CN209626955U - 具有过流保护的电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有过流保护的电源装置，利用设置在DC/AC功率变换电路DC侧直流母线上的检测电阻进行过流检测，可以避免在逆变输出端检测时，由于LC滤波电路造成的检测延时，以及DC/AC功率变换电路上下背晶体误动作造成过流无法被检测的问题。并且，由于DC/AC功率变换电路DC侧直流母线电流的对称性，无论DC/AC输出侧的电流方向如何，只要DC/AC供应能量到负载端，直流侧母线上的有效电流均为一个方向，因此过流检测不须分为正、负半周再合并或整流后再进行比较，大大简化了电路，提高了检测效率。

Description

具有过流保护的电源装置

技术领域

本实用新型涉及一种电源装置，特别是涉及一种具有过流保护的DC转AC输出的交直流电源装置。

背景技术

目前，在电源技术领域，负载短路、故障过流等情况下常常会引起电路中一些元器件流过大电流，特别是功率管，如果不采取相应的保护预防措施，可能会导致关键器件的烧毁，甚至是整个电路板损坏使电源无法正常工作。过流保护电路就是一种在此种情况下保护整个电路使其不受损坏的电路。

在通常电源产品的应用场合中，功率开关管是过流保护的主要对象，目前传统的解决方案主要有以下几种:方法一是在后级逆变输出进行电流检测，控制电路根据负载电流值来控制功率管通断，来达到过流保护的作用。此种过流方式的缺陷是：过流检测回路须分为正、负半周分别检测再合并或使用整流电路，整流后再进行信号的比对，设计电路复杂；另外，由于在逆变输出端的LC滤波电路有大电容的存在，导致检测保护后回复时间严重延迟，不能及时检测到过流，容易导致器件烧毁。

方法二是在逆变级DC/AC的前级AC/DC的交流母线上检测电流，控制电路根据前级母线电流大小来控制功率管通断，来实现保护。如专利申请号CN201010584800.4，一种正弦逆变器的双重过流保护电路，其揭示的前级母线电流检测，是在前级整流桥的交流母线上通过互感器及整流桥整流检测电流，实现前级母线电流的检测，其缺陷是需要通过互感器将大电流转化成小电流支路再通过整流电路，整流电路连接检测电阻，设计电路复杂。

方案三是通过设置分压电阻来对直流母线高压进行取样分析，来判断电路是否出现短路或过流故障来实现保护。通过采样分析后来实现动作，保护动作执行速度慢。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种具有过流保护的电源装置，通过简单的结构改造，实现及时的过流检测及保护。

本实用新型采用如下技术方案：

一种具有过流保护的电源装置，包括DC/AC功率变换电路、电流检出电路、基准电路及比较电路，其特征在于：所述DC/AC功率变换电路的DC侧直流母线上设置电流检测元件，所述电流检出电路通过所述电流检测元件检测流过所述直流母线上的电流，基准电路产生一基准电压，电流检出电路与基准电路的输出端分别连接到比较电路的输入端，比较电路输出过流控制信号到PWM控制驱动电路，控制DC/AC功率变换电路的功率管。

有益效果

本实用新型利用设置在DC/AC功率变换电路DC侧直流母线上的检测电阻进行过流检测，可以避免在逆变输出端检测时，由于LC滤波电路造成的检测延时，以及DC/AC功率变换电路上下背晶体误动作造成过流无法被检测的问题。并且，由于DC/AC功率变换电路DC侧直流母线电流的对称性，无论DC/AC输出侧的电流方向如何，只要DC/AC供应能量到负载端，直流侧母线上的有效电流均为一个方向，因此过流检测不须分为正、负半周再合并或整流后再进行比较，大大简化了电路，提高了检测效率。同时，本实用新型检测DC/AC本级直流母线上的电流，而有别有传统的检测其前级AC/DC的交流母线上电流，避免了互感器及小电流信号整流电路的设计，简化了电路。由于电流检出的侦测电路在DC/AC的DC侧，避开因输出滤波LC所造成的检测时间延迟，因此，电路侦测带宽可提高至切换频的10倍频，有效的提升保护电路的侦测及保护的速度。

附图说明

图1是本实用新型具有过流保护的电源装置示意框图；

图2是本实用新型过流检测电路等效模型图；

图3是正1/4周期，全桥DC/AC功率管、直流侧及逆变侧电流波形图；

图4是负3/4周期全桥DC/AC功率管、直流侧和逆变侧电流波形图；

图5是直流侧电流iIN及参考电压Vref的波形图；

图6是电流检出放大滤波及偏置电路；

图7是加偏置电路检测电流波形图；

图8是用于产生比较准位的基准电路图。

具体实施方式

如图1为本实用新型具有过流保护的电源装置示意框图

电源装置包括功率变换DC/AC全桥电路1、LC滤波电路2、电流检出电路3比较电路6及PWM控制驱动电路。电源输出电流Io到负载。在功率变换DC/AC全桥电路1DC侧的直流母线GND-I上串接过流检测电阻Rs，电流检出电路3利用检测电阻Rs检测流过直流母线GND-I上的电流，通过信号放大及RC高频滤波后，输出电压到比较电路6，与基准电路5产生的基准电压比较后输出对PWM控制驱动电路的控制信号，控制功率管的通断。本实施例中采用检测电阻，在其他实施例中也可以采用霍尔电流传感器。

图2是本实用新型过流检测电路等效模型图。DC/AC逆变全桥DC侧直流母线上设有检测电阻Rs用于检测直流母线上的电流iIN，DC/AC逆变全桥输出侧连接LC滤波电路及负载，LC滤波电路上的电感电流iL及负载电流iOUT可以为交流或直流。流过DC/AC 直流母线上检测电阻的iIN电流，无论DC/AC输出为交流或直流，只要DC/AC供应能量到负载端，直流侧母线上的iIN有效电流即为所设定的方向。

图3是正1/4周期，全桥DC/AC功率管、直流侧及逆变侧电流波形图。

在正半周，图中仅示出在正1/4周期，参考电压Vref位于三角载波幅值的0.5至1之间，功率管Q1、Q3和Q2、Q4于参考电压Vref和三角载波的交点处交替导通，逆变输出侧电感电流iL方向为正向，电流正向逐渐增大，直流侧电流iIN波形为功率管Q1、Q3和Q2、Q4电流波形iQ1、iQ3及电流波形iQ2、iQ4的叠和。

图4是负3/4周期全桥DC/AC功率管、直流侧和逆变侧电流波形图；在负半周，图中仅示出在负3/4周期，参考电压Vref位于三角载波幅值的0至0.5之间，功率管Q1、Q3和Q2、Q4于参考电压Vref和三角载波的交点处交替导通，逆变输出侧电感电流iL方向为负向，电流负向逐渐增大，直流侧电流iIN波形仍然为功率管Q1、Q3和Q2、Q4电流波形iQ1、iQ3及电流波形iQ2、iQ4的叠和。

图5是直流侧电流iIN及参考电压Vref的波形图；直流侧电流iIN的示波器波形无论在参考电压Vref的正半周还是负半周都是一样的，呈梭形。

由图3、图4、图5可以看出，全桥DC/AC输出侧的电感电流iL的方向在周期内是正向、反向变化的，传统DC/AC过流保护，都是针对输出到负载的电流即检测流过电感的电流iL进行检测、比对，进而产生保护信号，因此既要检测正向的也要检测反向的，电路设计复杂；本实用新型检测全桥DC/AC直流侧母线上的电流iIN，全桥DC/AC直流侧母线上的电流iIN无论全桥DC/AC输出侧的电流方向如何，其波形都是一样的，（在图3和图4的iIN可以看出振幅高度即为输出电电流的峰值，而正半周能量也是大于负半周能量，因此不论正、负半周均为能量输出，可以利用此电流作为过流检测），因此本方案便是针对DC/AC的输入电流iIN进行检测，去映像输出的电流，此方式不但可以直接检测到待保护组件（SiC MOSFET）输出过流状态，同时可以检测到上下背晶体误动作造成的过流。再则，因输入电流不论在DC/AC输出是正半周或负半周电流都是对称的，因此过流检测回路不须分为正、负半周分别检测再合并或使用整流电路整流后再进行信号的比对，大大简化了电路结构。

本实用新型过流保护的各部分电路及原理详述如下：

如图6是电流检出放大滤波及偏置电路。

LC滤波电路2由被动组件LC所组合而成，LC滤波电路2将由DC/AC全桥1送出的电压PWM波形滤波成设定的输出波形，而电流检出电路3利用RC高频滤波电路将电流iIN的PWM电流信号高频滤除，得到接近于输出的电流Io。电流检出电路3主要包括RC高频滤波放大器U602A，放大器两个输入端分别连接检测电阻Rs的两端Iin+及Iin-，电路使用RC电路仿真LC的电路滤波带宽，由于侦测电路修改至DC/AC的DC侧，避开因输出滤波LC所造成的检测时间延迟，因此，电路侦测带宽可提高至切换频（DC/AC切换开关的频率）的10倍频，有效的提升保护电路的侦测及保护的速度。

进而使量测DC/AC全桥输入电流iIN可仿真输出电流Io的功能，以达到限流保护的功能。因此电流检出电路3所得之电流波形等效于LC滤波电路2所滤得输出的电流Io。

电流检出电路3的放大器正端连接偏置电路4，偏置电路4于电流检出电路3中加入一offset直流偏置值，偏置电路4主要包括电压跟随器U602B，电压跟随器的正向输入端连接在分压电阻之间，其输出端经RC滤波连接至电流检出电路3的放大器正端。图7是加偏置电路检测电流波形图；

如图7，图中最上面的那个波形是未加入偏置电路4时电流检出电路3输出的原始波形，中间的那个波形是加入偏置电路4后原始波形被上拉了一个offset偏置后的波形，最后的一个波形分别是在轻载、中载及高负载时电流被上拉偏置后的波形。由于保护电流点是可由程式设定的，若于轻载的状态下，设定点会非常接近于零电压，此时电路很容易受到干扰而误动作，因此，将电流检出电路3输出的电压上拉一个offset电压偏置，即使设定在低电流保护点，也会在offset电压之上，远离零电位，大幅缩小被系统地上的杂讯干扰的机会，因此可防止噪声干扰而使动作不良。

图8是用于产生比较基准电压的基准电路图。相对于传统的基准电压由固定的电压提供，本实用新型的基准电压由可动态调整的PWM基准电路5产生，如图8，本实用新型电路过流保护的基准由基准电路5产生，是通过高速PWM的方式进行设定，由CYC RST端输入PWM，经光耦隔离器U607隔离传递，再通过RC积分产生一个基准电压。因此电路可通过程控，动态跟随输出电压设定保护点。电路使用PWM进行线性信号的隔离传递，可避免信号在隔离传送上的误差及干扰，进而能整合不同接地系统的信号，整合完成输出限流可调设定的功能。

基准电路5采用PWM的方式经由隔离组件，传递控制基准电压信号到DC/AC接地系统进行过流保护基准设定，使得即使控制过流点设定的控制单元与全桥DC/AC电路分属不同接地系统，仍能使基准信号精准地在不同接地系统间传递。因此，控制DC/AC输出的DSP即使在不同的接地系统，仍然可进行整合控制。

最后，电流检出电路3提供DC/AC的DC侧直流母线电流的滤波信号与基准电路5所设定的过流保护点进行比较，当DC/AC输入电流iIN大于设定点时，经由比较电路6进行比较，产生过流信号。再经过比较电路6之信号隔离器将信号接至DC/AC全桥功率组件的驱动电路进行控制，关断功率管，使DC/AC输出的电流不再继续增加，达到过流保护的功能。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，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，都应当属于本申请保护的范围。

Claims (6)

1.一种具有过流保护的电源装置，包括DC/AC功率变换电路、电流检出电路、基准电路及比较电路，其特征在于：所述DC/AC功率变换电路的DC侧直流母线上设置电流检测元件，所述电流检出电路通过所述电流检测元件检测流过所述直流母线上的电流，基准电路产生一基准电压，电流检出电路与基准电路的输出端分别连接到比较电路的输入端，比较电路输出过流控制信号到PWM控制驱动电路，控制DC/AC功率变换电路的功率管。

2.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：所述电流检测元件为检测电阻，所述检测电阻的两端分别连接至电流检出电路的放大器的正、反向输入端，所述放大器的反向输入端和输出端之间连接RC高频滤波电路，所述放大器的输入端还设置偏置电路，以在所述直流母线电流上加入一直流偏置量。

3.如权利要求2所述的电源装置，其特征在于：所述偏置电路包括一电压跟随器，该电压跟随器的正向输入端连接在分压电阻之间，输出端连接所述电流检出电路的输入端。

4.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于所述DC/AC功率变换电路为全桥电路。

5.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：所述基准电路输入可编程的PWM信号经隔离组件输出，提供动态跟随输出电压设定保护点的所述基准电压。

6.根据权利要求5所述的电源装置，其特征在于：所述PWM通过光耦隔离，再通过RC积分产生基准电压。