CN103944369B - 一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流的方法，涉及开关电源电流保护技术领域，其目的在于解决逐波限流过程中的短脉冲信号问题。包括步骤:当过流故障发生则开始计时，并判断此时PWM输入信号已经作用的时间t_H，如果时间t_H大于预定时间T_set1，则封锁驱动信号；如果时间t_H小于预定时间T_set1，则延迟封锁驱动信号，延迟为T_delay1=T_set1-t_H；当过流故障信号复位时，并判断过流信号置低到PWM输入信号置低的时间t_L，如果大于预定时间T_set2，则放开驱动信号；如果小于预定时间T_set2，则延迟放开驱动信号，延迟为T_delay2=T_set2-t_L。

Description

一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流方法及装置

技术领域

发明涉及开关电源电流保护技术领域，尤其涉及一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流方法及装置。

背景技术

逐波限流是一种用于电力电子产品过流保护的技术，与传统的过流保护技术相比，它可以提高电路的效率。目前关于逐波限流技术的研究侧重在多电平拓扑中的保护时序逻辑控制以及限流恢复时如何提高电路效率方面。

逐波限流是开关电源设备中常用的一种过电流保护措施。其最初的设计依据是基于PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）控制信号的数字特性——具有高低电平两种状态。当发生过流时，依靠硬件快速封锁开关管的驱动；当故障消失后，依据PWM的上升沿进行故障复位，开关管可以迅速恢复到正常工作状态。这样就可以严格控制过流保护时间，提高了电路的效率。

常用的逐波限流装置是通过触发器、与非门等逻辑器件来实现的，控制逻辑较为简单。随着新器件和新拓扑的出现，对于逐波限流技术的改进侧重在两方面：

一是针对多电平电路拓扑结构，如何控制各个开关管的导通和关断时序，使得逐波限流作用时不会导致开关管应力不均、避免桥臂直通等。

二是如何提高电路效率，尤其是在过流信号消失后，尽快恢复驱动信号。

通常的逐波限流技术在动作和恢复的时刻，有可能会产生短脉冲，如果不加以处理，将对后级的功率半导体器件产生十分严重的危害，影响器件寿命，甚至直接损坏器件。

发明内容

有效解决逐波限流过程中可能发生的短脉冲信号,保护开关管，提高产品可靠性。

本发明为了实现上述目的采用以下技术方案：

一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流的方法，其特征在于包括以下步骤:

当过流故障发生则开始计时，过流信号置高，开始作用逐波限流，

如果此时PWM输入信号为低，则不需要做额外处理，直接封锁驱动信号，

如果PWM输入信号为高，需判断过流信号置高时到PWM输入信号上升沿时所作用的时间t_H，

如果时间t_H大于预定时间T_set1，则封锁驱动信号；

如果时间t_H小于预定时间T_set1，则延迟封锁驱动信号，延迟为T_delay1=T_set1-t_H；

当过流故障信号复位时，过流信号置低，逐波限流结束,如果此时PWM输入信号为低，则不需要做额外处理，直接释放驱动信号，如果此时PWM输入信号为高，并判断过流信号置低时到PWM输入信号置低时所作用的时间t_L，

如果大于预定时间T_set2，则放开驱动信号；

如果小于预定时间T_set2，则延迟放开驱动信号，延迟为T_delay2=T_set2-t_L。

上述技术方案中，t_H=t_{r_error}-t_{r_PWM}、t_L=t_{f_PWM}-t_{f_error}、T_delay1=T_set1-t_H、T_delay2=T_set2-t_L，

PWM输入信号的上升沿时刻t_{r_PWM}，PWM输入信号的下降沿时刻t_{f_PWM}，过流信号的上升沿时刻t_{r_error}，过流信号的下降沿时刻t_{f_error}。

上述技术方案中，PWM输入信号是将PWM参考信号固定延迟h微秒后，即相当于在时间轴上平移了h微秒后得到，PWM参考信号的上升沿时刻t_{r_ref}、下降沿时刻t_{f_ref}，PWM输入信号的上升沿时刻tr_PWM，则有：

复位信号发生在t_{f_ref}之后

因t_{f_ref}已经发生，h微秒后PWM输入信号将关闭，由以下公式求得t_L

t_{f_PWM}=h+t_{f_ref}

t_L=t_{f_PWM}-t_{f_error}=h-（t_{f_error}-t_{f_ref}）；

复位信号发生在t_{f_ref}之前，t_{r_PWM}之后

此时PWM输入信号将继续维持高电平至少h微秒，释放封锁信号，不会造成短脉冲。

上述技术方案中，所述的预定时间T_set1为820纳秒，预定时间T_set2为600纳秒。

上述技术方案中，所述h微秒为1微秒。

因为本发明采用了以上技术方案所以具备以下有益效果：

一、本发明公开的方法和装置已经应用在新设计的100kVar动态无功功率补偿设备中，效果良好。

二、本发明核心思路是对PWM参考信号加入了固定延时，并以新产生的PWM输入信号进行相应的逻辑判断和处理，克服了，t_{f_PWM}发生在t_{f_error}之后，即过流故障信号复位时，需要预先判断PWM输入信号的下降沿时刻，这对基于时序逻辑的数字电路而言很困难的问题。

三、本发明有效解决逐波限流过程中可能发生的短脉冲信号,保护开关管，提高产品可靠性。

附图说明

图1是本发明的装置原理图

图2是本发明的逻辑判断流程图

图3是PWM输入信号低电平时故障置位及复位时序图

图4是PWM输入信号高电平时故障置位（无短脉冲）时序图

图5是PWM输入信号高电平时故障置位（短脉冲抑制）时序图

图6是PWM输入信号高电平时故障复位（无短脉冲）时序图

图7是PWM输入信号高电平时故障复位（短脉冲抑制）时序图

图8是加入固定延时故障复位情况一（短脉冲抑制）时序图

图9是加入固定延时故障复位情况二时序图

图10是加入固定延时故障复位情况三时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

当发生过流故障时，过流信号被置高，此时逐波限流开始作用，应当封锁驱动信号。如果此时PWM输入信号为低，则不需要做额外处理，直接封锁，如图3所示。如果此时PWM输入信号为高，则要判断高电平已经持续作用的时间t_H，如果大于预定时间1（T_set1），则立即封锁脉冲，如图4所示；如果t_H＜T_set1，则经过延迟时间1（T_delay1=T_set1-t_H）再封锁脉冲，避免短脉冲的产生，如图5所示。

当过流故障复位时，过流信号被置低，此时逐波限流结束，应当释放驱动信号。如果此时PWM输入信号为低，则不需要做额外处理，直接释放，如图3所示。如果此时PWM输入信号为高，则要判断距离PWM信号下降沿的时间t_L，如果大于预定时间2（T_set2），则立即释放脉冲，如图6所示；如果tL＜T_set2，则经过延迟时间2（T_delay2=T_set2-t_L）再释放脉冲，避免短脉冲的产生，如图7所示。

在整个过程当中，CPLD需要知道每次PWM输入信号的上升沿时刻t_{r_PWM}和下降沿时刻t_{f_PWM}、过流信号的上升沿（故障）时刻t_{r_error}下降沿时刻t_{f_error}，这样就可以根据下列公式1~4计算出t_H和t_L：

公式1：t_H=t_{r_error}-t_{r_PWM}

公式2：t_L=t_{f_PWM}-t_{f_error}

公式3：T_delay1=T_set1-t_H

公式4：T_delay2=T_set2-t_L

其中T_set1=850纳秒，T_set2=600纳秒，

对于公式1，t_{r_PWM}发生在t_{r_error}之前，容易计算得到。公式2中，因为在当过流故障信号复位时需要对t_{f_PWM}和t_{f_error}进行判断，而t_{f_PWM}却发生在t_{f_error}之后，因此要在t_{f_error}之前，或与t_{f_error}之同时判断PWM输入信号的下降沿时刻，这对基于时序逻辑的数字电路而言很困难，需要做变通处理。本发明公开了一种实现此目的的方法，详述如下：

对于每一个从控制器输出的PWM信号（命名为PWM参考信号），均由PWM信号处理单元固定延时1微秒（相当于在时间轴上平移了1微秒），得到一个新的信号（命名为PWM输入信号），输入至CPLD。CPLD分别记录PWM参考信号的上升沿时刻tr_ref和下降沿时刻tf_ref，以及PWM输入信号的上升沿时刻tr_PWM，并根据这三个参数做短脉冲抑制。其中，逐波限流保护的处理方式不变，如图4和图5所示。对于过流信号复位时的处理分为两种情况（仅需处理tf_ref在tr_PWM之后发生情况，因为实际应用中，限于器件水平，PWM参考信号不小于1微秒，一般为几十至几百微秒）；

1、复位信号发生在t_{f_ref}之后

此时由于t_{f_ref}已经发生，可以知道1微秒后PWM输入信号将关闭，计算从t_{f_ref}到过流信号的下降沿时刻t_{f_error}的时间，就可以得到PWM输入信号还将持续高电平的作用时间t_L，t_L按如下公式求得

t_{f_PWM}=h+t_{f_ref}

t_L=t_{f_PWM}-t_{f_error}=h-（t_{f_error}-t_{f_ref}）；

然后按照公式4做判断处理，如图8和图9所示。

2、复位信号发生在t_{f_ref}之前，t_{r_PWM}之后。

此时PWM输入信号将继续维持高电平至少1微秒，可释放封锁信号，不会造成短脉冲，如图10所示。

实施例1

一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流的方法，其特征在于包括以下步骤:

当过流故障发生则开始计时，过流信号置高，开始作用逐波限流，

如果此时PWM输入信号为低，则不需要做额外处理，直接封锁驱动信号，

如果PWM输入信号为高，需判断过流信号置高时到PWM输入信号上升沿时所作用的时间t_H，

如果时间t_H大于预定时间820纳秒，则封锁驱动信号；

如果时间t_H小于预定时间820纳秒，则延迟封锁驱动信号，延迟为T_delay1=T_set1-t_H；

当过流故障信号复位时，过流信号置低，逐波限流结束,如果此时PWM输入信号为低，则不需要做额外处理，直接释放驱动信号，如果此时PWM输入信号为高，并判断过流信号置低时到PWM输入信号置低时所作用的时间t_L，

如果大于预定时间600纳秒，则放开驱动信号；

如果小于预定时间600纳秒，则延迟放开驱动信号，延迟为T_delay2=T_set2-t_L。

上述技术方案中，t_H=t_{r_error}-t_{r_PWM}、t_L=t_{f_PWM}-t_{f_error}、T_delay1=T_set1-t_H、T_delay2=T_set2-t_L，

PWM输入信号的上升沿时刻t_{r_PWM}，PWM输入信号的下降沿时刻t_{f_PWM}，过流信号的上升沿时刻t_{r_error}，过流信号的下降沿时刻t_{f_error}。

上述技术方案中，PWM输入信号是将PWM参考信号固定延迟1微秒后，即相当于在时间轴上平移了1微秒后得到，PWM参考信号的上升沿时刻t_{r_ref}、下降沿时刻t_{f_ref}，PWM输入信号的上升沿时刻tr_PWM，则有：

复位信号发生在t_{f_ref}之后

因t_{f_ref}已经发生，h微秒后PWM输入信号将关闭，由以下公式求得t_L

t_{f_PWM}=h+t_{f_ref}

t_L=t_{f_PWM}-t_{f_error}=h-（t_{f_error}-t_{f_ref}）；

复位信号发生在t_{f_ref}之前，t_{r_PWM}之后

此时PWM输入信号将继续维持高电平至少1微秒，释放封锁信号，不会造成短脉冲。

Claims (5)

1.一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流的方法，其特征在于包括以下步骤:

当过流故障发生则开始计时，过流信号置高，开始作用逐波限流，

如果此时PWM输入信号为低，则不需要做额外处理，直接封锁驱动信号，

如果PWM输入信号为高，需判断过流信号置高时到PWM输入信号上升沿时所作用的时间t_H，

如果时间t_H大于预定时间T_set1，则封锁驱动信号；

如果时间t_H小于预定时间T_set1，则延迟封锁驱动信号，延迟为T_delay1=T_set1-t_H；

当过流故障信号复位时，过流信号置低，逐波限流结束,如果此时PWM输入信号为低，则不需要做额外处理，直接释放驱动信号，如果此时PWM输入信号为高，并判断过流信号置低时到PWM输入信号置低时所作用的时间t_L，

如果大于预定时间T_set2，则放开驱动信号；

如果小于预定时间T_set2，则延迟放开驱动信号，延迟为T_delay2=T_set2-t_L。

2.根据权利要求1所述的一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流的方法，其特征在于，t_H=t_{r_error}-t_{r_PWM}、t_L=t_{f_PWM}-t_{f_error}、T_delay1=T_set1-t_H、T_delay2=T_set2-t_L，

PWM输入信号的上升沿时刻t_{r_PWM}，PWM输入信号的下降沿时刻t_{f_PWM}，过流信号的上升沿时刻t_{r_error}，过流信号的下降沿时刻t_{f_error}。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流的方法，其特征在于，PWM输入信号是将PWM参考信号固定延迟h微秒后，即相当于在时间轴上平移了h微秒后得到，PWM参考信号的上升沿时刻t_{r_ref}、下降沿时刻t_{f_ref}，PWM输入信号的上升沿时刻t_{r_PWM}，则有：

复位信号发生在t_{f_ref}之后；

因t_{f_ref}已经发生，h微秒后PWM输入信号将关闭，由以下公式求得t_L

t_{f_PWM}=h+t_{f_ref}

t_L=t_{f_PWM}-t_{f_error}=h-（t_{f_error}-t_{f_ref}）；

复位信号发生在t_{f_ref}之前，t_{r_PWM}之后；

此时PWM输入信号将继续维持高电平至少h微秒，释放封锁信号，不会造成短脉冲。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流的方法，其特征在于，所述的预定时间T_set1为820纳秒，预定时间T_set2为600纳秒。

5.根据权利要求3所述的一种具有短脉冲抑制功能的逐波限流的方法，其特征在于，所述h微秒为1微秒。