WO2012013039A1 - 一种vienna整流器逐波限流保护的方法和装置 - Google Patents

Description

一种 VIENNA整流器逐波限流保护的方法和装置 技术领域

本发明涉及开关电源电流保护技术， 尤其涉及一种 VIENNA整流器逐 波限流保护的方法和装置。 背景技术

自从将脉宽调制 （PWM, Pulse Width Modulation )控制技术引入开关 电源领域以来， 因直接电流控制技术使电网侧电流动态、 静态性能得到提 高， 也使电网侧电流控制对系统侧的参数不敏感， 增强电流控制系统鲁棒 性得到广泛关注。 随着数字开关电源技术的发展， 对产品的性能和可靠性 要求越来越高， 而现有的电流保护方法和各自的缺点如下：

现有技术方案之一： 通过电流检测， 利用 PWM控制调节电流大小。 本 方案存在调节时间过长、 过载或大电流时间过长等风险， 控制系统无法在 极短的时间内做出判断， 功率管极有可能在此时间内烧坏。

现有技术方案之二： 硬件过流打嗝保护。 本方案对于短路情况是有效 的， 但对于负载电流的持续增加是不能进行保护的， 因为打嗝保护是长时 间间歇性的， 封锁驱动要经过毫秒级的时间才能放开， 这种保护控制方式 不能达到电流连续变化的效果。 而且， 在大电流的间隙中会不断冲击功率 开关管造成损坏， 也会影响输入侧电网电流畸变性能指标。

现有技术方案之三： 应用于二极管中点箝位型多电平变换器的逐波限 流控制， 与中点箝位型逆变器拓朴相关， 侧重延时控制电路， 控制方法复 杂。 发明内容

本发明要解决的技术问题是， 提供一种 VIENNA整流器逐波限流保护 的方法和装置， 在有效保护主功率电路中的开关管不受过流损坏的同时， 保持输入电流连续变化。

本发明釆用的技术方案是，所述 VIENNA整流器逐波限流保护的方法， 包括：

当主功率电路的三相输入电流在一个开关周期内超过过流保护阔值电 流并达到一定时间时， 停止驱动主功率电路的开关管；

当主功率电路的三相输入电流回落到过流保护阔值电流及以下， 且开 关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定时， 重新驱动主功率电路的 开关管。

所述一定时间为 9~15纳秒。

所述开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定包括：

一个开关周期内的首个所述驱动控制信号的上升沿到最后一个所述驱 动控制信号的下降之间的持续时间达到 10~18纳秒时， 表明所述驱动控制 信号已在一个开关周期内达到稳定。

本发明还提供一种 VIENNA整流器逐波限流保护的装置， 包括： 驱动 使能单元、 逐波限流单元和限流比较单元， 其中，

限流比较单元， 用于根据主功率电路中的三相输入电流产生逐波限流 使能信号输出到逐波限流单元；

驱动使能单元， 用于根据开关管驱动电路中的开关管驱动控制信号产 生逐波驱动使能信号输出到逐波限流单元；

逐波限流单元， 用于将根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号对 开关管驱动控制信号进行输出控制。

所述限流比较单元包括三个比较器， 三相输入电流分别输入到三个比 较器的负输入端， 过流保护阔值电流输入到三个比较器的正输入端， 当所 述输入电流超过过流保护阈值电流时， 所述比较器输出逐波限流使能信号 到逐波限流单元。

所述驱动使能单元包括三个并联的二极管， 三个开关管驱动控制信号 分别与三个二极管的正极相连接， 一个开关周期内的首个所述驱动控制信 号的上升沿触发一个逐波驱动使能信号， 且在最后一个所述驱动控制信号 的下降沿触发所述逐波驱动使能信号结束， 三个二极管的负极汇成一路， 将所述逐波驱动使能信号输出到逐波限流单元。

所述驱动使能单元包括两个级联的或门， 两路所述驱动控制信号输入 到第一或门的两个输入端， 第一或门的两个输出端汇为一路连接到第二或 门的一个输入端， 剩下的一路所述驱动控制信号输入到第二或门的另一个 输入端， 最终由第二或门输出逐波驱动使能信号到逐波限流单元。

所述逐波限流单元包括一个 D触发器和三个与非门， 其中， D触发器 的清零端口输入逐波驱动使能信号， 时钟端口输入逐波限流使能信号， D 端口输入高电平， Q 输出端口分别连接三个与非门的一个输入端， 三个开 关管驱动控制信号分别接入三个与非门的另一个输入端；

当逐波限流使能信号有效且持续第一稳定时间时， D 触发器停止输出 开关管驱动控制信号；

在逐波限流使能信号无效的情况下， 当逐波驱动使能信号有效且持续 第二稳定时间时， D触发器重新恢复传递开关管驱动控制信号的功能。

所述第一稳定时间为 9~15纳秒， 所述第二稳定时间为 10~18纳秒。 本发明还提供一种具有所述限流保护装置的开关管驱动电路， 开关管 驱动电路包括电压釆样单元、 电流釆样单元、 智能单元和功率管驱动单元， 智能单元依次通过驱动使能单元和逐波限流单元连接到功率管驱动单元， 电流釆样单元还通过限流比较单元连接到逐波限流单元， 其中， 电流釆样单元， 用于将主功率电路的三相输入电流分别输入到智能单 元和限流比较单元；

智能单元， 用于根据由电流釆样单元输入的所述三相输入电流、 由电 压釆样单元输入的主功率电路的三相输入电压和正负母线电压， 向逐波限 流单元输出开关管驱动控制信号；

驱动使能单元， 用于根据开关管驱动控制信号产生逐波驱动使能信号 输出到逐波限流单元；

限流比较单元， 用于根据三相输入电流产生逐波限流使能信号输出到 逐波限流单元；

逐波限流单元， 用于根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号控制 向功率管驱动单元输出的开关管驱动控制信号。

釆用上述技术方案， 本发明至少具有下列优点：

本发明结合目前数字开关电源的发展， 提出所述 VIENNA整流器逐波 限流保护的方法和装置， 当主功率电路的三相输入电流在一个开关周期内 超过过流保护阔值电流并达到一定时间时， 停止驱动主功率电路的开关管； 当主功率电路的三相输入电流回落到过流保护阔值电流以下时， 且开关管 驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定时， 重新驱动主功率电路的开关 管。 由于本发明是根据开关周期内即一个脉冲周期内的三相输入电流对开 关管驱动信号进行的调整， 在有效保护主功率电路中的开关管不受过流损 坏的同时， 达到了输入电流连续变化的效果。 当主功率电路由于故障出现 短路时， 本发明能够在开关周期内做出反应， 保证单脉冲短路电流都在允 许范围之内， 具有短路保护功能， 提高了开关电源及功率器件的可靠性。 附图说明

图 1 为 VIENNA整流器的主功率电路拓朴结构图；

图 2 为本发明第一实施例所述 VIENNA整流器逐波限流保护的装置与 主功率电路开关管驱动电路的连接关系示意图；

图 3 为本发明第一实施例所述 VIENNA整流器逐波限流保护的装置组 成结构示意图；

图 4 为逐波驱动使能信号 elk与三路开关管驱动控制信号之间的关系 示意图；

图 5 为逐波限流过程示意图；

图 6 为本发明第二实施例所述 VIENNA整流器逐波限流保护的装置中 驱动使能单元的组成结构示意图。 具体实施方式 结合附图及较佳实施例， 对本发明提出的所述 VIENNA整流器逐波限流保 护的方法和装置， 详细说明如后。

VIENNA整流器的主功率电路拓朴结构如图 1所示， 其三相输入电流： 第一输入电流 Ia、第二输入电流 lb和第三输入电流 Ic将由电流釆样单元釆 样后输入到智能单元， 电压釆样单元将釆样得到的主功率电路的三相输入 电压： 第一输入电压 Va、 第二输入电压 Vb和第三输入电压 Vc, 以及将主 功率电路的正负母线电压 E/2输入到智能单元。

现有的主功率电路开关管驱动电路包括： 电压釆样单元、 电流釆样单 元、 智能单元和功率管驱动单元。 电压釆样单元可以由釆样电阻和集成运 算放大器组成， 电流釆样单元可以由电流霍尔传感器、 互感器和取样电阻 三者中的任一个以及集成运算放大器、 直流偏置电路组成。 智能单元通常 选用 TI公司的 TMS320F280x系列的数字信号控制器（ DSC, Digital Signal Controller ) 实现。

本发明第一实施例， 一种 VIENNA整流器逐波限流保护的装置， 与现 有的主功率电路开关管驱动电路的连接关系如图 2所示。 本装置包括： 驱 动使能单元、 逐波限流单元和限流比较单元， 如图 3所示， 其中，

1 )限流比较单元， 与电流釆样单元的输出端相连接， 用于根据电流釆 样单元釆集的三相输入电流产生逐波限流使能信号， 并输出到逐波限流单 元；

限流比较单元具体包括三个比较器， 三相输入电压： Ia、 lb和 Ic分别 输入到三个比较器的负输入端， 过流保护阔值电流与三个比较器的正输入 端相连接， 当三相输入电压中的任意一路超过过流保护阔值电流时， 该路 比较器输出逐波限流使能信号 clr到逐波限流单元。

2 )驱动使能单元， 与智能单元的输出端相连接， 用于根据智能单元输 出的三路开关管驱动控制信号： 第一驱动控制信号 PWM1、 第二驱动控制 信号 PWM2和第三驱动控制信号 PWM3 , 产生逐波驱动使能信号 elk并输 出到逐波限流单元；

驱动使能单元具体包括三个并联的二极管， 三个开关管驱动控制信号 分别输出到三个二极管的正极端， 一个开关周期内的首个开关管驱动控制 信号的上升沿触发一个逐波驱动使能信号 elk, 且在最后一个开关管驱动控 制信号的下降沿触发该逐波驱动使能信号 elk结束，三个二极管的负极汇成 一路， 将该逐波驱动使能信号 elk输出到逐波限流单元。 逐波驱动使能信号 elk与三路开关管驱动控制信号之间的关系如图 4所示。

3 )逐波限流单元， 用于对根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号 对向功率管驱动单元输出的开关管驱动控制信号进行输出控制。

逐波限流单元包括一个 D触发器和三个与非门， 其中， 对 D触发器的 清零端口 CLR输入逐波驱动使能信号， 对时钟端口 CLK输入逐波限流使 能信号， 对 D端口输入高电平， 而 Q输出端口分别连接三个与非门的一个 输入端， 三个与非门的另一个输入端分别连接三个开关管驱动控制信号， 与非门的输出端连接到功率管驱动单元； 本实施例中逐波限流单元的工作过程如下：

当逐波限流使能信号 clr有效且持续第一稳定时间时， D触发器停止输 出开关管驱动控制信号。 该第一稳定时间为 9~15纳秒， 第一稳定时间与 D 触发器产品的型号参数有关， 本实施例中， 优选为 TI的 SN74AH74型号的 D触发器， 其清零端口 CLR的稳定时间为 10纳秒。

在逐波限流使能信号 clr无效的情况下， 当逐波驱动使能信号 elk有效 且持续第二稳定时间时， D 触发器重新恢复向功率管驱动单元传输开关管 驱动控制信号的功能。 该第二稳定时间为 10~18纳秒。

现给出表格，以描述各个信号的电平状态，若开关管驱动控制信号 PWM 为 0, 则开关管驱动信号 Q为 0; 当开关管驱动控制信号 PWM为 1时， 经 过逐波限流单元输出开关管驱动信号 Q的电平状态如表 1所示：

表 1 逐波限流控制单元输出开关管驱动信号的电平状态

由此可知， 逐波限流单元输出的开关管驱动信号 Q对限制三相输入电 流， 保护开关管起到了很好的效果， 如图 5 所示， 主功率电路中实际釆集 的三相输入电流在第一个开关周期内没有达到过流保护阔值， 逐波限流单 元实际输出的开关管驱动信号 Q与开关管驱动控制信号 PWM相同， 在第 二个开关周期内， 三相输入电流达到过流保护阔值并还有上升的趋势， 逐 波限流单元经过判断后停止了开关管驱动信号 Q的输出， 即开关管驱动控 制信号 PWM与实际输出的开关管驱动信号 Q不同了， 在第二个开关周期 剩下的时间内， 三相输入电流逐渐减小。 在第三个开关周期开始时， 逐波 限流单元又判断出三相输入电流已经回落到过流保护阔值以下并稳定时， 会重新恢复对开关管驱动控制信号 PWM的输出，此时，开关管驱动信号 Q 即为开关管驱动控制信号 PWM, 以此类推， 本发明能够使主功率电路的开 关管得到过流保护， 且三相输入电流在过流保护阔值范围内连续变化。

本发明第二实施例， 一种 VIENNA整流器逐波限流保护的装置， 与第 一实施例大致相同， 区别仅在于， 驱动使能单元的组成和连接方式不同。 本实施例中， 驱动使能单元包括两个级联的或门， 如图 6所示， 使第一驱 动控制信号 PWM1和第二驱动控制信号 PWM2输入到第一或门 1的两个输 入端， 第一或门 1的两个输出端汇为一路连接到第二或门 2的一个输入端， 第三驱动控制信号 PWM3输入到第二或门 2的另一个输入端， 最终由第二 或门 2输出逐波驱动使能信号 elk到逐波限流单元。

本发明第三实施例， 本实施例是在第一、 二实施例的基础上总结的一 种 VIENNA整流器逐波限流保护的方法， 具体包括：

当主功率电路的三相输入电流在一个开关周期内超过过流保护阔值电 流并达到一定时间时， 停止驱动主功率电路的开关管。 该一定时间可以为 9-15纳秒。

当主功率电路的三相输入电流回落到过流保护阔值电流及以下， 且开 关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定时， 重新驱动主功率电路的 开关管。

如图 4所示， 开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定是指： 一个开关周期内的首个所述驱动控制信号的上升沿到最后一个所述驱动控 制信号的下降之间的持续时间达到 10~18纳秒时， 表明所述驱动控制信号 已在一个开关周期内达到稳定。

本发明第四实施例， 一种具有所述限流保护装置的主功率电路开关管 驱动电路， 如图 2所示， 主功率电路开关管驱动电路包括电压釆样单元、 电流釆样单元、 智能单元和功率管驱动单元， 智能单元依次通过驱动使能 单元和逐波限流单元连接到功率管驱动单元， 电流釆样单元还通过限流比 较单元连接到逐波限流单元， 其中，

电压釆样电路， 用于釆集主功率电路的三相输入电压和正负母线电压 并输出到智能单元；

电流釆样单元， 用于将主功率电路的三相输入电流分别输出到智能单 元和限流比较单元；

智能单元， 用于根据主功率电路的三相输入电流、 三相输入电压和正 负母线电压向逐波限流单元输出开关管驱动控制信号；

驱动使能单元， 用于根据开关管驱动控制信号产生逐波驱动使能信号 并输出到逐波限流单元；

限流比较单元， 用于根据三相输入电流产生逐波限流使能信号并输出 到逐波限流单元；

逐波限流单元， 用于根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号控制 向功率管驱动单元输出的开关管驱动控制信号。

功率管驱动单元， 用于对开关管驱动控制信号进行放大处理得到开关 管驱动信号， 输出到主功率电路的开关管驱动端。 信号的过程， 包括如下具体步骤：

步骤 1 : 将主功率电路三相输入电流 、 三相输入电压^、 、

^及正负母线电压 E/2经由电流和电压釆样电路送至智能单元，智能单元对 这些输入变量进行处理、 根据相应的控制算法计算出占空比， 输出三路开 关管驱动控制信号： 第一驱动控制信号 PWM1、 第二驱动控制信号 PWM2 和第三驱动控制信号 PWM3。

在电感电流连续模式时， 计算占空比的公式如下：

式中 、 d_b、 为三相整流器各相开关脉冲占空比， sigr^ij、 sign(i_b) _¾ ^sisⁿ 为整流器三相输入电流方向值， 具体取值如下：

步骤 2: 三相输入电流 、 经电流釆样单元检测输入至智能单元 处理， 同时也发送至限流比较单元的输入端， 与过流保护阔值电流进行比 较。 若三相输入电流值均未超过过流保护阔值电流， 则限流比较单元输出 电平为高电平； 一旦输入电流超过过流保护阔值电流， 则限流比较单元输 出低电平， 即输出逐波限流使能信号 clr有效， 逐波限流使能信号 clr低电 平有效„

步骤 3: D触发器的输出由逐波限流使能信号 clr和逐波驱动使能信号 elk来控制， 逐波限流使能信号 clr优先级高、逐波驱动使能信号 elk优先级 低， 具体情况请参照表 1。 当 D触发器收到逐波限流使能信号 clr有效 9 ~ 15纳秒以上， 逐波限流单元封锁该开关周期内所有的开关管驱动信号： 第 一驱动信号 Ql、 第二驱动信号 Q2和第三驱动信号 Q3 , 否则维持先前的工 作状态。 此时， 智能单元仍计算控制环路的占空比大小、 正常输出第一驱 动控制信号 PWM1、第二驱动控制信号 PWM2和第三驱动控制信号 PWM3 脉冲波， 但实际输出的第一驱动信号 Ql、 第二驱动信号 Q2和第三驱动信 号 Q3由逐波限流单元控制，如图 5逐波限流原理所示，在一个开关周期内， 当输入电流过流时， 实际输出的开关管驱动信号比智能单元输出的开关管 驱动控制信号要小甚至可以全部关闭。 实际开关管驱动信号 Q1~Q3经由功 率管驱动单元放大得到驱动电流 drvl~drv3 , 分别连接到图 1中的第一开关 管驱动端 DRV1、 第二开关管驱动端 DRV2和第三开关管驱动端 DRV3 , 直 接控制主功率电路的开关管。

步骤 4: 检测三相输入电流的大小， 比较器若判断任一相输入电流仍大 于或等于过流保护阀值， 即逐波限流使能信号 clr有效， 则逐波限流单元继 续停止输出该开关周期内的开关管驱动信号； 反之， 若三相输入电流均恢 复正常范围， 限流比较单元输出的逐波限流使能信号 clr翻转为高电平， 无 效。

驱动使能电路时刻检测三路开关管驱动控制信号， 当三路驱动控制信 号的首个上升沿时刻即输出逐波驱动使能信号 elk, 具体原理如图 4所示。 若逐波驱动使能信号 elk高电平维持 10 ~ 18纳秒以上， 并且逐波限流使能 信号 clr为高电平状态时，逐波限流单元重新恢复对开关管驱动信号的输出， 否则仍然维持先前状态， 停止输出该开关周期内的开关管驱动信号。

由于本发明是根据开关周期内即一个脉冲周期内的三相输入电流对开 关管驱动信号进行的调整， 因此在有效保护主功率电路中的开关管不受过 流损坏的同时， 达到输入电流连续变化的效果。 当主功率电路由于故障出 现短路时， 本发明能够在开关周期内做出反应， 保证单脉冲短路电流都在 允许范围之内， 具有短路保护功能， 提高了开关电源及功率器件的可靠性。

通过具体实施方式的说明， 应当可对本发明为达成预定目的所釆取的 技术手段及功效得以更加深入且具体的了解， 然而所附图示仅是提供参考 与说明之用， 并非用来对本发明加以限制。

Claims

权利要求书

1、 一种 VIENNA整流器逐波限流保护的方法， 其特征在于， 所述方法 包括：

当主功率电路的三相输入电流在一个开关周期内超过过流保护阔值电 流并达到一定时间时， 停止驱动主功率电路的开关管；

当主功率电路的三相输入电流回落到过流保护阔值电流及以下， 且开 关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定时， 重新驱动主功率电路的 开关管。

2、 根据权利要求 1所述逐波限流保护的方法， 其特征在于， 所述一定 时间为 9~15纳秒。

3、 根据权利要求 1或 2所述逐波限流保护的方法， 其特征在于， 所述 开关管驱动控制信号在一个开关周期内达到稳定包括：

一个开关周期内的首个所述驱动控制信号的上升沿到最后一个所述驱 动控制信号的下降之间的持续时间达到 10~18纳秒时， 表明所述驱动控制 信号已在一个开关周期内达到稳定。

4、 一种 VIENNA整流器逐波限流保护的装置， 其特征在于， 包括： 驱 动使能单元、 逐波限流单元和限流比较单元， 其中，

限流比较单元， 用于根据主功率电路中的三相输入电流产生逐波限流 使能信号并输出到逐波限流单元；

驱动使能单元， 用于根据开关管驱动电路中的开关管驱动控制信号产 生逐波驱动使能信号并输出到逐波限流单元；

逐波限流单元， 用于将根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号对 开关管驱动控制信号进行输出控制。

5、 根据权利要求 4所述逐波限流保护的装置， 其特征在于， 所述限流 比较单元包括三个比较器， 三相输入电流分别输入到三个比较器的负输入 端， 过流保护阔值电流输入到三个比较器的正输入端， 当所述输入电流超 过过流保护阔值电流时， 所述比较器输出逐波限流使能信号到逐波限流单 元。

6、 根据权利要求 4所述逐波限流保护的装置， 其特征在于， 所述驱动 使能单元包括三个并联的二极管， 三个开关管驱动控制信号分别输出到三 个二极管的正极端， 在一个开关周期内的首个所述驱动控制信号的上升沿 触发一个逐波驱动使能信号， 且在最后一个所述驱动控制信号的下降沿触 发所述逐波驱动使能信号结束， 三个二极管的负极汇成一路， 将所述逐波 驱动使能信号输出到逐波限流单元。

7、 根据权利要求 4所述逐波限流保护的装置， 其特征在于， 所述驱动 使能单元包括两个级联的或门， 两路所述驱动控制信号输入到第一或门的 两个输入端， 第一或门的两个输出端汇为一路连接到第二或门的一个输入 端， 剩下的一路所述驱动控制信号输入到第二或门的另一个输入端， 最终 由第二或门输出逐波驱动使能信号到逐波限流单元。

8、 根据权利要求 4或 5或 6或 7所述逐波限流保护的装置， 其特征在 于， 所述逐波限流单元包括一个 D触发器和三个与非门， 其中， 对 D触发 器的清零端口输入逐波驱动使能信号， 对时钟端口输入逐波限流使能信号， 对 D端口输入高电平， Q输出端口分别连接三个与非门的一个输入端， 三 个开关管驱动控制信号分别输入三个与非门的另一个输入端；

当逐波限流使能信号有效且持续第一稳定时间时， D 触发器停止输出 开关管驱动控制信号；

在逐波限流使能信号无效的情况下， 当逐波驱动使能信号有效且持续 第二稳定时间时， D触发器重新恢复传输开关管驱动控制信号的功能。

9、 根据权利要求 8所述逐波限流保护的装置， 其特征在于， 所述第一 稳定时间为 9~15纳秒， 所述第二稳定时间为 10~18纳秒。

10、 一种具有权利要求 4至 9任一项所述限流保护装置的开关管驱动 电路， 开关管驱动电路包括电压釆样单元、 电流釆样单元、 智能单元和功 率管驱动单元， 其特征在于， 智能单元依次通过驱动使能单元和逐波限流 单元连接到功率管驱动单元， 电流釆样单元还通过限流比较单元连接到逐 波限流单元， 其中，

电流釆样单元， 用于将主功率电路的三相输入电流分别输入到智能单 元和限流比较单元；

智能单元， 用于根据由电流釆样单元输入的所述三相输入电流、 由电 压釆样单元输入的主功率电路的三相输入电压和正负母线电压， 向逐波限 流单元输出开关管驱动控制信号；

驱动使能单元， 用于根据开关管驱动控制信号产生逐波驱动使能信号 并输出到逐波限流单元；

限流比较单元， 用于根据三相输入电流产生逐波限流使能信号并输出 到逐波限流单元；

逐波限流单元， 用于根据逐波驱动使能信号和逐波限流使能信号控制 向功率管驱动单元输出的开关管驱动控制信号。