專利名稱：大功率逆變設(shè)備輸出過流、短路保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流逆變電源保護領(lǐng)域，特別涉及一種在大功率(大于1kW)逆變設(shè)備輸出過電流和輸出短路時的保護技術(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措施，由于功率很小，保護時產(chǎn)生的熱耗小，短時間不會造成損壞。而大功率設(shè)備往往輸出電壓高，電流大，短路時除限流外應(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方式不可行，目前，對大功率設(shè)備輸出保護這方面已有一些研究，但存在很多缺點和不足，比如1)限用于某種特殊場合的保護技術(shù)如中國專利95113019“一種高頻逆變電焊機電源開關(guān)管的保護方法和電路”針對逆變電焊機這類設(shè)備所具有的間斷性電流重復(fù)沖擊的特點，提出了對輸出電路部分的關(guān)鍵器件——開關(guān)管進行保護，這僅就某個方面的應(yīng)用系統(tǒng)提出的解決方案，不具有通用性，對大功率逆變輸出設(shè)備過電流和短路時的保護可靠性不夠。
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”提出了對系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)鍵器件——開關(guān)管進行瞬間短路的保護方法，這是針對系統(tǒng)原理需求與功率器件的工作特點而提出的解決方案，對系統(tǒng)或設(shè)備的過電流或短路沒有足夠的保護作用，對逆變輸出設(shè)備的保護不完整；3)過電流保護時沒有輸出正常后立即自動恢復(fù)的功能(需電腦控制恢復(fù))美國專利號6137699“Power supply protection and control circuit”在此項技術(shù)中，當(dāng)被保護設(shè)備出現(xiàn)過電流后又恢復(fù)正常時，系統(tǒng)本身不能自動恢復(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電流監(jiān)測和保護功能；2)沒有過電流消失后立即自動恢復(fù)的功能；3)沒有對多逆變周期連續(xù)過電流作出保護和短路的判斷；4)沒有可分級的電流控制功能和可分級設(shè)置的過電流保護措施，不能對系統(tǒng)進行多級設(shè)定過電流保護點。
5)沒有把硬件保護控制和軟件保護有效結(jié)合起來，實現(xiàn)雙重保護，保護的可靠性有限。
3)單逆變周期電流檢測、瞬時過流快速保護、過流消失后自動恢復(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)保護需要設(shè)定)時，立即發(fā)出信號關(guān)閉本周期的逆變驅(qū)動脈沖，下一周期時如不再過電流則繼續(xù)工作，又打開驅(qū)動脈沖，如仍然過電流又重復(fù)關(guān)閉脈沖，以此達到快速保護電路的目的，具有反應(yīng)迅速、重復(fù)判斷、自恢復(fù)的特點；4)多逆變周期持續(xù)過電流判斷和保護當(dāng)電路持續(xù)過電流超過一定時間(該時間可根據(jù)保護需要設(shè)定)，判斷為系統(tǒng)出現(xiàn)故障，發(fā)出信號作相應(yīng)的處理或者關(guān)閉系統(tǒng)，從而對系統(tǒng)電路起到可靠保護的作用。本發(fā)明所述裝置包括以下幾個單元輸出電流實時檢測單元，該單元將設(shè)備輸出電流按比例精確地、無時延(或者時延很小，可忽略)地轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號同時輸出給模擬信號數(shù)字化單元和瞬時過電流判斷單元；模擬信號數(shù)字化單元，將輸出電流實時檢測單元輸出的電壓信號進行雙極到單極的信號變換后進行A/D轉(zhuǎn)換，所輸出數(shù)字量提供給軟件判斷、電流分級控制和保護處理單元；軟件判斷、電流分級控制和保護處理單元，設(shè)定多級輸出電流所對應(yīng)的數(shù)值，當(dāng)模擬信號數(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，分別對應(yīng)輸出指定的控制信號；設(shè)定一略低于硬件保護點的值，當(dāng)從模擬信號數(shù)字化單元輸出的電流數(shù)字量大于保護設(shè)定值時，由軟件控制關(guān)閉逆變驅(qū)動脈沖；瞬時過電流沖擊的判斷單元，實現(xiàn)過電流的判斷，即對輸出電流實時檢測單元所輸出信號進行整流，整流后的信號與硬件設(shè)定電流保護點相比較，當(dāng)大于保護點時立即輸出過流信號，輸送給持續(xù)過電流或短路的保護單元；過電流的保護和過沖后的自動恢復(fù)單元，瞬時過電流沖擊的判斷單元輸出的過電流信號觸發(fā)本單元電路，立即關(guān)閉逆變驅(qū)動脈沖，停止相關(guān)電路工作，實現(xiàn)快速保護功能；由主控制電路輸出的逆變驅(qū)動同步信號在下一同步周期開始時再解除封鎖，重新監(jiān)測是否仍然過電流，如不再過電流則系統(tǒng)將自動恢復(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單元，瞬時過電流沖擊的判斷單元輸出的過電流信號輸入本單元，當(dāng)持續(xù)過電流時，該單元累積所出現(xiàn)的過電流持續(xù)時間，當(dāng)累積過電流時間超過設(shè)定值時，向主控制電路輸出保護信號；短時過電流消失一段時間后可自動恢復(fù)累積時間零點，等待下一次累積；通過以上這幾個單元的組合，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。
一般情況下，大功率逆變設(shè)備都必須提供過電流和短路保護措施。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)備維護和維修費用。而在現(xiàn)有的“部分保護”措施的系統(tǒng)中，因準(zhǔn)確性差或者未綜合判斷可能導(dǎo)致錯誤保護，不適合可靠性要求高的場合，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)用實例組成框圖。
圖3是實現(xiàn)圖2的具體電路圖。


圖1中的瞬時過電流沖擊的判斷單元104所實現(xiàn)的功能由圖2中由整流電路、瞬時過電流判斷電路205完成。
整流電路、瞬時過電流判斷電路205，對信號放大、濾波處理電路202所輸出信號進行整流，簡化瞬時過電流檢測電路，經(jīng)過比例化處理的瞬時電流信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號與設(shè)定電流保護點電壓相比較，當(dāng)大于保護點時立即輸出過流信號。
圖1中的過電流的保護和過沖后的自動恢復(fù)單元105所實現(xiàn)的功能由圖2中的逆變驅(qū)動頻率同步的信號輸入電路206、單周期自動恢復(fù)脈沖封鎖電路207完成，其中逆變驅(qū)動脈沖同步的信號產(chǎn)生電路206，對單路驅(qū)動脈沖同步信號進行處理，產(chǎn)生與逆變周期同步的自動恢復(fù)觸發(fā)信號；單周期自動恢復(fù)脈沖封鎖電路207，以整流電路、瞬時過電流判斷電路205輸出的過電流信號作為觸發(fā)信號將逆變驅(qū)動脈沖封鎖，逆變同步信號驅(qū)動的觸發(fā)電路發(fā)出信號在下一同步周期解除封鎖后，重新監(jiān)測是否仍然過電流，如不再過電流則系統(tǒng)將自動恢復(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單元106所實現(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)瞬時過電流判斷電路205輸出過電流信號時，累積所出現(xiàn)的過電流狀況持續(xù)的時間，轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出給過流時間比較、輸出處理電路209，當(dāng)過電流消失后可恢復(fù)累積時間零點，等待下一次累積；過流時間比較、輸出處理電路209當(dāng)持續(xù)過電流達到設(shè)定時間保護點時，發(fā)出控制信號給主控制電路204，如果持續(xù)過電流時間很短，未累積到設(shè)定時間保護點時，系統(tǒng)仍然恢復(fù)正常工作狀態(tài)，通過設(shè)定合適的過流時間保護點電壓，可以在保護輸出功率器件的安全的情況下有效躲過允許的短時過電流沖擊。
圖2中各個電路的具體實現(xiàn)參見圖3輸出電流檢測和信號變換電路201，該電路將所監(jiān)控的大電流轉(zhuǎn)換為電壓小信號，采用電流互感器T將大電流信號按比例變換為小電流信號，而后由電阻R3將此小電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。對交流大電流的監(jiān)控很有效，反應(yīng)速度快，測量范圍可大可小，實現(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，容易實現(xiàn)。
電壓信號放大、濾波電路202，該電路以集成運算放大器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)，計算時應(yīng)考慮這一因素，電路的實際放大倍數(shù)與信號源的阻抗匹配有關(guān)。
雙極到單極信號變換、限幅電路203，這部分電路是為了將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量前的信號前級處理電路。該電路用一個運放D3A組成的反相放大電路完成輸入采樣信號幅度范圍的調(diào)整，以便充分利用A/D轉(zhuǎn)換的分辨率，同時逆變輸出電流信號為交流，前級變換后的信號為雙極性，在此電路中將它變換為單極性信號，為了A/D轉(zhuǎn)換電路的安全，通過兩個二極管VD4、VD5將輸入信號限制在參考電壓的范圍內(nèi)。
整流電路、瞬時過電流判斷電路205中的整流電路，為了后續(xù)控制電路的簡化，將交流電壓信號變換為直流處理。本實施例中用正信號直接通過二極管VD1，負(fù)信號經(jīng)過1∶1反相放大后通過二極管VD6，兩路信號合成后為整流后的信號。在絕大多數(shù)的過電流保護控制中，輸出很小的電流時無需保護控制，所以可采用一般的二極管整流電路，簡單易行，成本低廉，為減小保護控制的盲區(qū)，要盡量使整流之前的電壓信號放大到比二極管導(dǎo)通電壓大幾倍的范圍。對于控制要求高的場合，如不允許有控制盲區(qū)時，可采用另外的無死區(qū)整流電路實現(xiàn)。
整流電路、瞬時過電流判斷電路205中的瞬時過電流判斷電路，為了完成在設(shè)定電流點作出快速保護，總是當(dāng)輸出電流大于設(shè)定保護點時立即輸出控制信號，這個功能由比較電路實現(xiàn)，采用集成比較電路D4A，以簡化電路的設(shè)計和提高可靠性。輸出電流保護點的設(shè)定由比較電路的一個輸入端基準(zhǔn)電壓決定，可采用分壓電路取得所需要的參考電壓，設(shè)定保護點可通過改變分壓比得到。
逆變驅(qū)動頻率同步的信號產(chǎn)生電路206，該電路在瞬時過電流后，觸發(fā)系統(tǒng)自動恢復(fù)正常的功能，每個逆變周期產(chǎn)生一個與逆變驅(qū)動脈沖同步的信號，復(fù)位逆變脈沖封鎖信號且開放逆變脈沖通道，當(dāng)出現(xiàn)瞬時過電流時，保證下一個周期能重新輸出驅(qū)動脈沖，如果再次發(fā)出驅(qū)動脈沖后，輸出電路不再過電流，則電路自動恢復(fù)正常。
單周期自動恢復(fù)脈沖封鎖電路207，該電路在輸出過電流時立即輸出封鎖逆變脈沖的信號，停止逆變輸出，保護輸出功率管的安全。電路的構(gòu)成以D觸發(fā)器D2A為核心，過電流輸出信號控制觸發(fā)器的清零端，過電流時在同相輸出端立即輸出低電平，該電平信號可用來控制逆變脈沖的通路，而逆變控制同步信號接觸發(fā)器的觸發(fā)端，當(dāng)過電流信號消失時，下一周期同步脈沖輸入觸發(fā)器時，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，此電路能累積過電流的情況。如持續(xù)過電流，過電流信號(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，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時間設(shè)定點電壓比較，當(dāng)積分電壓大于保護點電壓時(即過電流時間大于設(shè)定時間時)，輸出一路控制信號供主控制電路作出相應(yīng)的處理。
權(quán)利要求
1.大功率逆變設(shè)備輸出過流、短路保護裝置，包括輸出電流實時檢測單元(101)，將設(shè)備輸出電流按比例精確地、無時延地轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號同時輸出給模擬信號數(shù)字化單元(102)和瞬時過電流判斷單元(104)；模擬信號數(shù)字化單元(102)，將輸出電流實時檢測單元(101)輸出的電壓信號進行雙極到單極的信號變換后進行A/D轉(zhuǎn)換，所輸出數(shù)字量提供給軟件判斷、電流分級控制和保護處理單元(103)；軟件判斷、電流分級控制和保護處理單元(103)，設(shè)定多級輸出電流所對應(yīng)的數(shù)值，當(dāng)模擬信號數(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，分別對應(yīng)輸出指定的控制信號；設(shè)定一略低于硬件保護點的值，當(dāng)從模擬信號數(shù)字化單元輸出的電流數(shù)字量大于保護設(shè)定值時，由軟件控制關(guān)閉逆變驅(qū)動脈沖；瞬時過電流沖擊的判斷單元(104)，實現(xiàn)過電流的判斷，即對輸出電流實時檢測單元(101)的輸出信號進行整流，整流后的信號與硬件設(shè)定電流保護點相比較，當(dāng)大于保護點時立即輸出過流信號，輸送給持續(xù)過電流或短路的保護單元(106)；過電流的保護和過電流沖沖擊后的自動恢復(fù)單元(105)，瞬時過電流沖擊的判斷單元(104)輸出的過電流信號觸發(fā)本單元電路，立即關(guān)閉逆變驅(qū)動脈沖，停止相關(guān)電路工作，由主邏輯電路輸出的逆變驅(qū)動同步信號在下一同步周期開始時再解除封鎖，重新監(jiān)測是否仍然過電流，如不再過電流則系統(tǒng)將自動恢復(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單元(106)，瞬時過電流沖擊的判斷單元(104)輸出的過電流信號輸入本單元，當(dāng)持續(xù)過電流時，該單元累積所出現(xiàn)的過電流持續(xù)時間，當(dāng)累積過電流時間超過設(shè)定值時，向主邏輯電路輸出保護信號；短時過電流消失一段時間后可自動恢復(fù)累積時間零點，等待下一次累積。
2.如權(quán)利要求1所述的大功率逆變設(shè)備輸出過流、短路保護裝置，其特征在于所述的過電流的保護和過沖后的自動恢復(fù)單元(105)包括逆變驅(qū)動頻率同步的信號輸入電路(206)，對單路驅(qū)動脈沖同步信號進行處理，產(chǎn)生與逆變周期同步的自動恢復(fù)觸發(fā)信號；單周期自動恢復(fù)脈沖封鎖電路(207)，以瞬時過電流沖擊的判斷單元(104)輸出的過電流信號作為觸發(fā)信號將逆變驅(qū)動脈沖封鎖，逆變同步信號驅(qū)動的觸發(fā)電路發(fā)出信號在下一同步周期解除封鎖后，重新監(jiān)測是否仍然過電流，如不再過電流則系統(tǒng)將自動恢復(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所述的大功率逆變設(shè)備輸出過流、短路保護裝置，其特征在于所述的持續(xù)過電流或短路的保護單元(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，該電路累積所出現(xiàn)的過電流狀況持續(xù)的時間，過電流消失后可恢復(fù)累積時間零點，等待下一次累積；過流時間比較、輸出處理電路(209)，當(dāng)持續(xù)過電流達到設(shè)定時間保護點時，發(fā)出控制信號給主控制電路，如果持續(xù)過電流時間很短，未累積到設(shè)定時間保護點時，系統(tǒng)仍然恢復(fù)正常工作狀態(tài)，通過設(shè)定合適的過流時間保護點，可以在保護輸出功率器件的安全的情況下有效躲過正常的短時電流過沖。
全文摘要
大功率逆變設(shè)備輸出過流、短路保護裝置，涉及交流逆變電源保護領(lǐng)域；包括輸出電流實時檢測單元，模擬信號數(shù)字化單元，軟件判斷、電流分級控制和保護處理單元，瞬時過電流沖擊的判斷單元，過電流的保護和過沖后的自動恢復(fù)單元，持續(xù)過電流或短路的保護單元，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。
文檔編號H02H7/122GK1466255SQ0211237
公開日2004年1月7日 申請日期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 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司