專利名稱：大功率逆變?cè)O(shè)備輸出過流、短路保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流逆變電源保護(hù)領(lǐng)域，特別涉及一種在大功率(大于1kW)逆變?cè)O(shè)備輸出過電流和輸出短路時(shí)的保護(hù)技術(shù)。
在微電子電路和小功率電子設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，通常采取限流降壓保護(hù)措施，由于功率很小，保護(hù)時(shí)產(chǎn)生的熱耗小，短時(shí)間不會(huì)造成損壞。而大功率設(shè)備往往輸出電壓高，電流大，短路時(shí)除限流外應(yīng)沒有輸出電壓或很小，采用小功率設(shè)備這種限流降壓保護(hù)方式不可行，目前，對(duì)大功率設(shè)備輸出保護(hù)這方面已有一些研究，但存在很多缺點(diǎn)和不足，比如1)限用于某種特殊場(chǎng)合的保護(hù)技術(shù)如中國專利95113019“一種高頻逆變電焊機(jī)電源開關(guān)管的保護(hù)方法和電路”針對(duì)逆變電焊機(jī)這類設(shè)備所具有的間斷性電流重復(fù)沖擊的特點(diǎn)，提出了對(duì)輸出電路部分的關(guān)鍵器件——開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)，這僅就某個(gè)方面的應(yīng)用系統(tǒng)提出的解決方案，不具有通用性，對(duì)大功率逆變輸出設(shè)備過電流和短路時(shí)的保護(hù)可靠性不夠。
2)系統(tǒng)內(nèi)部器件短路的防止技術(shù)如中國專利96117751“避免逆變器上下功率管瞬間短路的電路”提出了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)鍵器件——開關(guān)管進(jìn)行瞬間短路的保護(hù)方法，這是針對(duì)系統(tǒng)原理需求與功率器件的工作特點(diǎn)而提出的解決方案，對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備的過電流或短路沒有足夠的保護(hù)作用，對(duì)逆變輸出設(shè)備的保護(hù)不完整；3)過電流保護(hù)時(shí)沒有輸出正常后立即自動(dòng)恢復(fù)的功能(需電腦控制恢復(fù))美國專利號(hào)6137699“Power supply protection and control circuit”在此項(xiàng)技術(shù)中，當(dāng)被保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)過電流后又恢復(fù)正常時(shí)，系統(tǒng)本身不能自動(dòng)恢復(fù)正常，必須由監(jiān)控該系統(tǒng)的電腦發(fā)命令重新啟動(dòng)工作。在上述這些現(xiàn)有技術(shù)中，都存在以下共同缺陷和不足1)沒有單逆變周期瞬時(shí)電流監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能；2)沒有過電流消失后立即自動(dòng)恢復(fù)的功能；3)沒有對(duì)多逆變周期連續(xù)過電流作出保護(hù)和短路的判斷；4)沒有可分級(jí)的電流控制功能和可分級(jí)設(shè)置的過電流保護(hù)措施，不能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多級(jí)設(shè)定過電流保護(hù)點(diǎn)。
5)沒有把硬件保護(hù)控制和軟件保護(hù)有效結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)，保護(hù)的可靠性有限。
3)單逆變周期電流檢測(cè)、瞬時(shí)過流快速保護(hù)、過流消失后自動(dòng)恢復(fù)每當(dāng)輸出電路超過電流設(shè)定值(該設(shè)定值可根據(jù)保護(hù)需要設(shè)定)時(shí)，立即發(fā)出信號(hào)關(guān)閉本周期的逆變驅(qū)動(dòng)脈沖，下一周期時(shí)如不再過電流則繼續(xù)工作，又打開驅(qū)動(dòng)脈沖，如仍然過電流又重復(fù)關(guān)閉脈沖，以此達(dá)到快速保護(hù)電路的目的，具有反應(yīng)迅速、重復(fù)判斷、自恢復(fù)的特點(diǎn)；4)多逆變周期持續(xù)過電流判斷和保護(hù)當(dāng)電路持續(xù)過電流超過一定時(shí)間(該時(shí)間可根據(jù)保護(hù)需要設(shè)定)，判斷為系統(tǒng)出現(xiàn)故障，發(fā)出信號(hào)作相應(yīng)的處理或者關(guān)閉系統(tǒng)，從而對(duì)系統(tǒng)電路起到可靠保護(hù)的作用。本發(fā)明所述裝置包括以下幾個(gè)單元輸出電流實(shí)時(shí)檢測(cè)單元，該單元將設(shè)備輸出電流按比例精確地、無時(shí)延(或者時(shí)延很小，可忽略)地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)同時(shí)輸出給模擬信號(hào)數(shù)字化單元和瞬時(shí)過電流判斷單元；模擬信號(hào)數(shù)字化單元，將輸出電流實(shí)時(shí)檢測(cè)單元輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行雙極到單極的信號(hào)變換后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所輸出數(shù)字量提供給軟件判斷、電流分級(jí)控制和保護(hù)處理單元；軟件判斷、電流分級(jí)控制和保護(hù)處理單元，設(shè)定多級(jí)輸出電流所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，當(dāng)模擬信號(hào)數(shù)字化單元所輸出的電流數(shù)字量大于所設(shè)定的數(shù)值時(shí)，分別對(duì)應(yīng)輸出指定的控制信號(hào)；設(shè)定一略低于硬件保護(hù)點(diǎn)的值，當(dāng)從模擬信號(hào)數(shù)字化單元輸出的電流數(shù)字量大于保護(hù)設(shè)定值時(shí)，由軟件控制關(guān)閉逆變驅(qū)動(dòng)脈沖；瞬時(shí)過電流沖擊的判斷單元，實(shí)現(xiàn)過電流的判斷，即對(duì)輸出電流實(shí)時(shí)檢測(cè)單元所輸出信號(hào)進(jìn)行整流，整流后的信號(hào)與硬件設(shè)定電流保護(hù)點(diǎn)相比較，當(dāng)大于保護(hù)點(diǎn)時(shí)立即輸出過流信號(hào)，輸送給持續(xù)過電流或短路的保護(hù)單元；過電流的保護(hù)和過沖后的自動(dòng)恢復(fù)單元，瞬時(shí)過電流沖擊的判斷單元輸出的過電流信號(hào)觸發(fā)本單元電路，立即關(guān)閉逆變驅(qū)動(dòng)脈沖，停止相關(guān)電路工作，實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)功能；由主控制電路輸出的逆變驅(qū)動(dòng)同步信號(hào)在下一同步周期開始時(shí)再解除封鎖，重新監(jiān)測(cè)是否仍然過電流，如不再過電流則系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)，否則繼續(xù)封鎖逆變脈沖；持續(xù)過電流或短路的保護(hù)單元，瞬時(shí)過電流沖擊的判斷單元輸出的過電流信號(hào)輸入本單元，當(dāng)持續(xù)過電流時(shí)，該單元累積所出現(xiàn)的過電流持續(xù)時(shí)間，當(dāng)累積過電流時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)，向主控制電路輸出保護(hù)信號(hào)；短時(shí)過電流消失一段時(shí)間后可自動(dòng)恢復(fù)累積時(shí)間零點(diǎn)，等待下一次累積；通過以上這幾個(gè)單元的組合，完成大功率逆變輸出設(shè)備過電流和輸出短路的全面保護(hù)。
一般情況下，大功率逆變?cè)O(shè)備都必須提供過電流和短路保護(hù)措施。采用本發(fā)明所述的裝置，可以減少系統(tǒng)因意外的過電流或輸出短路導(dǎo)致?lián)p壞，從而節(jié)省設(shè)備維護(hù)和維修費(fèi)用。而在現(xiàn)有的“部分保護(hù)”措施的系統(tǒng)中，因準(zhǔn)確性差或者未綜合判斷可能導(dǎo)致錯(cuò)誤保護(hù)，不適合可靠性要求高的場(chǎng)合，從而限制了這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，并可在其它相關(guān)領(lǐng)域里借鑒采用。
圖2是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例組成框圖。
圖3是實(shí)現(xiàn)圖2的具體電路圖。


圖1中的瞬時(shí)過電流沖擊的判斷單元104所實(shí)現(xiàn)的功能由圖2中由整流電路、瞬時(shí)過電流判斷電路205完成。
整流電路、瞬時(shí)過電流判斷電路205，對(duì)信號(hào)放大、濾波處理電路202所輸出信號(hào)進(jìn)行整流，簡(jiǎn)化瞬時(shí)過電流檢測(cè)電路，經(jīng)過比例化處理的瞬時(shí)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)與設(shè)定電流保護(hù)點(diǎn)電壓相比較，當(dāng)大于保護(hù)點(diǎn)時(shí)立即輸出過流信號(hào)。
圖1中的過電流的保護(hù)和過沖后的自動(dòng)恢復(fù)單元105所實(shí)現(xiàn)的功能由圖2中的逆變驅(qū)動(dòng)頻率同步的信號(hào)輸入電路206、單周期自動(dòng)恢復(fù)脈沖封鎖電路207完成，其中逆變驅(qū)動(dòng)脈沖同步的信號(hào)產(chǎn)生電路206，對(duì)單路驅(qū)動(dòng)脈沖同步信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生與逆變周期同步的自動(dòng)恢復(fù)觸發(fā)信號(hào)；單周期自動(dòng)恢復(fù)脈沖封鎖電路207，以整流電路、瞬時(shí)過電流判斷電路205輸出的過電流信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)將逆變驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖，逆變同步信號(hào)驅(qū)動(dòng)的觸發(fā)電路發(fā)出信號(hào)在下一同步周期解除封鎖后，重新監(jiān)測(cè)是否仍然過電流，如不再過電流則系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)，否則繼續(xù)封鎖逆變脈沖；圖1中的持續(xù)過電流或短路的保護(hù)單元106所實(shí)現(xiàn)的功能由圖2中的持續(xù)過電流累積積分電路208，過流時(shí)間比較、輸出處理電路209完成，其中持續(xù)過電流累積積分電路208，當(dāng)瞬時(shí)過電流判斷電路205輸出過電流信號(hào)時(shí)，累積所出現(xiàn)的過電流狀況持續(xù)的時(shí)間，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出給過流時(shí)間比較、輸出處理電路209，當(dāng)過電流消失后可恢復(fù)累積時(shí)間零點(diǎn)，等待下一次累積；過流時(shí)間比較、輸出處理電路209當(dāng)持續(xù)過電流達(dá)到設(shè)定時(shí)間保護(hù)點(diǎn)時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)給主控制電路204，如果持續(xù)過電流時(shí)間很短，未累積到設(shè)定時(shí)間保護(hù)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)仍然恢復(fù)正常工作狀態(tài)，通過設(shè)定合適的過流時(shí)間保護(hù)點(diǎn)電壓，可以在保護(hù)輸出功率器件的安全的情況下有效躲過允許的短時(shí)過電流沖擊。
圖2中各個(gè)電路的具體實(shí)現(xiàn)參見圖3輸出電流檢測(cè)和信號(hào)變換電路201，該電路將所監(jiān)控的大電流轉(zhuǎn)換為電壓小信號(hào)，采用電流互感器T將大電流信號(hào)按比例變換為小電流信號(hào)，而后由電阻R3將此小電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。對(duì)交流大電流的監(jiān)控很有效，反應(yīng)速度快，測(cè)量范圍可大可小，實(shí)現(xiàn)了主電路與控制電路的電氣隔離，安全可靠，成本低，無需電源，容易實(shí)現(xiàn)。
電壓信號(hào)放大、濾波電路202，該電路以集成運(yùn)算放大器D1B為核心構(gòu)成，采用反相放大電路的形式，反相放大電路輸入阻抗與所選外圍元件有關(guān)，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮這一因素，電路的實(shí)際放大倍數(shù)與信號(hào)源的阻抗匹配有關(guān)。
雙極到單極信號(hào)變換、限幅電路203，這部分電路是為了將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量前的信號(hào)前級(jí)處理電路。該電路用一個(gè)運(yùn)放D3A組成的反相放大電路完成輸入采樣信號(hào)幅度范圍的調(diào)整，以便充分利用A/D轉(zhuǎn)換的分辨率，同時(shí)逆變輸出電流信號(hào)為交流，前級(jí)變換后的信號(hào)為雙極性，在此電路中將它變換為單極性信號(hào)，為了A/D轉(zhuǎn)換電路的安全，通過兩個(gè)二極管VD4、VD5將輸入信號(hào)限制在參考電壓的范圍內(nèi)。
整流電路、瞬時(shí)過電流判斷電路205中的整流電路，為了后續(xù)控制電路的簡(jiǎn)化，將交流電壓信號(hào)變換為直流處理。本實(shí)施例中用正信號(hào)直接通過二極管VD1，負(fù)信號(hào)經(jīng)過1∶1反相放大后通過二極管VD6，兩路信號(hào)合成后為整流后的信號(hào)。在絕大多數(shù)的過電流保護(hù)控制中，輸出很小的電流時(shí)無需保護(hù)控制，所以可采用一般的二極管整流電路，簡(jiǎn)單易行，成本低廉，為減小保護(hù)控制的盲區(qū)，要盡量使整流之前的電壓信號(hào)放大到比二極管導(dǎo)通電壓大幾倍的范圍。對(duì)于控制要求高的場(chǎng)合，如不允許有控制盲區(qū)時(shí)，可采用另外的無死區(qū)整流電路實(shí)現(xiàn)。
整流電路、瞬時(shí)過電流判斷電路205中的瞬時(shí)過電流判斷電路，為了完成在設(shè)定電流點(diǎn)作出快速保護(hù)，總是當(dāng)輸出電流大于設(shè)定保護(hù)點(diǎn)時(shí)立即輸出控制信號(hào)，這個(gè)功能由比較電路實(shí)現(xiàn)，采用集成比較電路D4A，以簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)和提高可靠性。輸出電流保護(hù)點(diǎn)的設(shè)定由比較電路的一個(gè)輸入端基準(zhǔn)電壓決定，可采用分壓電路取得所需要的參考電壓，設(shè)定保護(hù)點(diǎn)可通過改變分壓比得到。
逆變驅(qū)動(dòng)頻率同步的信號(hào)產(chǎn)生電路206，該電路在瞬時(shí)過電流后，觸發(fā)系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常的功能，每個(gè)逆變周期產(chǎn)生一個(gè)與逆變驅(qū)動(dòng)脈沖同步的信號(hào)，復(fù)位逆變脈沖封鎖信號(hào)且開放逆變脈沖通道，當(dāng)出現(xiàn)瞬時(shí)過電流時(shí)，保證下一個(gè)周期能重新輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，如果再次發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖后，輸出電路不再過電流，則電路自動(dòng)恢復(fù)正常。
單周期自動(dòng)恢復(fù)脈沖封鎖電路207，該電路在輸出過電流時(shí)立即輸出封鎖逆變脈沖的信號(hào)，停止逆變輸出，保護(hù)輸出功率管的安全。電路的構(gòu)成以D觸發(fā)器D2A為核心，過電流輸出信號(hào)控制觸發(fā)器的清零端，過電流時(shí)在同相輸出端立即輸出低電平，該電平信號(hào)可用來控制逆變脈沖的通路，而逆變控制同步信號(hào)接觸發(fā)器的觸發(fā)端，當(dāng)過電流信號(hào)消失時(shí)，下一周期同步脈沖輸入觸發(fā)器時(shí)，同相輸出端輸出高電平，打開逆變脈沖的通路，重新恢復(fù)正常運(yùn)行。
持續(xù)過電流累積積分電路208，該電路用于判斷持續(xù)過電流，當(dāng)逆變輸出出現(xiàn)過電流時(shí)，此電路能累積過電流的情況。如持續(xù)過電流，過電流信號(hào)(來自觸發(fā)電路反相輸出端)給本電路中的電容充電，積分電壓不斷升高，如不過電流時(shí)，則電容通過較大的電阻放電，積分電壓慢慢減小，直至回到初始狀態(tài)，所累積的積分電壓與保護(hù)時(shí)間設(shè)定點(diǎn)電壓比較，當(dāng)積分電壓大于保護(hù)點(diǎn)電壓時(shí)(即過電流時(shí)間大于設(shè)定時(shí)間時(shí))，輸出一路控制信號(hào)供主控制電路作出相應(yīng)的處理。
權(quán)利要求
1.大功率逆變?cè)O(shè)備輸出過流、短路保護(hù)裝置，包括輸出電流實(shí)時(shí)檢測(cè)單元(101)，將設(shè)備輸出電流按比例精確地、無時(shí)延地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)同時(shí)輸出給模擬信號(hào)數(shù)字化單元(102)和瞬時(shí)過電流判斷單元(104)；模擬信號(hào)數(shù)字化單元(102)，將輸出電流實(shí)時(shí)檢測(cè)單元(101)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行雙極到單極的信號(hào)變換后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所輸出數(shù)字量提供給軟件判斷、電流分級(jí)控制和保護(hù)處理單元(103)；軟件判斷、電流分級(jí)控制和保護(hù)處理單元(103)，設(shè)定多級(jí)輸出電流所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，當(dāng)模擬信號(hào)數(shù)字化單元所輸出的電流數(shù)字量大于所設(shè)定的數(shù)值時(shí)，分別對(duì)應(yīng)輸出指定的控制信號(hào)；設(shè)定一略低于硬件保護(hù)點(diǎn)的值，當(dāng)從模擬信號(hào)數(shù)字化單元輸出的電流數(shù)字量大于保護(hù)設(shè)定值時(shí)，由軟件控制關(guān)閉逆變驅(qū)動(dòng)脈沖；瞬時(shí)過電流沖擊的判斷單元(104)，實(shí)現(xiàn)過電流的判斷，即對(duì)輸出電流實(shí)時(shí)檢測(cè)單元(101)的輸出信號(hào)進(jìn)行整流，整流后的信號(hào)與硬件設(shè)定電流保護(hù)點(diǎn)相比較，當(dāng)大于保護(hù)點(diǎn)時(shí)立即輸出過流信號(hào)，輸送給持續(xù)過電流或短路的保護(hù)單元(106)；過電流的保護(hù)和過電流沖沖擊后的自動(dòng)恢復(fù)單元(105)，瞬時(shí)過電流沖擊的判斷單元(104)輸出的過電流信號(hào)觸發(fā)本單元電路，立即關(guān)閉逆變驅(qū)動(dòng)脈沖，停止相關(guān)電路工作，由主邏輯電路輸出的逆變驅(qū)動(dòng)同步信號(hào)在下一同步周期開始時(shí)再解除封鎖，重新監(jiān)測(cè)是否仍然過電流，如不再過電流則系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)，否則繼續(xù)封鎖逆變脈沖；持續(xù)過電流或短路的保護(hù)單元(106)，瞬時(shí)過電流沖擊的判斷單元(104)輸出的過電流信號(hào)輸入本單元，當(dāng)持續(xù)過電流時(shí)，該單元累積所出現(xiàn)的過電流持續(xù)時(shí)間，當(dāng)累積過電流時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)，向主邏輯電路輸出保護(hù)信號(hào)；短時(shí)過電流消失一段時(shí)間后可自動(dòng)恢復(fù)累積時(shí)間零點(diǎn)，等待下一次累積。
2.如權(quán)利要求1所述的大功率逆變?cè)O(shè)備輸出過流、短路保護(hù)裝置，其特征在于所述的過電流的保護(hù)和過沖后的自動(dòng)恢復(fù)單元(105)包括逆變驅(qū)動(dòng)頻率同步的信號(hào)輸入電路(206)，對(duì)單路驅(qū)動(dòng)脈沖同步信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生與逆變周期同步的自動(dòng)恢復(fù)觸發(fā)信號(hào)；單周期自動(dòng)恢復(fù)脈沖封鎖電路(207)，以瞬時(shí)過電流沖擊的判斷單元(104)輸出的過電流信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)將逆變驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖，逆變同步信號(hào)驅(qū)動(dòng)的觸發(fā)電路發(fā)出信號(hào)在下一同步周期解除封鎖后，重新監(jiān)測(cè)是否仍然過電流，如不再過電流則系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)，否則繼續(xù)封鎖逆變脈沖。
3.如權(quán)利要求1所述的大功率逆變?cè)O(shè)備輸出過流、短路保護(hù)裝置，其特征在于所述的持續(xù)過電流或短路的保護(hù)單元(106)包括持續(xù)過電流累積積分電路(208)，當(dāng)持續(xù)出現(xiàn)過電流時(shí)，該電路累積所出現(xiàn)的過電流狀況持續(xù)的時(shí)間，過電流消失后可恢復(fù)累積時(shí)間零點(diǎn)，等待下一次累積；過流時(shí)間比較、輸出處理電路(209)，當(dāng)持續(xù)過電流達(dá)到設(shè)定時(shí)間保護(hù)點(diǎn)時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)給主控制電路，如果持續(xù)過電流時(shí)間很短，未累積到設(shè)定時(shí)間保護(hù)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)仍然恢復(fù)正常工作狀態(tài)，通過設(shè)定合適的過流時(shí)間保護(hù)點(diǎn)，可以在保護(hù)輸出功率器件的安全的情況下有效躲過正常的短時(shí)電流過沖。
全文摘要
大功率逆變?cè)O(shè)備輸出過流、短路保護(hù)裝置，涉及交流逆變電源保護(hù)領(lǐng)域；包括輸出電流實(shí)時(shí)檢測(cè)單元，模擬信號(hào)數(shù)字化單元，軟件判斷、電流分級(jí)控制和保護(hù)處理單元，瞬時(shí)過電流沖擊的判斷單元，過電流的保護(hù)和過沖后的自動(dòng)恢復(fù)單元，持續(xù)過電流或短路的保護(hù)單元，本發(fā)明能夠完成大功率逆變輸出設(shè)備過電流和輸出短路的全面保護(hù)。
文檔編號(hào)H02H7/122GK1466255SQ0211237
公開日2004年1月7日 申請(qǐng)日期2002年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月29日
發(fā)明者張南山, 賀川, 汪廣武 申請(qǐng)人:深圳市中興通訊股份有限公司