停止逆变器工作；当电压恢复后，延迟预定时间后重新启动逆变器；

当PWM受干扰时，通过门极驱动互锁确保上下桥臂不出现共导现象。