CN115296327A - 交直流微电网运行保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电源技术领域，提出了交直流微电网运行保护电路，包括交流母线和直流母线，交流母线和直流母线之间通过双向AC‑DC模块连接，双向AC‑DC模块包括多个半桥电路，每一半桥电路均设置有驱动保护电路，其中一个半桥电路包括开关管Q1和开关管Q2，驱动保护电路包括驱动芯片U2和过流保护电路，驱动芯片U2的高端输入和低端输入均与主控芯片连接，驱动芯片U2的高端输出与开关管Q1的栅极连接，驱动芯片的高端浮置偏移电压端与开关管Q1的发射极连接，驱动芯片U2的低端输出与开关管Q2的栅极连接，过流保护电路的输出端接入驱动芯片U2的关断端。通过上述技术方案，解决了现有技术中交直流微电网运行保护电路可靠性差的问题。

Description

交直流微电网运行保护电路
技术领域
本发明属于电源技术领域，涉及交直流微电网运行保护电路。
背景技术
微电网从交流母线和直流母线的配置角度，可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。交直流混合微电网因其兼备交流微电网与直流微电网的优势，能更好促进分布式电源的消纳，同时可以提高经济效益，是微电网发展的趋势。交直流混合微电网的典型结构包括各自独立连接运行的直流微电网系统和交流微电网系统以及双向变流器，如右图1所示。图中：DG代表各类分布式电源，如光伏、风机、燃料电池、微型同步电机等；ESS代表储能装置，如蓄电池、超级电容器等，各电力电子装置根据母线类型和控制要求选择类型。本质上，交直流混合微电网结构是在交流微电网的基础上发展而来，其核心为交流微电网系统中的交流母线，承担整个系统的连接反馈作用。而直流微电网子系统可视为逆变器作用下的特殊DG，其重点是维持直流母线电压稳定，以确保供电可靠。
交直流混合微电网运行方式相比于单一系统的微电网而言更加灵活，可以最大程度地满足就地消纳资源、响应负荷需求等微电网规划设计的个性化需要。相应的，其控制更为复杂，而且需要有更加可靠的运行保护电路，以保证交直流微电网的稳定运行。
发明内容
本发明提出交直流微电网运行保护电路，解决了现有技术中交直流微电网运行保护电路可靠性差的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：所述交直流微电网包括交流母线和直流母线，所述交流母线和直流母线之间通过双向AC-DC模块连接，所述双向AC-DC模块包括多个半桥电路，每一所述半桥电路均设置有驱动保护电路，其中一个半桥电路包括开关管Q1和开关管Q2，所述驱动保护电路包括驱动芯片U2和过流保护电路，所述驱动芯片U2的高端输入和低端输入均与主控芯片连接，所述驱动芯片U2的高端输出与所述开关管Q1的栅极连接，所述驱动芯片的高端浮置偏移电压端与所述开关管Q1的发射极连接，所述驱动芯片U2的低端输出与所述开关管Q2的栅极连接，
所述过流保护电路包括电阻R2、电阻R1、电阻R4和比较器U3，所述电阻R2的第一端与所述开关管Q2的发射极连接，所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R1的第一端依次通过电阻R1、电阻R4接地，所述电阻R1和所述电阻R4的串联点接入所述比较器U3的同相输入端，所述比较器U3的反相输入端与基准电压VREF1连接，所述比较器U3的输出端接入所述驱动芯片U2的关断端。
进一步，还包括第一基准源电路，所述第一基准源电路包括串联的电阻R9和电阻R10，所述电阻R9的一端与电源15V连接，所述电阻R10的一端接地，所述电阻R9和所述电阻R10的串联点作为所述基准电压VREF1，接入所述比较器U3的反相输入端。
进一步，还包括防饱和电路，所述防饱和电路包括二极管D1、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1的阳极与所述驱动芯片U2的高端输出连接，所述二极管D1的阴极接入所述开关管Q1的栅极，所述二极管D1的阳极与所述二极管D4的阳极连接，所述二极管D4的阴极接入所述开关管Q1的集电极，
所述二极管D3的阴极与所述二极管D1的阳极连接，所述二极管D3的阳极与所述二极管D1的阴极连接。
进一步，还包括直流负载短路保护电路，所述直流负载短路保护电路包括PMOS管Q10、PMOS管Q11、比较器U4A、驱动芯片U1、与非门U8、电压调节电路和负载电压检测电路，
所述PMOS管Q10的源极与直流母线连接，所述PMOS管Q10的漏极用于与负载连接，
所述负载电压检测电路用于检测负载电压，所述负载电压检测电路的输出端接入所述电压调节电路的输入端，所述电压调节电路的输出端接入所述与非门U8的第一输入端，
所述负载电压检测电路的输出端接入所述比较器U4A的同相输入端，所述比较器U4A的反相输入端与基准电压VREF2连接，所述比较器U4A的输出端接入所述与非门U8的第二输入端，所述与非门U8的输出端接入所述驱动芯片U1的输入端，所述驱动芯片U1的输出端接入所述PMOS管Q10的栅极，
所述PMOS管Q11的源极通过电阻R8与直流母线连接，所述PMOS管Q11的漏极与所述PMOS管Q10的漏极连接，所述PMOS管Q11的栅极与所述比较器U4A的输出端连接。
进一步，所述电压调节电路包括依次连接的运放U7、比较器U4B和施密特触发器U6，所述运放U7的同相输入端与所述电压检测电路的输出端连接，所述运放U7的反相输入端与基准电压VREF3连接，所述运放U7的输出端通过电阻R17反馈连接至所述运放U7的反相输入端，
所述运放U7的输出端接入所述比较器U4B的同相输入端，所述比较器U4B的反相输入端与锯齿波发生电路连接，所述比较器U4B的输出端接入所述施密特触发器U6的3A输入端，所述施密特触发器U6的3Y输出端接入所述施密特触发器U6的2A输入端，所述施密特触发器U6的2Y输出端作为所述电压调节电路的输出，接入所述与非门U8的第一输入端。
进一步，所述电压检测电路包括电阻R11、电位器RP1和电阻R12，所述电阻R11、电位器RP1和电阻R12组成串联支路，并联在负载两端，所述电位器RP1和所述电阻R12的串联点作为所述电压检测电路的输出。
进一步，还包括第二基准源电路，所述第二基准源电路包括串联的电阻R13和电阻R14，所述电阻R13的一端接地，所述电阻R14的一端与电源5V连接，所述电阻R13和所述电阻R14的串联点作为所述基准电压VREF2，接入所述比较器U4A的反相输入端。
进一步，还包括第二基准源电路，所述第二基准源电路包括串联的电阻R18和电阻R15，所述电阻R18的一端接地，所述电阻R15的一端与电源15V连接，所述电阻R18和所述电阻R15的串联点作为所述基准电压VREF3，接入所述运放U7的反相输入端。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明中双向AC-DC模块包括三个半桥电路，每一半桥电路均设置有驱动保护电路，用于驱动半桥电路中的两个MOS管工作。以开关管Q1和开关管Q2组成的半桥为例，驱动芯片U2的具体型号为IR2110S，具体独立的高端输出和低端输出，其中，高端输出用于控制开关管Q1工作，低端输出用于控制开关管Q2工作，电阻R2串联在开关管Q2的发射极和地之间，当AC-DC模块的交流侧发生过流故障时，电阻R2两端的电压升高，电阻R4分压增加，大于基准电压VREF1，比较器U3输出高电平到驱动芯片U2的关断端，及时关断开关管Q1和开关管Q2，避免对开关管Q1和开关管Q2造成损坏。
本发明能够实现双向AC-DC模块的可靠保护，而且电路结构简单、反映迅速。
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的说明。
图1为交直流混合微电网的典型结构示意图；
图2为本发明中驱动保护电路原理图；
图3为本发明中直流负载短路保护电路原理图；
图中：1驱动保护电路，2直流负载短路保护电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1-图2所示，本实施例交直流微电网包括交流母线和直流母线，交流母线和直流母线之间通过双向AC-DC模块连接，双向AC-DC模块包括多个半桥电路，每一半桥电路均设置有驱动保护电路，其中一个半桥电路包括开关管Q1和开关管Q2，驱动保护电路包括驱动芯片U2和过流保护电路，驱动芯片U2的高端输入HIN和低端输入LIN均与主控芯片连接，驱动芯片U2的高端输出HO与开关管Q1的栅极连接，驱动芯片的高端浮置偏移电压端VS与开关管Q1的发射极连接，驱动芯片U2的低端输出LO与开关管Q2的栅极连接，
过流保护电路包括电阻R2、电阻R1、电阻R4和比较器U3，电阻R2的第一端与开关管Q2的发射极连接，电阻R2的第二端接地，电阻R1的第一端依次通过电阻R1、电阻R4接地，电阻R1和电阻R4的串联点接入比较器U3的同相输入端，比较器U3的反相输入端与基准电压VREF1连接，比较器U3的输出端接入驱动芯片U2的关断端。
本发明中双向AC-DC模块包括三个半桥电路，每一半桥电路均设置有驱动保护电路，用于驱动半桥电路中的两个MOS管工作。以开关管Q1和开关管Q2组成的半桥为例，驱动芯片U2的具体型号为IR2110S，具体独立的高端输出HO和低端输出LO，其中，高端输出HO用于控制开关管Q1工作，低端输出LO用于控制开关管Q2工作，电阻R2串联在开关管Q2的发射极和地之间，当AC-DC模块的交流侧发生过流故障时，电阻R2两端的电压升高，电阻R4分压增加，大于基准电压VREF1，比较器U3输出高电平到驱动芯片U2的关断端，及时关断开关管Q1和开关管Q2，避免对开关管Q1和开关管Q2造成损坏。
本发明能够实现双向AC-DC模块的可靠保护，而且电路结构简单、反映迅速。
进一步，如图2所示，还包括第一基准源电路，第一基准源电路包括串联的电阻R9和电阻R10，电阻R9的一端与电源15V连接，电阻R10的一端接地，电阻R9和电阻R10的串联点作为基准电压VREF1，接入比较器U3的反相输入端。
电阻R9和电阻R10组成分压电路，串联在电源15V和地之间，电阻R10的分压作为基准电压VREF1。根据实际需要，通过调节电阻R9和电阻R10的阻值，可以调节基准电压VREF1的大小，电路结构简单、操作方便。
进一步，还包括防饱和电路，如图2所示，防饱和电路包括二极管D1、二极管D3和二极管D4，二极管D1的阳极与驱动芯片U2的高端输出连接，二极管D1的阴极接入开关管Q1的栅极，二极管D1的阳极与二极管D4的阳极连接，二极管D4的阴极接入开关管Q1的集电极，
二极管D3的阴极与二极管D1的阳极连接，二极管D3的阳极与二极管D1的阴极连接。
如图2所示，在AC-DC模块的每个开关管栅极设置有防饱和电路，使开关管保持在临界饱和状态，从而实现开关管在饱和区和截止区之间快速切换，提高开关管的开关速度。以开关管Q1的防饱和电路为例，以开关管Q1的发射极E为参考点，A点电压为UA=UF+UBE，二极管D4两端的电压为UD4= UA-UCE= UF+UBE-UCE，当开关管Q1处于临界饱和区时，UBE=UCE，UD4= UF，二极管D4导通，此时电流从二极管D4溢流，避免基极电流过大、开关管Q1进入深度饱和状态，有利于提高开关速度。
二极管D3并联在二极管D1的两端，用于为反向电流提供通道。
进一步，还包括直流负载短路保护电路，如图3所示，直流负载短路保护电路包括PMOS管Q10、PMOS管Q11、比较器U4A、驱动芯片U1、与非门U8、电压调节电路和负载电压检测电路，
PMOS管Q10的源极与直流母线连接，PMOS管Q10的漏极用于与负载连接，
负载电压检测电路用于检测负载电压，负载电压检测电路的输出端接入电压调节电路的输入端，电压调节电路的输出端接入与非门U8的第一输入端，
负载电压检测电路的输出端接入比较器U4A的同相输入端，比较器U4A的反相输入端与基准电压VREF2连接，比较器U4A的输出端接入与非门U8的第二输入端，与非门U8的输出端接入驱动芯片U1的输入端，驱动芯片U1的输出端接入PMOS管Q10的栅极，
PMOS管Q11的源极通过电阻R8与直流母线连接，PMOS管Q11的漏极与PMOS管Q10的漏极连接，PMOS管Q11的栅极与比较器U4A的输出端连接。
直流母线可以作为直流电源为负载供电，直流负载短路保护电路用于在负载短路或过载时，及时断开直流母线与负载的连接，避免造成元件损坏。直流负载短路保护电路的工作原理为：负载电压检测电路用于检测负载电压（即负载电压检测电路的输出电压与负载电压同比例变化），当电路正常工作时，负载电压检测电路的输出电压大于基准电压VREF2，比较器U4A的输出端为高电平，该高电平信号输入到与非门U8的第二输入端，与电压调节电路的输出端信号进行“逻辑与”操作，“逻辑与”操作的结果与电压调节电路的输出端信号一致，与非门U8的输出端接入PMOS管Q10的栅极，（实际上）由电压调节电路的输出端信号控制PMOS管Q10的通断，实现负载电压的调节。
当负载短路时，负载电压检测电路的输出电压小于基准电压VREF2，比较器U4A的输出端为低电平，该低电平信号输入到与非门U8的第二输入端，与电压调节电路的输出端信号进行“逻辑与”操作，“逻辑与”操作的结果为低电平，相当于比较器U4A输出的低电平信号将电压调节电路的输出端信号屏蔽，与非门U8的输出端为高电平，该高电平信号接入PMOS管Q10的栅极，将PMOS管Q10关断，断开直流母线与负载的连接。同时，比较器U4A的输出端接入PMOS管Q11的栅极，PMOS管Q11导通，由于电阻R8的限流作用，维持直流母线输出很小的电流到负载端。当故障解除后，负载电压增加，比较器U4A输出高电平，PMOS管Q11关断，同时比较器U4A输出高电平信号到与非门U8的第二输入端，电压调节电路的输出端信号解锁，与非门U8的输出端信号与电压调节电路的输出端信号一致，与非门U8的输出端接入PMOS管Q10的栅极，电路进入正常工作状态。
本实施例直流负载短路保护电路不仅能起到短路保护的作用，而且能够在故障恢复后自动进入正常工作状态，提高了微电网运行的自动化程度。
进一步，如图3所示，电压调节电路包括依次连接的运放U7、比较器U4B和施密特触发器U6，运放U7的同相输入端与电压检测电路的输出端连接，运放U7的反相输入端与基准电压VREF3连接，运放U7的输出端通过电阻R17反馈连接至运放U7的反相输入端，
运放U7的输出端接入比较器U4B的同相输入端，比较器U4B的反相输入端与锯齿波发生电路连接，比较器U4B的输出端接入施密特触发器U6的3A输入端，施密特触发器U6的3Y输出端接入施密特触发器U6的2A输入端，施密特触发器U6的2Y输出端作为电压调节电路的输出，接入与非门U8的第一输入端。
在电路正常工作时，电压调节电路用于根据负载电压的大小，输出不同占空比的PWM信号，调节PMOS管Q10的通断，最终将负载电压保持在设定值。
其工作原理为：电压检测电路的输出端接入运放U7的同相输入端，运放U7构成减法运算电路，计算电压检测电路的输出端电压与基准电压VREF3的差值；该差值送入比较器U4B的同相输入端，与锯齿波发生电路输出的锯齿波进行比较，当差值大于锯齿波电压时，在比较器U4B的输出端得到高电平信号，反之，当差值小于锯齿波电压时，在比较器U4B的输出端得到低电平信号，这样，比较器U4B的输出信号为与锯齿波同频率的PWM信号。该PWM信号首先接入施密特触发器U6的3A端进行上升沿整形，再送入施密特触发器U6的2A端进行下降沿整形，整形后的PWM信号作为PMOS管Q10的栅极控制信号，用于控制PMOS管Q10的通断，使得电压检测电路的输出端电压与基准电压VREF3保持相等。由于电压检测电路的输出端电压与负载电压同比例变化，调节电压检测电路的输出端电压与基准电压VREF3相等，即可调节负载电压稳定在设定值，在电路正常工作时，为负载提供稳定的电压。
进一步，如图3所示，电压检测电路包括电阻R11、电位器RP1和电阻R12，电阻R11、电位器RP1和电阻R12组成串联支路，并联在负载两端，电位器RP1和电阻R12的串联点作为电压检测电路的输出。
电阻R11、电位器RP1和电阻R12构成串联分压电路，并联在负载的两端，电阻R12的分压与负载电压同比例变化，因此通过检测电阻R12的分压，即可得到负载电压。
进一步，还包括第二基准源电路，如图3所示，第二基准源电路包括串联的电阻R13和电阻R14，电阻R13的一端接地，电阻R14的一端与电源5V连接，电阻R13和电阻R14的串联点作为基准电压VREF2，接入比较器U4A的反相输入端。
电阻R13和电阻R14组成串联分压电路，设置在电源5V和地之间，电阻R13的分压作为基准电压VREF2。
进一步，还包括第二基准源电路，如图3所示，第二基准源电路包括串联的电阻R18和电阻R15，电阻R18的一端接地，电阻R15的一端与电源15V连接，电阻R18和电阻R15的串联点作为基准电压VREF3，接入运放U7的反相输入端。
电阻R18和电阻R15组成串联分压电路，设置在电源15V和地之间，电阻R18的分压作为基准电压VREF3。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.交直流微电网运行保护电路，所述交直流微电网包括交流母线和直流母线，所述交流母线和直流母线之间通过双向AC-DC模块连接，所述双向AC-DC模块包括多个半桥电路，每一所述半桥电路均设置有驱动保护电路（1），其中一个半桥电路包括开关管Q1和开关管Q2，其特征在于，
所述驱动保护电路（1）包括驱动芯片U2和过流保护电路，所述驱动芯片U2的高端输入和低端输入均与主控芯片连接，所述驱动芯片U2的高端输出与所述开关管Q1的栅极连接，所述驱动芯片的高端浮置偏移电压端与所述开关管Q1的发射极连接，所述驱动芯片U2的低端输出与所述开关管Q2的栅极连接，
所述过流保护电路包括电阻R2、电阻R1、电阻R4和比较器U3，所述电阻R2的第一端与所述开关管Q2的发射极连接，所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R1的第一端依次通过电阻R1、电阻R4接地，所述电阻R1和所述电阻R4的串联点接入所述比较器U3的同相输入端，所述比较器U3的反相输入端与基准电压VREF1连接，所述比较器U3的输出端接入所述驱动芯片U2的关断端。
2.根据权利要求1所述的交直流微电网运行保护电路，其特征在于：还包括第一基准源电路，所述第一基准源电路包括串联的电阻R9和电阻R10，所述电阻R9的一端与电源15V连接，所述电阻R10的一端接地，所述电阻R9和所述电阻R10的串联点作为所述基准电压VREF1，接入所述比较器U3的反相输入端。
3.根据权利要求1所述的交直流微电网运行保护电路，其特征在于：还包括防饱和电路，所述防饱和电路包括二极管D1、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1的阳极与所述驱动芯片U2的高端输出连接，所述二极管D1的阴极接入所述开关管Q1的栅极，所述二极管D1的阳极与所述二极管D4的阳极连接，所述二极管D4的阴极接入所述开关管Q1的集电极，
所述二极管D3的阴极与所述二极管D1的阳极连接，所述二极管D3的阳极与所述二极管D1的阴极连接。
4.根据权利要求1所述的交直流微电网运行保护电路，其特征在于：还包括直流负载短路保护电路（2），所述直流负载短路保护电路（2）包括PMOS管Q10、PMOS管Q11、比较器U4A、驱动芯片U1、与非门U8、电压调节电路和负载电压检测电路，
所述PMOS管Q10的源极与直流母线连接，所述PMOS管Q10的漏极用于与负载连接，
所述负载电压检测电路用于检测负载电压，所述负载电压检测电路的输出端接入所述电压调节电路的输入端，所述电压调节电路的输出端接入所述与非门U8的第一输入端，
所述负载电压检测电路的输出端接入所述比较器U4A的同相输入端，所述比较器U4A的反相输入端与基准电压VREF2连接，所述比较器U4A的输出端接入所述与非门U8的第二输入端，所述与非门U8的输出端接入所述驱动芯片U1的输入端，所述驱动芯片U1的输出端接入所述PMOS管Q10的栅极，
所述PMOS管Q11的源极通过电阻R8与直流母线连接，所述PMOS管Q11的漏极与所述PMOS管Q10的漏极连接，所述PMOS管Q11的栅极与所述比较器U4A的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的交直流微电网运行保护电路，其特征在于：所述电压调节电路包括依次连接的运放U7、比较器U4B和施密特触发器U6，所述运放U7的同相输入端与所述电压检测电路的输出端连接，所述运放U7的反相输入端与基准电压VREF3连接，所述运放U7的输出端通过电阻R17反馈连接至所述运放U7的反相输入端，
所述运放U7的输出端接入所述比较器U4B的同相输入端，所述比较器U4B的反相输入端与锯齿波发生电路连接，所述比较器U4B的输出端接入所述施密特触发器U6的3A输入端，所述施密特触发器U6的3Y输出端接入所述施密特触发器U6的2A输入端，所述施密特触发器U6的2Y输出端作为所述电压调节电路的输出，接入所述与非门U8的第一输入端。
6.根据权利要求4所述的交直流微电网运行保护电路，其特征在于：所述电压检测电路包括电阻R11、电位器RP1和电阻R12，所述电阻R11、电位器RP1和电阻R12组成串联支路，并联在负载两端，所述电位器RP1和所述电阻R12的串联点作为所述电压检测电路的输出。
7.根据权利要求4所述的交直流微电网运行保护电路，其特征在于：还包括第二基准源电路，所述第二基准源电路包括串联的电阻R13和电阻R14，所述电阻R13的一端接地，所述电阻R14的一端与电源5V连接，所述电阻R13和所述电阻R14的串联点作为所述基准电压VREF2，接入所述比较器U4A的反相输入端。
8.根据权利要求5所述的交直流微电网运行保护电路，其特征在于：还包括第二基准源电路，所述第二基准源电路包括串联的电阻R18和电阻R15，所述电阻R18的一端接地，所述电阻R15的一端与电源15V连接，所述电阻R18和所述电阻R15的串联点作为所述基准电压VREF3，接入所述运放U7的反相输入端。
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