CN216312665U - 一种光伏逆变器用的硬件保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光伏逆变器用的硬件保护电路，其可以兼顾故障保护响应时间和存在硬件故障时仍有效进行硬件全面保护的优点；包括：主功率拓扑模块，用于故障信号检测并将信号发送给硬件保护信号采样模块；驱动控制模块，用于为主功率拓扑模块提供驱动信号；硬件保护信号采样模块，用于对接收主功率拓扑模块的故障信号进行检测，并将产生的触发硬件故障信号发送给D型触发器硬件保护执行模块；D型触发器硬件保护执行模块，用于在接收到触发硬件故障信号后，封锁所有驱动信号；MCU模块，与主功率拓扑模块、驱动控制模块、硬件保护信号采样模块、D型触发器硬件保护执行模块均相连接，用于接收各功能模块的信号并及时反馈。

Description

一种光伏逆变器用的硬件保护电路

技术领域

本实用新型涉及光伏逆变器及储能技术领域，具体为一种光伏逆变器用的硬件保护电路。

背景技术

传统光伏逆变器的硬件保护电路，诸如OCP过流保护、母线OVP过压保护等措施都是通过在保护设计点连接二极管阴极，开关管驱动电路输出端连接二极管阳极；未触发硬件保护时，保护设计点为高电平，二极管截止，功率开关电路正常工作，当触发OCP或OVP故障时，相应的保护设计点电平由正常时的高电平转换为低电平，故而通过二极管将对应的开关管驱动电路输出钳位到低电平，从而断开功率电路达到保护电路的功能。

但是上述逆变器保护电路也存在以下缺点：

1)保护动作时间较慢，实际保护工作点略高于设计值，硬件电路存在一定损坏的风险；

2)由于存在钳位二极管，所以硬件电路受温度影响较大，高低温时，保护点动作时间差异较大。

因此，如果硬件出现单点故障(功率开关管故障)时，若触发硬件保护仍无法完全断开故障，会造成进一步的硬件损坏风险。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种光伏逆变器用的硬件保护电路，其可以兼顾故障保护响应时间和存在硬件故障时仍有效进行硬件全面保护的优点。

其技术方案是这样的：一种光伏逆变器用的硬件保护电路，其特征在于：包括：

主功率拓扑模块，与硬件保护信号采样模块相连接，用于故障信号检测并将信号发送给所述硬件保护信号采样模块；

驱动控制模块，与所述主功率拓扑模块相连接，用于为所述主功率拓扑模块提供驱动信号；

硬件保护信号采样模块，与D型触发器硬件保护执行模块相连接，用于对接收所述主功率拓扑模块的故障信号进行检测，并将产生的触发硬件故障信号发送给所述D型触发器硬件保护执行模块；

D型触发器硬件保护执行模块，与所述驱动控制模块相连接，用于在接收到触发硬件故障信号后，封锁所有驱动信号；

MCU模块，与所述主功率拓扑模块、驱动控制模块、硬件保护信号采样模块、D型触发器硬件保护执行模块均相连接，用于接收各功能模块的信号并及时反馈。

其进一步特征在于：

所述主功率拓扑模块包括电池BT1、太阳能电池PV1、霍尔传感器CT1～CT3、电感L1～L4、MOS管Q1～Q9、二极管D1、电容C1、C2、电阻R1、R2、比较器 U1；所述电池BT1的正极经所述霍尔传感器CT1后与所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与所述MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的源极均相连接，所述MOS管Q2的漏极与所述二极管D1的负极、电阻R1、电容C1的一端、 MOS管Q4、Q6的漏极均相连接，所述电阻R1的另一端与所述电阻R2的一端、比较器U1的正输入端均相连接，所述比较器U1的负输入端接于所述比较器U1 的输出端，所述电阻R2的另一端接地，所述电池BT1的负极与所述MOS管Q1 的源极相连后接地，所述太阳能电池PV1的正极经所述霍尔传感器CT2后与所述电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端与所述MOS管Q3的漏极、二极管D1的正极均相连接，所述太阳能电池PV1的负极与所述MOS管Q3的源极相连后接地，所述MOS管Q4的源极与所述MOS管Q5、Q8的漏极均相连，且所述MOS管Q4与所述MOS管Q5之间的连接端点经所述霍尔传感器CT3后与所述电感L3的一端连接，所述MOS管Q6的源极与所述MOS管Q7、Q9的漏极、电感L4的一端均相连，所述电容C1的另一端与所述MOS管Q5、Q7的源极均相连后接地，所述MOS管Q8的源极连接所述MOS管Q9的源极，所述电感L3的另一端连接所述电容C2的一端，所述电感L4的另一端连接所述电容 C2的另一端，且在所述电容C2的两端并联连接有信号源Grid；

所述驱动控制模块包括电阻R3～R11、光电耦合器U2～U10、三极管Q10、 Q11、电容C3；所述MCU模块包括MCU；所述光电耦合器U2～U10的正极端均与5V_W驱动供电电源连接，所述光电耦合器U2～U10的负极端分别经所述电阻R3～R11后对应接于所述MCU上的不同PWM输出口，且所述电阻R6、R7 相连后的连接端点接于所述MCU上的同一个PWM输出口，所述电阻R8、R9 相连后共用所述MCU上的同一个PWM输出口，所述光电耦合器U2～U10的集电极均与供电电源VCC连接后接地，且所述光电耦合器U2的集电极与所述光电耦合器U3的集电极相连，所述光电耦合器U2～U10的发射极分别对应连接所述MOS管Q3、Q1、Q2、Q4、Q7、Q6、Q5、Q8、Q9的栅极，并均作为驱动信号端，所述三极管Q10的发射极经所述供电电源VCC后接地，所述三极管Q10 的集电极与所述5V_W驱动供电电源、电容C3的一端均相连接，所述三极管 Q10的基极连接所述三极管Q11的集电极，所述三极管Q11的发射极与所述电容C3的另一端相连后接地；

所述硬件保护信号采样模块包括电阻R12～R21、比较器U11、U12_A、U12_B、 U13、U14_A、U14_B、与非门U15_A、U15_B、U15_C、U15_D；所述电阻R12、 R14、R17、R19的一端均相连后接于参考电源VCC1的正极，所述电阻R12的另一端与所述电阻R13的一端、比较器U11的正输入端均相连接，所述电阻R13 的另一端接地，所述电阻R14的另一端与所述电阻R15的一端、比较器U12_A 的正输入端均相连接，所述电阻R15的另一端与所述电阻R16的一端、比较器 U12_B的负输入端均相连接，所述电阻R16的另一端与所述参考电源VCC1的负极相连后接地，所述比较器U12_A的负输入端连接所述比较器U12_B的正输入端，所述比较器U12_A的输出端连接所述比较器U12_B的输出端；所述电阻 R17的另一端与所述电阻R18的一端、比较器U13的正输入端均相连接，所述电阻R18的另一端接地；所述电阻R19的另一端与所述电阻R20的一端、比较器U14_A的正输入端均相连接，所述电阻R20的另一端与所述电阻R21的一端、比较器U14_B的负输入端均相连接，所述比较器U14_A的负输入端连接所述比较器U14_B的正输入端，所述电阻R21的另一端接地，所述比较器U14_A 的输出端连接所述比较器U14_B的输出端；对应与所述电阻R4、R5连接的两个PWM输出口分别连接所述与非门U15_A的两个输入端，对应与所述电阻R6、 R8连接的两个PWM输出口分别连接所述与非门U15_B的两个输入端，对应与所述电阻R6、R10连接的两个PWM输出口分别连接所述与非门U15_C的两个输入端，对应与所述电阻R8、R11连接的两个PWM输出口分别连接所述与非门U15_D的两个输入端，所述与非门U15_A、U15_B、U15_C、U15_D的输出端相连后与D触发器U16的5D引脚端连接；

所述D型触发器硬件保护执行模块包括D触发器U16、电阻R22～R30、开关二极管D2～D4、MOS管Q12、Q13、电容C4，所述开关二极管D2～D4的型号均为BAV70；所述D触发器U16的1D引脚端经所述电阻R22后接所述供电电源VCC、并与所述比较器U12_A、U12_B输出端之间的连接端点相连接，所述D触发器U16的2D引脚端经所述电阻R23后接所述供电电源VCC、并与所述比较器U11的输出端相连接，所述D触发器U16的3D引脚端经所述电阻R24 后接所述供电电源VCC、并与所述比较器U14_A、U14_B输出端之间的连接端点相连接，所述D触发器U16的4D引脚端经所述电阻R25后接所述供电电源 VCC、并与所述比较器U13的输出端相连接，所述D触发器U16的5D引脚端经所述电阻R26后接所述供电电源VCC、并与所述与非门U15_A、U15_B、 U15_C、U15_D输出端之间的连接端点相连接；所述D触发器U16的

引脚端与所述开关二极管D2的一个输入端相连，所述D触发器U16的

引脚端与所述开关二极管D2的另一输入端相连，所述D触发器U16的

引脚端与所述开关二极管D3的一个输入端相连，所述D触发器U16的

引脚端与所述开关二极管D3的另一输入端相连，所述D触发器U16的

引脚端与所述开关二极管 D4的一个输入端相连；所述开关二极管D2～D4的输出端与所述电阻R27的一端、MOS管Q12的漏极均相连接，所述MOS管Q12的源极接地，所述MOS管Q12的栅极经所述电阻R30后接于所述MCU上的复位引脚端，所述电阻R27的另一端与所述电阻R28的一端、MOS管Q13的栅极均相连接，所述电阻R28的另一端与所述MOS管Q13的源极相连后接地，所述MOS管Q13的漏极与所述电阻R29的一端、D触发器U16的LE引脚端、三极管Q11的基极均相连接，所述D触发器U16的

引脚端接地，所述电阻R29的另一端接所述供电电源VCC，所述D触发器U16的VCC引脚端与所述电容C4的一端相连后接所述供电电源VCC，所述D触发器U16的GND引脚端与所述电容C4的另一端相连后接地。

本实用新型的有益效果是，其通过对应连接的主功率拓扑模块、驱动控制模块、硬件保护信号采样模块、D型触发器硬件保护执行模块、MCU模块，通过检测得到故障触发信号，及时响应执行故障保护机制，故障响应快，可实现逆变过流保护、直流母线过压保护、光伏组件输入电流过流保护、储能电池充放电电流过流保护以及驱动逻辑故障保护功能，提高了硬件可靠性，改善了温漂对硬件保护电路性能的影响，从而可解决现有保护动作时间较慢和如果触发硬件保护仍无法完全断开故障而造成进一步的硬件损坏风险的问题，具有较好的经济使用价值。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型中主功率拓扑模块的电路原理图；

图3是本实用新型中驱动控制模块的电路原理图；

图4是本实用新型中硬件保护信号采样模块的电路原理图；

图5是本实用新型中D型触发器硬件保护执行模块的电路原理图；

图6是本实用新型中D型触发器的封装图。

具体实施方式

如图1～图6所示，本实用新型一种光伏逆变器用的硬件保护电路，包括：

主功率拓扑模块1，与硬件保护信号采样模块3相连接，用于故障信号检测并将信号发送给硬件保护信号采样模块3；

驱动控制模块2，与主功率拓扑模块1相连接，用于为主功率拓扑模块1提供驱动信号；

硬件保护信号采样模块3，与D型触发器硬件保护执行模块4相连接，用于对接收主功率拓扑模块1的故障信号进行检测，并将产生的触发硬件故障信号发送给D型触发器硬件保护执行模块4；

D型触发器硬件保护执行模块4，与驱动控制模块2相连接，用于在接收到触发硬件故障信号后，封锁所有驱动信号；

MCU模块5，与主功率拓扑模块1、驱动控制模块2、硬件保护信号采样模块3、D型触发器硬件保护执行模块4均相连接，用于接收各功能模块的信号并及时反馈。

图2中，主功率拓扑模块1包括电池BT1、太阳能电池PV1、霍尔传感器 CT1～CT3、电感L1～L4、MOS管Q1～Q9、二极管D1、电容C1、C2、电阻R1、 R2、比较器U1；电池BT1的正极经霍尔传感器CT1后与电感L1的一端连接，电感L1的另一端与MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的源极均相连接，MOS管 Q2的漏极与二极管D1的负极、电阻R1、电容C1的一端、MOS管Q4、Q6的漏极均相连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端、比较器U1的正输入端均相连接，比较器U1的负输入端接于比较器U1的输出端，电阻R2的另一端接地，电池BT1的负极与MOS管Q1的源极相连后接地，太阳能电池PV1的正极经霍尔传感器CT2后与电感L2的一端连接，电感L2的另一端与MOS管Q3的漏极、二极管D1的正极均相连接，太阳能电池PV1的负极与MOS管Q3的源极相连后接地，MOS管Q4的源极与MOS管Q5、Q8的漏极均相连，且MOS管 Q4与MOS管Q5之间的连接端点经霍尔传感器CT3后与电感L3的一端连接， MOS管Q6的源极与MOS管Q7、Q9的漏极、电感L4的一端均相连，电容C1 的另一端与MOS管Q5、Q7的源极均相连后接地，MOS管Q8的源极连接MOS 管Q9的源极，电感L3的另一端连接电容C2的一端，电感L4的另一端连接电容C2的另一端，且在电容C2的两端并联连接有信号源Grid；

其中，主功率拓扑模块1中的霍尔传感器CT1是直流储能电池充放电电流检测霍尔器件，其输出信号IBAT_sense检测信号会送到硬件保护信号采样模块 3中比较器U12_A负输入端、比较器U12_B正输入端之间的连接端点上，以进行电池电流硬件过电流检测；霍尔传感器CT2是PV光伏组件输入电流检测霍尔器件，其输出信号IPV_sense信号会送到硬件保护信号采样模块3中比较器 U11负输入端，以进行PV组件电流硬件过电流检测；霍尔传感器CT3是交流逆变器输出电流检测霍尔器件，其输出信号IINV_sense会送到硬件保护信号采样模块3中比较器U14_A负输入端、比较器U14_B正输入端之间的连接端点上，以进行逆变过电流检测；且还通过检测电容C1的电压，通过电阻分压网络电路和运放跟随器电路产生VBUS_sense检测信号，该信号送到硬件保护信号采样模块3中比较器U13负输入端以进行母线过电压检测。

图3中，驱动控制模块2包括电阻R3～R11、光电耦合器U2～U10、三极管 Q10、Q11、电容C3；MCU模块5包括MCU，MCU选用现有通用型号器件；光电耦合器U2～U10的正极端均与5V_W驱动供电电源连接，光电耦合器 U2～U10的负极端分别经电阻R3～R11后对应接于MCU上的不同PWM输出口，且电阻R6、R7相连后的连接端点接于MCU上的同一个PWM输出口，其中，MCU上的不同PWM输出口分别记为PWM_503、PWM_504、PWM_603、 PWM_701、PWM_703、PWM_705、PWM_706，即电阻R3连接MCU上的PWM 输出口PWM_603，电阻R4连接MCU上的PWM输出口PWM_503，电阻R5 连接MCU上的PWM输出口PWM_504，电阻R6、R7之间的连接端点连接MCU 上的PWM输出口PWM_701，电阻R8、R9之间的连接端点连接MCU上的PWM 输出口PWM_703，电阻R10连接MCU上的PWM输出口PWM_705，电阻R11 连接MCU上的PWM输出口PWM_706；电阻R8、R9相连后共用MCU上的同一个PWM输出口，光电耦合器U2～U10的集电极均与供电电源VCC连接后接地，且光电耦合器U2的集电极与光电耦合器U3的集电极相连，光电耦合器 U2～U10的发射极分别对应连接MOS管Q3、Q1、Q2、Q4、Q7、Q6、Q5、Q8、 Q9的栅极，并均作为驱动信号端，该驱动信号分别记为Gate_603、Gate_503、 Gate_504、Gate_701、Gate_704、Gate_703、Gate_702、Gate_705、Gate_706；三极管Q10的发射极经供电电源VCC后接地，三极管Q10的集电极与5V_W驱动供电电源、电容C3的一端均相连接，三极管Q10的基极连接三极管Q11的集电极，三极管Q11的发射极与电容C3的另一端相连后接地；

其中，三极管Q11的基极连接HW_STOP_C全局控制信号，此信号自D型触发器硬件保护执行模块4中电阻R29一端部引出，硬件电路正常工作时， HW_STOP_C全局控制信号为高电平，为三极管Q10的基极提供正向驱动电流，三极管Q11饱和导通，因此三极管Q10的基极被拉为低电平，三极管Q10的基极存在负向驱动电流，三极管Q10也会饱和导通，此时通过电源5V产生5V_W 驱动供电电源，硬件电路触发任一故障时，HW_STOP_C全局控制信号为低电平，此时会关闭三极管Q11，因此三极管Q10也会关闭，用于驱动电路的5V_W驱动供电电源被切断。

图3中，标记的VC_701仅仅只是作为供电电源VCC的电压端，如VC_701 为光电耦合器U5所在的供电电源VCC的电压端，其余图中的类似标记不再赘述。

图4中，硬件保护信号采样模块3包括电阻R12～R21、比较器U11、U12_A、 U12_B、U13、U14_A、U14_B、与非门U15_A、U15_B、U15_C、U15_D；电阻 R12、R14、R17、R19的一端均相连后接于参考电源VCC1的正极，电阻R12的另一端与电阻R13的一端、比较器U11的正输入端均相连接，电阻R13的另一端接地，电阻R14的另一端与电阻R15的一端、比较器U12_A的正输入端均相连接，电阻R15的另一端与电阻R16的一端、比较器U12_B的负输入端均相连接，电阻R16的另一端与参考电源VCC1的负极相连后接地，比较器U12_A的负输入端连接比较器U12_B的正输入端，比较器U12_A的输出端连接比较器 U12_B的输出端；电阻R17的另一端与电阻R18的一端、比较器U13的正输入端均相连接，电阻R18的另一端接地；电阻R19的另一端与电阻R20的一端、比较器U14_A的正输入端均相连接，电阻R20的另一端与电阻R21的一端、比较器U14_B的负输入端均相连接，比较器U14_A的负输入端连接比较器U14_B 的正输入端，电阻R21的另一端接地，比较器U14_A的输出端连接比较器U14_B 的输出端；对应与电阻R4、R5连接的两个PWM输出口分别连接与非门U15_A 的两个输入端，对应与电阻R6、R8连接的两个PWM输出口分别连接与非门 U15_B的两个输入端，对应与电阻R6、R10连接的两个PWM输出口分别连接与非门U15_C的两个输入端，对应与电阻R8、R11连接的两个PWM输出口分别连接与非门U15_D的两个输入端，与非门U15_A、U15_B、U15_C、U15_D 的输出端相连；

其中，参考电源VCC1(3VREF电压)通过分压电阻R12、R13提供给比较器U11的正输入端一个模拟电压，此模拟电压值为PV组件过电流的触发阈值，比较器U11的负输入端连接来自霍尔传感器CT2产生的IPV_sense信号，比较器U11的输出为HW_STOP_PV_OCP信号，此信号会送到D触发器U16的2D 引脚端；

参考电源VCC1(3VREF电压)通过分压电阻R14、R15、R16提供给比较器 U12_A的正输入端一个模拟电压和比较器U12_B的负输入端一个模拟电压，比较器U12_A正端模拟电压值为电池放电过电流的触发阈值，比较器U12_B负端模拟电压值为电池充电过电流触发阈值；比较器U12_A的负输入端和比较器 U12_B的正输入端短接在一起并连接来自霍尔传感器CT1产生的IBAT_sense检测信号；比较器U12_A、U12_B的输出为HW_STOP_BAT_OCP信号，HW_STOP_BAT_OCP信号会送到D触发器U16的1D引脚端；

参考电源VCC1(3VREF电压)通过分压电阻R19、R20、R21提供给比较器U14_A的正输入端一个模拟电压和比较器U14_B的负输入端一个模拟电压，比较器U14_A正端模拟电压值为逆变交流电流正半周过电流的触发阈值，比较器 U14_B负端模拟电压值为逆变交流电流负半周过电流触发阈值，比较器U14_A 的负输入端和比较器U14_B的正输入端短接在一起并连接来自霍尔传感器CT3 产生的信号IINV_sense，比较器U14_A、U12_4的输出为HW_STOP_INV_OCP 信号，HW_STOP_INV_OCP信号会送到D触发器U16的3D引脚端；

参考电源VCC1(3VREF电压)通过分压电阻R17、R18提供给比较器U13 的正输入端一个模拟电压，此模拟电压值为直流母线过电压的触发阈值，比较器 U13的负输入端连接来自比较器U1输出的VBUS_sense检测信号，比较器U13 的输出为HW_STOP_BUS_OVP信号，HW_STOP_BUS_OVP信号会送到D触发器U16的4D引脚端；

与非门U15_A、U15_B、U15_C、U15_D的输出为HW_STOP_LOGIC故障检测信号，HW_STOP_LOGIC故障检测信号送到D触发器U16的5D引脚端；

则以PV组件过电流为例说明图4中的硬件故障采样电路工作原理，仅当 IPV_sense信号输入电压高于比较器U11正端触发阈值时，即触发比较器U11输出动作，HW_STOP_PV_OCP信号变为低电平送到D型触发器硬件保护执行模块4电路中，触发D型触发器U16的输出口19脚产生高电平触发硬件故障。

图5中，D型触发器硬件保护执行模块4包括D触发器U16、电阻R22～R30、开关二极管D2～D4、MOS管Q12、Q13、电容C4，开关二极管D2～D4的型号均为BAV70；MOS管Q13选用的是NPN晶体管BCR116；D触发器U16选用的是德州仪器TI SN74HC563DW，SN74HC563DW采用行业标准的SOIC-20的贴片封装的8路三态门输出的D型触发器，一共20个引脚；其中引脚Pin10为电源地GND，Pin20是供电电源VCC，Pin1是

D型触发器使能脚，正常为低电平有效，本实用新型电路中与电源地直连，保证D型触发器使能有效；Pin11 是LE为D触发器U16的锁存控制引脚，正常高电平有效，此时D触发器U16 的输出

为输入信号的反相信号；Pin2-Pin9是8路D型触发器100输入脚，总共可以采集8路模拟信号，本实用新型所提供的5种类型的硬件保护使用了D 触发器U16其中的Pin2-Pin6脚位，其中Pin2脚连接储能电池充放电过流检测信号、Pin3脚连接光伏PV输入侧过电流检测信号、Pin4脚连接逆变器输出过电流检测信号、Pin5脚连接直流母线过电压检测信号以及Pin6脚连接的驱动逻辑故障检测信号。Pin19-pin12是8路D型触发器输出脚，总共提供8路三态门的逻辑输出信号，本实用新型所提供的5种类型硬件触发信号使用了其中的 Pin19—Pin15共5个输出引脚，其中Pin19引脚是储能电池过电流触发信号，通过连接开关二极管D2的一路输入阳极到故障执行电路，Pin18是光伏PV侧输入过电流触发信号，通过连接开关二极管D2的另一路输入阳极道故障执行电路；Pin17是逆变器输出过电流触发信号，通过连接开关二极管D3的一路阳极到故障执行电路，Pin16是直流母线过电压触发信号，通过连接开关二极管D3的另外一路阳极到故障执行电路；Pin15是驱动逻辑故障触发信号，通过连接开关二极管D4的一路阳极到故障执行电路；上述的5种类型故障触发信号通过开关二极管后就连接到了MOS管Q13；

图5中的D触发器U16A、U16B均是作为D触发器U16；D触发器U16的 1D引脚端经电阻R22后接供电电源VCC、并与比较器U12_A、U12_B输出端之间的连接端点相连接，D触发器U16的2D引脚端经电阻R23后接供电电源 VCC、并与比较器U11的输出端相连接，D触发器U16的3D引脚端经电阻R24 后接供电电源VCC、并与比较器U14_A、U14_B输出端之间的连接端点相连接， D触发器U16的4D引脚端经电阻R25后接供电电源VCC、并与比较器U13的输出端相连接，D触发器U16的5D引脚端经电阻R26后接供电电源VCC、并与与非门U15_A、U15_B、U15_C、U15_D输出端之间的连接端点相连接；D触发器U16的

引脚端与开关二极管D2的一个输入端相连，D触发器U16的2

引脚端与开关二极管D2的另一输入端相连，D触发器U16的

引脚端与开关二极管D3的一个输入端相连，D触发器U16的

引脚端与开关二极管D3 的另一输入端相连，D触发器U16的

引脚端与开关二极管D4的一个输入端相连；开关二极管D2～D4的输出端与电阻R27的一端、MOS管Q12的漏极均相连接，MOS管Q12的源极接地，MOS管Q12的栅极经电阻R30后接于MCU 上的复位引脚端，以提供复位信号HW_RESET_P；电阻R27的另一端与电阻R28 的一端、MOS管Q13的栅极均相连接，电阻R28的另一端与MOS管Q13的源极相连后接地，MOS管Q13的漏极与电阻R29的一端、D触发器U16的LE引脚端、三极管Q11的基极均相连接，且该连接点就是本实用新型电路的全局控制信号HW_STOP_C；D触发器U16的

引脚端接地，电阻R29的另一端接供电电源VCC，D触发器U16的VCC引脚端与电容C4的一端相连后接供电电源VCC，D触发器U16的GND引脚端与电容C4的另一端相连后接地，电容C4 为D触发器U16提供电源滤波功能。

为了更进一步地理解本实用新型电路的功能，如下针对电路中的具体应用原理做简单的解释和论述，表1为给出的D触发器U16的功能真值表，

表1

FUNCTION TABLE

(each latch)

FUNCTION TABLE含义为功能真值表；each latch含义为每个锁存器；

当硬件保护电路正常工作时，D型触发器需要满足以下三个条件：

(1)、D型触发器的使能脚Pin1

是低电平，本实用新型中Pin1脚与电源地 GND直接相连，所以满足使能的条件。

(2)、D型触发器的锁存脚Pin11 LE是高电平，本实用新型中Pin11脚通过电阻 R29上拉到供电电源VCC，所以满足条件。

(3)、D型触发器的输入信号需为高电平，才能使输出Q的电平是低电平，让开关二极管D2、D3和D4截止，本实用新型设计的电路，D型触发器的输入信号 Pin2,即储能电池充放电过电流检测信号，通过电阻R22上拉到供电电源VCC；输入信号Pin3，即直流PV侧输入过电流检测信号，通过电阻R23上拉到供电电源VCC；输入信号Pin4，即逆变输出过电流检测信号，通过电阻R24上拉到供电电源VCC；输入信号Pin5，即直流母线过电压检测信号，通过电阻R25上拉到供电电源VCC；输入信号Pin6，即驱动逻辑故障检测信号，通过电阻R26上拉到供电电源VCC；所以综上，本实用新型设计电路，针对D型触发器输入信号，都是初始默认上拉高电平，所以当综上的6种故障检测信号都正常时，D型触发器与输入对应的输出反相门

均输出低电平，所以不触发故障条件；

上述的三个基本条件是提供硬件电路正常工作的必要条件，当其中某一个硬件故障检测信号触发后，D型触发器对应的工作状态会发生变化。

如下通过举例说明来阐述本实用新型电路触发故障条件后的状态变化：

假设直流母线过电压检测信号检测到硬件触发过电压条件，则D触发器U16 的Pin5引脚的HW_STOP_BUS_OVP信号会由初始的高电平变为低电平，此时根据表1提供的真值表可以看出，当Pin5引脚的信号为高电平时，与之对应的 D触发器U16的输出脚Pin16会由初始的低电平变为高电平，此高电平 HW_STOP_BUS_P会先通过开关二极管D3给硬件故障执行电路的MOS管Q13 的栅极提供高电平，让MOS管Q13导通，MOS管Q13导通后会将其漏极，即D触发器U16的Pin11 LE锁存信号拉低，LE变低后即将D型触发器的输出状态锁存在此时的高电平；另外这个信号HW_STOP_C会送到主控MCU的I/O，告诉主控MCU发生硬件故障，封锁所有功率电路驱动信号，同时，此信号又是硬件故障电路中的全局控制信号，会将功率驱动电路的驱动电源关闭，保证逆变器完全对外停止输出，通过本实用新型电路的图2还可以看到，本实用新型电路会将任意一个故障信号发生触发后，同步将此信号发送给主控MCU，即主MCU 不仅会知道硬件发生了故障，而且可以定位到具体的故障位置，这一功能对应硬件调试会有很大的帮助，其他4种故障的情况与例子相同，不再赘述。

发生硬件故障后，因为D触发器U16会锁存在故障状态，保证输出口

为高电平，同时锁存信号LE置低电平，如果想让逆变器解除硬件故障，需要软件通过复位信号来解锁，本实用新型通过软件复位D型触发器电路就是为达到此目的针对性设计的电路，HW_RESET_P信号连接主控MCU的I/O控制口，逆变器硬件正常时，此信号为低电平，此时MOS管Q12截止，当发生硬件故障后，软件判定故障发生后，输入模拟信号恢复到正常值时，会由MCU的I/O控制口发出一个高脉冲信号，让信号HW_RESET_P变为高电平，此时通过电阻R20连接到MOS管Q12的栅极电平为高，会让MOS管Q12导通，从而将与D触发器 U16各输出脚连接的开关二极管D2、D3和D4的阴极拉低到低电平，进而关闭故障执行电路的MOS管Q13，从而让D型触发器的Pin11 LE锁存脚恢复到高电平VCC，这时候D型触发器又满足了正常状态的三个条件，即输入的检测信号为高电平，锁存信号LE恢复到高电平，使能信号

始终是低电平；同时，与MOS管Q13漏极相连的信号，即D型触发器U16的LE是高电平，从而主控 MCU通过这个硬件的电平变化知道硬件故障解除，所以按照之前正常工作时的模式提供各路驱动信号，到此为止，D型触发器完成了复位功能。

综上，本实用新型使用以D型触发器作为硬件故障保护的核心控制，针对光伏逆变器和储能逆变器特有的硬件故障类型做全面的保护机制，包括了逆变过流保护、直流母线过压保护、光伏组件输入电流过流保护、储能电池充放电电流过流保护以及驱动逻辑故障保护功能，并增加了故障保护后软件复位功能来重新启动系统，相较于现有的技术，实现了：改善温漂对硬件保护电路性能的影响；提供全局硬件保护机制，提高硬件可靠性；故障响应更快，解除故障需要软件复位信号重启，避免频繁打嗝保护。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种光伏逆变器用的硬件保护电路，其特征在于：包括：

主功率拓扑模块，与硬件保护信号采样模块相连接，用于故障信号检测并将信号发送给所述硬件保护信号采样模块；

驱动控制模块，与所述主功率拓扑模块相连接，用于为所述主功率拓扑模块提供驱动信号；

硬件保护信号采样模块，与D型触发器硬件保护执行模块相连接，用于对接收所述主功率拓扑模块的故障信号进行检测，并将产生的触发硬件故障信号发送给所述D型触发器硬件保护执行模块；

D型触发器硬件保护执行模块，与所述驱动控制模块相连接，用于在接收到触发硬件故障信号后，封锁所有驱动信号；

MCU模块，与所述主功率拓扑模块、驱动控制模块、硬件保护信号采样模块、D型触发器硬件保护执行模块均相连接，用于接收各功能模块的信号并及时反馈。

2.根据权利要求1所述的一种光伏逆变器用的硬件保护电路，其特征在于：所述主功率拓扑模块包括电池BT1、太阳能电池PV1、霍尔传感器CT1～CT3、电感L1～L4、MOS管Q1～Q9、二极管D1、电容C1、C2、电阻R1、R2、比较器U1；所述电池BT1的正极经所述霍尔传感器CT1后与所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与所述MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的源极均相连接，所述MOS管Q2的漏极与所述二极管D1的负极、电阻R1、电容C1的一端、MOS管Q4、Q6的漏极均相连接，所述电阻R1的另一端与所述电阻R2的一端、比较器U1的正输入端均相连接，所述比较器U1的负输入端接于所述比较器U1的输出端，所述电阻R2的另一端接地，所述电池BT1的负极与所述MOS管Q1的源极相连后接地，所述太阳能电池PV1的正极经所述霍尔传感器CT2后与所述电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端与所述MOS管Q3的漏极、二极管D1的正极均相连接，所述太阳能电池PV1的负极与所述MOS管Q3的源极相连后接地，所述MOS管Q4的源极与所述MOS管Q5、Q8的漏极均相连，且所述MOS管Q4与所述MOS管Q5之间的连接端点经所述霍尔传感器CT3后与所述电感L3的一端连接，所述MOS管Q6的源极与所述MOS管Q7、Q9的漏极、电感L4的一端均相连，所述电容C1的另一端与所述MOS管Q5、Q7的源极均相连后接地，所述MOS管Q8的源极连接所述MOS管Q9的源极，所述电感L3的另一端连接所述电容C2的一端，所述电感L4的另一端连接所述电容C2的另一端，且在所述电容C2的两端并联连接有信号源Grid。

3.根据权利要求2所述的一种光伏逆变器用的硬件保护电路，其特征在于：所述驱动控制模块包括电阻R3～R11、光电耦合器U2～U10、三极管Q10、Q11、电容C3；所述MCU模块包括MCU；所述光电耦合器U2～U10的正极端均与5V_W驱动供电电源连接，所述光电耦合器U2～U10的负极端分别经所述电阻R3～R11后对应接于所述MCU上的不同PWM输出口，且所述电阻R6、R7相连后的连接端点接于所述MCU上的同一个PWM输出口，所述电阻R8、R9相连后共用所述MCU上的同一个PWM输出口，所述光电耦合器U2～U10的集电极均与供电电源VCC连接后接地，且所述光电耦合器U2的集电极与所述光电耦合器U3的集电极相连，所述光电耦合器U2～U10的发射极分别对应连接所述MOS管Q3、Q1、Q2、Q4、Q7、Q6、Q5、Q8、Q9的栅极，并均作为驱动信号端，所述三极管Q10的发射极经所述供电电源VCC后接地，所述三极管Q10的集电极与所述5V_W驱动供电电源、电容C3的一端均相连接，所述三极管Q10的基极连接所述三极管Q11的集电极，所述三极管Q11的发射极与所述电容C3的另一端相连后接地。

4.根据权利要求3所述的一种光伏逆变器用的硬件保护电路，其特征在于：所述硬件保护信号采样模块包括电阻R12～R21、比较器U11、U12_A、U12_B、U13、U14_A、U14_B、与非门U15_A、U15_B、U15_C、U15_D；所述电阻R12、R14、R17、R19的一端均相连后接于参考电源VCC1的正极，所述电阻R12的另一端与所述电阻R13的一端、比较器U11的正输入端均相连接，所述电阻R13的另一端接地，所述电阻R14的另一端与所述电阻R15的一端、比较器U12_A的正输入端均相连接，所述电阻R15的另一端与所述电阻R16的一端、比较器U12_B的负输入端均相连接，所述电阻R16的另一端与所述参考电源VCC1的负极相连后接地，所述比较器U12_A的负输入端连接所述比较器U12_B的正输入端，所述比较器U12_A的输出端连接所述比较器U12_B的输出端；所述电阻R17的另一端与所述电阻R18的一端、比较器U13的正输入端均相连接，所述电阻R18的另一端接地；所述电阻R19的另一端与所述电阻R20的一端、比较器U14_A的正输入端均相连接，所述电阻R20的另一端与所述电阻R21的一端、比较器U14_B的负输入端均相连接，所述比较器U14_A的负输入端连接所述比较器U14_B的正输入端，所述电阻R21的另一端接地，所述比较器U14_A的输出端连接所述比较器U14_B的输出端；对应与所述电阻R4、R5连接的两个PWM输出口分别连接所述与非门U15_A的两个输入端，对应与所述电阻R6、R8连接的两个PWM输出口分别连接所述与非门U15_B的两个输入端，对应与所述电阻R6、R10连接的两个PWM输出口分别连接所述与非门U15_C的两个输入端，对应与所述电阻R8、R11连接的两个PWM输出口分别连接所述与非门U15_D的两个输入端，所述与非门U15_A、U15_B、U15_C、U15_D的输出端相连后与D触发器U16的5D引脚端连接。

5.根据权利要求4所述的一种光伏逆变器用的硬件保护电路，其特征在于：所述D型触发器硬件保护执行模块包括D触发器U16、电阻R22～R30、开关二极管D2～D4、MOS管Q12、Q13、电容C4，所述开关二极管D2～D4的型号均为BAV70；所述D触发器U16的1D引脚端经所述电阻R22后接所述供电电源VCC、并与所述比较器U12_A、U12_B输出端之间的连接端点相连接，所述D触发器U16的2D引脚端经所述电阻R23后接所述供电电源VCC、并与所述比较器U11的输出端相连接，所述D触发器U16的3D引脚端经所述电阻R24后接所述供电电源VCC、并与所述比较器U14_A、U14_B输出端之间的连接端点相连接，所述D触发器U16的4D引脚端经所述电阻R25后接所述供电电源VCC、并与所述比较器U13的输出端相连接，所述D触发器U16的5D引脚端经所述电阻R26后接所述供电电源VCC、并与所述与非门U15_A、U15_B、U15_C、U15_D输出端之间的连接端点相连接；所述D触发器U16的

引脚端与所述开关二极管D2的一个输入端相连，所述D触发器U16的

引脚端与所述开关二极管D2的另一输入端相连，所述D触发器U16的

引脚端与所述开关二极管D3的一个输入端相连，所述D触发器U16的

引脚端与所述开关二极管D3的另一输入端相连，所述D触发器U16的

引脚端与所述开关二极管D4的一个输入端相连；所述开关二极管D2～D4的输出端与所述电阻R27的一端、MOS管Q12的漏极均相连接，所述MOS管Q12的源极接地，所述MOS管Q12的栅极经所述电阻R30后接于所述MCU上的复位引脚端，所述电阻R27的另一端与所述电阻R28的一端、MOS管Q13的栅极均相连接，所述电阻R28的另一端与所述MOS管Q13的源极相连后接地，所述MOS管Q13的漏极与所述电阻R29的一端、D触发器U16的LE引脚端、三极管Q11的基极均相连接，所述D触发器U16的

引脚端接地，所述电阻R29的另一端接所述供电电源VCC，所述D触发器U16的VCC引脚端与所述电容C4的一端相连后接所述供电电源VCC，所述D触发器U16的GND引脚端与所述电容C4的另一端相连后接地。

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