CN1466255A - 大功率逆变设备输出过流、短路保护装置 - Google Patents

Abstract

大功率逆变设备输出过流、短路保护装置，涉及交流逆变电源保护领域；包括输出电流实时检测单元，模拟信号数字化单元，软件判断、电流分级控制和保护处理单元，瞬时过电流冲击的判断单元，过电流的保护和过冲后的自动恢复单元，持续过电流或短路的保护单元，本发明能够完成大功率逆变输出设备过电流和输出短路的全面保护。

Description

大功率逆变设备输出过流、短路保护装置

技术领域

本发明涉及交流逆变电源保护领域，特别涉及一种在大功率(大于1kW)逆变设备输出过电流和输出短路时的保护技术。

背景技术

很多电子产品和电子设备***在工作中经常面临输出过电流或短路等现象，如果没有相应的保护措施，结果将导致***部分或全部损坏，尤其在大功率电子输出设备中，一旦出现输出过电流或短路，轻则损坏功率管，重则导致设备尽毁，甚至造成人员伤亡和其它财产损失，因此对大功率电子输出设备中，采取安全可靠的过电流、短路保护措施具有非常重要的意义。

在微电子电路和小功率电子设备的技术领域，通常采取限流降压保护措施，由于功率很小，保护时产生的热耗小，短时间不会造成损坏。而大功率设备往往输出电压高，电流大，短路时除限流外应没有输出电压或很小，采用小功率设备这种限流降压保护方式不可行，目前，对大功率设备输出保护这方面已有一些研究，但存在很多缺点和不足，比如：

1)限用于某种特殊场合的保护技术：

如中国专利95113019“一种高频逆变电焊机电源开关管的保护方法和电路”针对逆变电焊机这类设备所具有的间断性电流重复冲击的特点，提出了对输出电路部分的关键器件——开关管进行保护，这仅就某个方面的应用***提出的解决方案，不具有通用性，对大功率逆变输出设备过电流和短路时的保护可靠性不够。

2)***内部器件短路的防止技术：

如中国专利96117751“避免逆变器上下功率管瞬间短路的电路”提出了对***内部的关键器件——开关管进行瞬间短路的保护方法，这是针对***原理需求与功率器件的工作特点而提出的解决方案，对***或设备的过电流或短路没有足够的保护作用，对逆变输出设备的保护不完整；

3)过电流保护时没有输出正常后立即自动恢复的功能(需电脑控制恢复)

美国专利号6137699“Power supply protection and control circuit”在此项技术中，当被保护设备出现过电流后又恢复正常时，***本身不能自动恢复正常，必须由监控该***的电脑发命令重新启动工作。在上述这些现有技术中，都存在以下共同缺陷和不足：

1)没有单逆变周期瞬时电流监测和保护功能；

2)没有过电流消失后立即自动恢复的功能；

3)没有对多逆变周期连续过电流作出保护和短路的判断；

4)没有可分级的电流控制功能和可分级设置的过电流保护措施，不能对***进行多级设定过电流保护点。

5)没有把硬件保护控制和软件保护有效结合起来，实现双重保护，保护的可靠性有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是克服背景技术中存在的缺点，提出的大功率逆变输出设备过电流、短路保护电路和实现方法，在大功率交流逆变电源和不间断电源等输出设备中对过电流、短路的保护都可推广使用。本发明克服了上述几种技术的缺陷和不足，具体提供的功能如下：

1)多级电流控制设定功能(根据需要设定)

通过实时检测瞬时输出电流，经过软件滤波运算，确定输出电流的变化情况，软件中可设定多级电流控制功能，在***安全的输出电流范围内，对不同输出电流的情况下作出不同的控制处理和判断。当检测到的输出电流满足软件预先设定好的电流条件，发出相应的控制指令；

2)软件控制和硬件保护相结合

通过软件对过电流情况的分析，在***存在不安全的输出电流情况下，控制逆变脉冲的产生电路，直至关闭逆变脉冲，对***过电流和短路实施保护。同时硬件对危害***的瞬时过电流实施快速保护，两者相结合，增强控制的灵活性，提高电路保护的可靠性和***的安全性。

3)单逆变周期电流检测、瞬时过流快速保护、过流消失后自动恢复

每当输出电路超过电流设定值(该设定值可根据保护需要设定)时，立即发出信号关闭本周期的逆变驱动脉冲，下一周期时如不再过电流则继续工作，又打开驱动脉冲，如仍然过电流又重复关闭脉冲，以此达到快速保护电路的目的，具有反应迅速、重复判断、自恢复的特点；

4)多逆变周期持续过电流判断和保护

当电路持续过电流超过一定时间(该时间可根据保护需要设定)，判断为***出现故障，发出信号作相应的处理或者关闭***，从而对***电路起到可靠保护的作用。本发明所述装置包括以下几个单元：

输出电流实时检测单元，该单元将设备输出电流按比例精确地、无时延(或者时延很小，可忽略)地转换为电压信号，该电压信号同时输出给模拟信号数字化单元和瞬时过电流判断单元；

模拟信号数字化单元，将输出电流实时检测单元输出的电压信号进行双极到单极的信号变换后进行A/D转换，所输出数字量提供给软件判断、电流分级控制和保护处理单元；

软件判断、电流分级控制和保护处理单元，设定多级输出电流所对应的数值，当模拟信号数字化单元所输出的电流数字量大于所设定的数值时，分别对应输出指定的控制信号；设定一略低于硬件保护点的值，当从模拟信号数字化单元输出的电流数字量大于保护设定值时，由软件控制关闭逆变驱动脉冲；

瞬时过电流冲击的判断单元，实现过电流的判断，即对输出电流实时检测单元所输出信号进行整流，整流后的信号与硬件设定电流保护点相比较，当大于保护点时立即输出过流信号，输送给持续过电流或短路的保护单元；

过电流的保护和过冲后的自动恢复单元，瞬时过电流冲击的判断单元输出的过电流信号触发本单元电路，立即关闭逆变驱动脉冲，停止相关电路工作，实现快速保护功能；由主控制电路输出的逆变驱动同步信号在下一同步周期开始时再解除封锁，重新监测是否仍然过电流，如不再过电流则***将自动恢复正常状态，否则继续封锁逆变脉冲；

持续过电流或短路的保护单元，瞬时过电流冲击的判断单元输出的过电流信号输入本单元，当持续过电流时，该单元累积所出现的过电流持续时间，当累积过电流时间超过设定值时，向主控制电路输出保护信号；短时过电流消失一段时间后可自动恢复累积时间零点，等待下一次累积；

通过以上这几个单元的组合，完成大功率逆变输出设备过电流和输出短路的全面保护。

一般情况下，大功率逆变设备都必须提供过电流和短路保护措施。采用本发明所述的装置，可以减少***因意外的过电流或输出短路导致损坏，从而节省设备维护和维修费用。而在现有的“部分保护”措施的***中，因准确性差或者未综合判断可能导致错误保护，不适合可靠性要求高的场合，从而限制了这些技术的广泛应用。本发明解决了现有技术中存在的缺陷和不足，并可在其它相关领域里借鉴采用。

附图说明

图1是本发明装置的框图。

图2是本发明应用实例组成框图。

图3是实现图2的具体电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明：

参见图1、图2，本发明所述的装置实现如下：

图1中的输出电流实时检测单元101所实现的功能由图2中的输出电流检测和信号变换电路201，信号放大、滤波处理电路202完成，其中：

输出电流检测和信号变换电路201，将输出电流按比例精确地、无时延(或者时延很小，可忽略)地转换为方便处理的电压信号。为了满足不同输出电流情形下的使用，该变换电路比例根据实际需要保护的范围选取，宜选用变换后输出的信号能充分利用后级电路监控范围的比例，以利于提高保护***的精确度；

信号放大、滤波处理电路202，作为信号变换电路的后级电路，将变换后的信号经过放大、滤波等处理，处理后的信号同时输出给整流电路、瞬时过电流判断电路205和A/D转换、逻辑处理、逆变驱动脉冲产生等构成的主控制电路204；

图1中的模拟信号数字化单元102所实现的功能由图2中的双极到单极信号变换、限幅电路203，A/D转换、逻辑处理、逆变驱动脉冲产生电路构成的主控制电路204中的A/D转换电路完成，其中：

双极到单极信号变换、限幅电路203，将经过放大处理的信号为交流双极性信号转换为单极性信号并限幅后，供输出电流信号采样和数字化；

A/D转换、逻辑处理、逆变驱动脉冲产生电路构成的主控制电路204，作为软件运行和控制的硬件平台，对与输出电流成比例的电压信号进行A/D转换，同时完成逆变设备的软件逻辑判断、驱动脉冲产生和控制处理；

图1中的软件判断、电流分级控制和保护处理单元所实现的功能由图2主控制电路204进行软件处理，控制驱动脉冲产生和保护信号输出，其中

通过软件对各个要控制的输出电流设定对应的点，当采样到的电流数字量大于这些设定点时分别输出指定的控制信号，当硬件未进入保护状态时，设定一略低于硬件保护点的保护值，一旦采样到的电流数字量(经过滤波后)大于该设定保护值，可由软件控制关闭逆变驱动脉冲，达到提前预防的保护目的。

图1中的瞬时过电流冲击的判断单元104所实现的功能由图2中由整流电路、瞬时过电流判断电路205完成。

整流电路、瞬时过电流判断电路205，对信号放大、滤波处理电路202所输出信号进行整流，简化瞬时过电流检测电路，经过比例化处理的瞬时电流信号转换成的电压信号与设定电流保护点电压相比较，当大于保护点时立即输出过流信号。

图1中的过电流的保护和过冲后的自动恢复单元105所实现的功能由图2中的逆变驱动频率同步的信号输入电路206、单周期自动恢复脉冲封锁电路207完成，其中：

逆变驱动脉冲同步的信号产生电路206，对单路驱动脉冲同步信号进行处理，产生与逆变周期同步的自动恢复触发信号；

单周期自动恢复脉冲封锁电路207，以整流电路、瞬时过电流判断电路205输出的过电流信号作为触发信号将逆变驱动脉冲封锁，逆变同步信号驱动的触发电路发出信号在下一同步周期解除封锁后，重新监测是否仍然过电流，如不再过电流则***将自动恢复正常状态，否则继续封锁逆变脉冲；

图1中的持续过电流或短路的保护单元106所实现的功能由图2中的持续过电流累积积分电路208，过流时间比较、输出处理电路209完成，其中：

持续过电流累积积分电路208，当瞬时过电流判断电路205输出过电流信号时，累积所出现的过电流状况持续的时间，转换为电压信号输出给过流时间比较、输出处理电路209，当过电流消失后可恢复累积时间零点，等待下一次累积；

过流时间比较、输出处理电路209：当持续过电流达到设定时间保护点时，发出控制信号给主控制电路204，如果持续过电流时间很短，未累积到设定时间保护点时，***仍然恢复正常工作状态，通过设定合适的过流时间保护点电压，可以在保护输出功率器件的安全的情况下有效躲过允许的短时过电流冲击。

图2中各个电路的具体实现参见图3：

输出电流检测和信号变换电路201，该电路将所监控的大电流转换为电压小信号，采用电流互感器T将大电流信号按比例变换为小电流信号，而后由电阻R3将此小电流转换为电压信号。对交流大电流的监控很有效，反应速度快，测量范围可大可小，实现了主电路与控制电路的电气隔离，安全可靠，成本低，无需电源，容易实现。

电压信号放大、滤波电路202，该电路以集成运算放大器D1B为核心构成，采用反相放大电路的形式，反相放大电路输入阻抗与所选***元件有关，计算时应考虑这一因素，电路的实际放大倍数与信号源的阻抗匹配有关。

双极到单极信号变换、限幅电路203，这部分电路是为了将模拟量转换为数字量前的信号前级处理电路。该电路用一个运放D3A组成的反相放大电路完成输入采样信号幅度范围的调整，以便充分利用A/D转换的分辨率，同时逆变输出电流信号为交流，前级变换后的信号为双极性，在此电路中将它变换为单极性信号，为了A/D转换电路的安全，通过两个二极管VD4、VD5将输入信号限制在参考电压的范围内。

整流电路、瞬时过电流判断电路205中的整流电路，为了后续控制电路的简化，将交流电压信号变换为直流处理。本实施例中用正信号直接通过二极管VD1，负信号经过1∶1反相放大后通过二极管VD6，两路信号合成后为整流后的信号。在绝大多数的过电流保护控制中，输出很小的电流时无需保护控制，所以可采用一般的二极管整流电路，简单易行，成本低廉，为减小保护控制的盲区，要尽量使整流之前的电压信号放大到比二极管导通电压大几倍的范围。对于控制要求高的场合，如不允许有控制盲区时，可采用另外的无死区整流电路实现。

整流电路、瞬时过电流判断电路205中的瞬时过电流判断电路，为了完成在设定电流点作出快速保护，总是当输出电流大于设定保护点时立即输出控制信号，这个功能由比较电路实现，采用集成比较电路D4A，以简化电路的设计和提高可靠性。输出电流保护点的设定由比较电路的一个输入端基准电压决定，可采用分压电路取得所需要的参考电压，设定保护点可通过改变分压比得到。

逆变驱动频率同步的信号产生电路206，该电路在瞬时过电流后，触发***自动恢复正常的功能，每个逆变周期产生一个与逆变驱动脉冲同步的信号，复位逆变脉冲封锁信号且开放逆变脉冲通道，当出现瞬时过电流时，保证下一个周期能重新输出驱动脉冲，如果再次发出驱动脉冲后，输出电路不再过电流，则电路自动恢复正常。

单周期自动恢复脉冲封锁电路207，该电路在输出过电流时立即输出封锁逆变脉冲的信号，停止逆变输出，保护输出功率管的安全。电路的构成以D触发器D2A为核心，过电流输出信号控制触发器的清零端，过电流时在同相输出端立即输出低电平，该电平信号可用来控制逆变脉冲的通路，而逆变控制同步信号接触发器的触发端，当过电流信号消失时，下一周期同步脉冲输入触发器时，同相输出端输出高电平，打开逆变脉冲的通路，重新恢复正常运行。

持续过电流累积积分电路208，该电路用于判断持续过电流，当逆变输出出现过电流时，此电路能累积过电流的情况。如持续过电流，过电流信号(来自触发电路反相输出端)给本电路中的电容充电，积分电压不断升高，如不过电流时，则电容通过较大的电阻放电，积分电压慢慢减小，直至回到初始状态，所累积的积分电压与保护时间设定点电压比较，当积分电压大于保护点电压时(即过电流时间大于设定时间时)，输出一路控制信号供主控制电路作出相应的处理。

Claims (3)

1、大功率逆变设备输出过流、短路保护装置，包括：

输出电流实时检测单元(101)，将设备输出电流按比例精确地、无时延地转换为电压信号，该电压信号同时输出给模拟信号数字化单元(102)和瞬时过电流判断单元(104)；

模拟信号数字化单元(102)，将输出电流实时检测单元(101)输出的电压信号进行双极到单极的信号变换后进行A/D转换，所输出数字量提供给软件判断、电流分级控制和保护处理单元(103)；

软件判断、电流分级控制和保护处理单元(103)，设定多级输出电流所对应的数值，当模拟信号数字化单元所输出的电流数字量大于所设定的数值时，分别对应输出指定的控制信号；设定一略低于硬件保护点的值，当从模拟信号数字化单元输出的电流数字量大于保护设定值时，由软件控制关闭逆变驱动脉冲；

瞬时过电流冲击的判断单元(104)，实现过电流的判断，即对输出电流实时检测单元(101)的输出信号进行整流，整流后的信号与硬件设定电流保护点相比较，当大于保护点时立即输出过流信号，输送给持续过电流或短路的保护单元(106)；

过电流的保护和过电流冲冲击后的自动恢复单元(105)，瞬时过电流冲击的判断单元(104)输出的过电流信号触发本单元电路，立即关闭逆变驱动脉冲，停止相关电路工作，由主逻辑电路输出的逆变驱动同步信号在下一同步周期开始时再解除封锁，重新监测是否仍然过电流，如不再过电流则***将自动恢复正常状态，否则继续封锁逆变脉冲；

持续过电流或短路的保护单元(106)，瞬时过电流冲击的判断单元(104)输出的过电流信号输入本单元，当持续过电流时，该单元累积所出现的过电流持续时间，当累积过电流时间超过设定值时，向主逻辑电路输出保护信号；短时过电流消失一段时间后可自动恢复累积时间零点，等待下一次累积。

2、如权利要求1所述的大功率逆变设备输出过流、短路保护装置，其特征在于所述的过电流的保护和过冲后的自动恢复单元(105)包括：

逆变驱动频率同步的信号输入电路(206)，对单路驱动脉冲同步信号进行处理，产生与逆变周期同步的自动恢复触发信号；

单周期自动恢复脉冲封锁电路(207)，以瞬时过电流冲击的判断单元(104)输出的过电流信号作为触发信号将逆变驱动脉冲封锁，逆变同步信号驱动的触发电路发出信号在下一同步周期解除封锁后，重新监测是否仍然过电流，如不再过电流则***将自动恢复正常状态，否则继续封锁逆变脉冲。

3、如权利要求1所述的大功率逆变设备输出过流、短路保护装置，其特征在于：所述的持续过电流或短路的保护单元(106)包括：

持续过电流累积积分电路(208)，当持续出现过电流时，该电路累积所出现的过电流状况持续的时间，过电流消失后可恢复累积时间零点，等待下一次累积；

过流时间比较、输出处理电路(209)，当持续过电流达到设定时间保护点时，发出控制信号给主控制电路，如果持续过电流时间很短，未累积到设定时间保护点时，***仍然恢复正常工作状态，通过设定合适的过流时间保护点，可以在保护输出功率器件的安全的情况下有效躲过正常的短时电流过冲。

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