一种全桥逆变器的桥臂过流保护采样电路

1.本实用新型涉及电路技术领域，特别是一种全桥逆变器的桥臂过流保护采样电路。


背景技术：

2.目前在变频器、光伏逆变器、汽车充电桩、灯镇流器等系统中，全桥逆变器应用很广泛。在上述设备运行中，由于负载短路、驱动信号异常或者环境因素等情况可能造成逆变器电源输出短路，可能导致逆变器主电路中桥臂中的两个全控型功率开关器(mosfet、igbt)单元过载，也可能会控制器发出的驱动信号紊乱，造成桥臂中的两个全控型功率开关器件同时导通，从而导致母线短路，产生很大的短路电流，造成全控型功率开关器的故障，甚至炸毁等严重设备故障。同样当桥臂中单个全控型功率开关器短路失效时，而同时另外一个全控型功率开关器导通时，同样会引起桥臂短路故障。因此全桥逆变器的桥臂过流保护是逆变器设计的重中之重。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种全桥逆变器的桥臂过流保护采样电路，其采用ct电流采样方法，精度高，响应速度快，可有效避免桥臂发生短路，降低全控型功率开关器的损坏故障。
4.为了解决以上技术问题，本实用新型是通过如下方式来实现的：本实用新型所述一种全桥逆变器的桥臂过流保护采样电路包括直流母线电压支撑电容c5、大功率场效应管、非门、输出变压器t1、高频电流互感器、运算放大器u2、快速恢复二极管、电阻、电容、负载等效电容cload和负载等效电阻rload；大功率场效应管包括大功率场效应管q2、大功率场效应管q3、大功率场效应管q4、大功率场效应管q5，高频电流互感器包括高频电流互感器ct1和高频电流互感器ct2；cpu发送的脉冲宽度调制信号pwm1、pwm3、pwm2及pwm4分别与大功率场效应管q2、大功率场效应管q3、大功率场效应管q4、大功率场效应管q5的栅极连接；直流母线电压支撑电容c5的正极端连接大功率场效应管q2和大功率场效应管q3的源极，大功率场效应管q2的漏极与大功率场效应管q4的源极连接，大功率场效应管q3的漏极与大功率场效应管q5的源极连接，大功率场效应管q4和大功率场效应管q5的漏极分别与高频电流互感器ct1和高频电流互感器ct2的原边同相端连接，高频电流互感器ct1和高频电流互感器ct2的原边反相端连接系统地gnd；所述输出变压器t1的原边同相端与大功率场效应管q3的漏极连接，输出变压器t1的原边反相端与大功率场效应管q4的源极连接；通过控制脉冲宽度调制信号pwm1、pwm3、pwm2及pwm4的高低电平状态，可完成高频电流互感器ct1对全桥逆变器的左桥臂进行电流采样或者高频电流互感器ct2对全桥逆变器的右桥臂进行电流采样，并通过运算放大器u2的输出端输出信号。
5.所述pwm1和pwm4为低电平，pwm2、pwm3为高电平时，大功率场效应管q3及大功率场效应管q4导通，大功率场效应管q2及大功率场效应管q5截止，直流母线电流进入大功率场
效应管q3的源极，并从大功率场效应管q3的漏极流出，并流入输出变压器t1的原边同相端，经输出变压器t1的原边反相端流出，进入大功率场效应管q4的源极，经大功率场效应管q4的漏极进入高频电流互感器ct1的原边同相端，最后由高频电流互感器ct1的原边反相端进入系统地gnd，形成功率信号的闭环回路。
6.所述pwm1和pwm4为高电平，pwm2、pwm3为低电平时，大功率场效应管q2及大功率场效应管q5导通，大功率场效应管q3及大功率场效应管q4截止，直流母线电流进入大功率场效应管q2的源极，并从大功率场效应管q2的漏极流出，并流入输出变压器t1的原边反相端，经输出变压器t1的原边同相端流出，进入大功率场效应管q5的源极，经大功率场效应管q5的漏极进入高频电流互感器ct2的原边同相端，最后由高频电流互感器ct2的原边反相端进入系统地gnd，形成功率信号的闭环回路。
7.所述全桥逆变器的左桥臂包括非门u3、三极管q6、快速恢复二极管d2；pwm1经过电阻r14后进入非门u3的信号输入端，电阻r15一端连接系统地gnd，另一端连接非门u3的信号输入端，非门u3的信号输出端连接三极管q6的基极，三极管q6的集电极与快速恢复二极管d2的正极连接，同时与高频电流互感器ct1副边连接，快速恢复二极管d2与vcc端连接，高频电流互感器ct1副边通过电阻r12与电阻r10、电容c2、电阻r11、电阻r8的一端连接，电阻r10、电容c2、电阻r11的另一端连接系统地gnd，电阻r8另一端连接电容c4及电阻r9，电容c4的另一端连接系统地gnd，电阻r9另一端连接运算放大器u2的同向端；所述算放大器u2的同向端还连接有电容c6，电容c6另一端连接系统地gnd；参考电平vref经过电阻r2及电阻r1后与电容c6上电平耦合后引入运算放大器u2的同相端；电阻r13、电阻r4与运算放大器u2的反相端相连，构成比例负反馈，对运算放大器u2同相端的输入信号进行负反馈放大处理，通过调整r13、r4阻值，改变信号放大倍数，将输入信号调理至合适幅值范围经运算放大器u2的输出端在端口vout上形成最终采样结果。
8.所述全桥逆变器的右桥臂包括非门u1、三极管q1、快速恢复二极管d1；pwm2经过电阻r3后进入非门u1的信号输入端，电阻r5一端连接系统地gnd，另一端连接非门u1的信号输入端，非门u1的信号输出端连接三极管q1的基极，三极管q1的集电极与快速恢复二极管d1的正极连接，同时与高频电流互感器ct2副边连接，快速恢复二极管d1与vcc端连接，高频电流互感器ct2副边通过电阻r6与电阻r10、电容c2、电阻r11、电阻r8的一端连接，电阻r10、电容c2、电阻r11的另一端连接系统地gnd，电阻r8另一端连接电容c4及电阻r9，电容c4的另一端连接系统地gnd，电阻r9另一端连接运算放大器u2的同向端；所述算放大器u2的同向端还连接有电容c6，电容c6另一端连接系统地gnd；参考电平vref经过电阻r2及电阻r1后与电容c6上电平耦合后引入运算放大器u2的同相端；电阻r13、电阻r4与运算放大器u2的反相端相连，构成比例负反馈，对运算放大器u2同相端的输入信号进行负反馈放大处理，通过调整r13、r4阻值，改变信号放大倍数，将输入信号调理至合适幅值范围经运算放大器u2的输出端在端口vout上形成最终采样结果。
9.所述直流母线电压由三相整流或者单相整流获得直流电压并引入直流母线电压支撑电容c5进行滤波后产生，直流母线电压为400vdc到800vdc；所述直流母线电流是由直流母线电压所产生的电流。
10.本实用新型的积极效果：本实用新型所述一种全桥逆变器的桥臂过流保护采样电路提出一种有源控制ct电流采样方法，适用逆变器的工作频率领域更宽，可以涵盖1hz至
200khz的逆变器桥臂电流采样，精度高，响应速度快，能够快速检测桥臂电流状态，变换为电压信号，通过比较器等硬件保护电路或cpu实现软件保护，封锁驱动信号，保护桥臂避免发生短路，降低全控型功率开关器的损坏故障。
附图说明
11.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
12.图1是本实用新型的具体结构示意图。
具体实施方式
13.如图1所示，作为具体的实施例，本实用新型所述一种全桥逆变器的桥臂过流保护采样电路包括直流母线电压支撑电容c5、大功率场效应管、非门、输出变压器t1、高频电流互感器、运算放大器u2、快速恢复二极管、电阻、电容、负载等效电容cload和负载等效电阻rload；大功率场效应管包括大功率场效应管q2、大功率场效应管q3、大功率场效应管q4、大功率场效应管q5，高频电流互感器包括高频电流互感器ct1和高频电流互感器ct2；cpu发送的脉冲宽度调制信号pwm1、pwm3、pwm2及pwm4分别与大功率场效应管q2、大功率场效应管q3、大功率场效应管q4、大功率场效应管q5的栅极连接；直流母线电压支撑电容c5的正极端连接大功率场效应管q2和大功率场效应管q3的源极，大功率场效应管q2的漏极与大功率场效应管q4的源极连接，大功率场效应管q3的漏极与大功率场效应管q5的源极连接，大功率场效应管q4和大功率场效应管q5的漏极分别与高频电流互感器ct1和高频电流互感器ct2的原边同相端连接，高频电流互感器ct1和高频电流互感器ct2的原边反相端连接系统地gnd；所述输出变压器t1的原边同相端与大功率场效应管q3的漏极连接，输出变压器t1的原边反相端与大功率场效应管q4的源极连接；通过控制脉冲宽度调制信号pwm1、pwm3、pwm2及pwm4的高低电平状态，可完成高频电流互感器ct1对全桥逆变器的左桥臂进行电流采样或者高频电流互感器ct2对全桥逆变器的右桥臂进行电流采样，并通过运算放大器u2的输出端输出信号。
14.所述pwm1和pwm4为低电平，pwm2、pwm3为高电平时，大功率场效应管q3及大功率场效应管q4导通，大功率场效应管q2及大功率场效应管q5截止，直流母线电流进入大功率场效应管q3的源极，并从大功率场效应管q3的漏极流出，流入输出变压器t1的原边同相端，经输出变压器t1的原边反相端流出，进入大功率场效应管q4的源极，经大功率场效应管q4的漏极进入高频电流互感器ct1的原边同相端，最后由高频电流互感器ct1的原边反相端进入系统地gnd，形成功率信号的闭环回路。
15.所述pwm1和pwm4为高电平，pwm2、pwm3为低电平时，大功率场效应管q2及大功率场效应管q5导通，大功率场效应管q3及大功率场效应管q4截止，直流母线电流进入大功率场效应管q2的源极，并从大功率场效应管q2的漏极流出，流入输出变压器t1的原边反相端，经输出变压器t1的原边同相端流出，进入大功率场效应管q5的源极，经大功率场效应管q5的漏极进入高频电流互感器ct2的原边同相端，最后由高频电流互感器ct2的原边反相端进入系统地gnd，形成功率信号的闭环回路。
16.所述全桥逆变器的左桥臂包括非门u3、三极管q6、快速恢复二极管d2；pwm1经过电阻r14后进入非门u3的信号输入端，电阻r15一端连接系统地gnd，另一端连接非门u3的信号
输入端，非门u3的信号输出端连接三极管q6的基极，三极管q6的集电极与快速恢复二极管d2的正极连接，同时与高频电流互感器ct1副边连接，快速恢复二极管d2与vcc端连接，高频电流互感器ct1副边通过电阻r12与电阻r10、电容c2、电阻r11、电阻r8的一端连接，电阻r10、电容c2、电阻r11的另一端连接系统地gnd，电阻r8另一端连接电容c4及电阻r9，电容c4的另一端连接系统地gnd，电阻r9另一端连接运算放大器u2的同向端；所述算放大器u2的同向端还连接有电容c6，电容c6另一端连接系统地gnd；参考电平vref经过电阻r2及电阻r1后与电容c6上电平耦合后引入运算放大器u2的同相端；电阻r13、电阻r4与运算放大器u2的反相端相连，构成比例负反馈，对运算放大器u2同相端的输入信号进行负反馈放大处理，通过调整r13、r4阻值，改变信号放大倍数，将输入信号调理至合适幅值范围经运算放大器u2的输出端在端口vout上形成最终采样结果。
17.所述全桥逆变器的右桥臂包括非门u1、三极管q1、快速恢复二极管d1；pwm2经过电阻r3后进入非门u1的信号输入端，电阻r5一端连接系统地gnd，另一端连接非门u1的信号输入端，非门u1的信号输出端连接三极管q1的基极，三极管q1的集电极与快速恢复二极管d1的正极连接，同时与高频电流互感器ct2副边连接，快速恢复二极管d1与vcc端连接，高频电流互感器ct2副边通过电阻r6与电阻r10、电容c2、电阻r11、电阻r8的一端连接，电阻r10、电容c2、电阻r11的另一端连接系统地gnd，电阻r8另一端连接电容c4及电阻r9，电容c4的另一端连接系统地gnd，电阻r9另一端连接运算放大器u2的同向端；所述算放大器u2的同向端还连接有电容c6，电容c6另一端连接系统地gnd；参考电平vref经过电阻r2及电阻r1后与电容c6上电平耦合后引入运算放大器u2的同相端；电阻r13、电阻r4与运算放大器u2的反相端相连，构成比例负反馈，对运算放大器u2同相端的输入信号进行负反馈放大处理，通过调整r13、r4阻值，改变信号放大倍数，将输入信号调理至合适幅值范围经运算放大器u2的输出端在端口vout上形成最终采样结果。
18.所述直流母线电压由三相整流或者单相整流获得直流电压并引入直流母线电压支撑电容c5进行滤波后产生，直流母线电压为400vdc到800vdc；所述直流母线电流是由直流母线电压所产生的电流。
19.工作原理：
20.本实用新型所述一种全桥逆变器的桥臂过流保护采样电路，将三相整流或者单相整流获得直流电压引入直流母线电压支撑电容c5进行滤波；全桥逆变器的四只全控型大功率场效应管q2至q5受到来自cpu的驱动信号pwm1、pwm2、pwm3、pwm4控制，逆变器输出接可起到隔离作用的输出变压器t1，对负载等效电容cload和负载等效电阻rload供电；高频电流互感器ct1和高频电流互感器ct2分别对全桥逆变器的左桥臂和右桥臂进行电流采样。高频电流互感器ct1及高频电流互感器ct2的输出端分别通过快速恢复二极管d2及快速恢复二极管d1引入控制系统电源vcc端，避免采样过电压，同时分别通过三极管q6及三极管q1接地，当采样电压高于控制系统电压vcc时，采样信号幅值被有源钳位于vcc电压。
21.当pwm1和pwm4为低电平，pwm2、pwm3为高电平时，大功率场效应管q3及大功率场效应管q4导通，大功率场效应管q2及大功率场效应管q5截止，直流母线电流udc_link进入大功率场效应管q3的源极，并从大功率场效应管q3的漏极流出，并流入输出变压器t1的原边同相端，经输出变压器t1的原边反相端流出，进入大功率场效应管q4的源极，经大功率场效应管q4的漏极进入高频电流互感器ct1的原边同相端，最后由高频电流互感器ct1的原边反
相端进入系统地gnd，形成功率信号的闭环回路。由于pwm1为低电平，其经过电阻r14、电阻r15信号调理，进入非门u3转换为高电平，并引入三极管q6的基极，驱动三极管q6导通，高频电流互感器ct1的采样电流经过三极管q6、系统地gnd、电阻r10、电阻r12形成完整回路，在电阻r10产生电压降。因为pwm1、pwm4为低电平，大功率场效应管q2、大功率场效应管q5截止，直流母线电流udc_link不能经过大功率场效应管q2、输出变压器t1的原边、大功率场效应管q5、高频电流互感器ct2的原边回到系统地gnd。高频电流互感器ct2的原边没有电流流过，副边也没有电流输出。同时，因为pwm2为高电平，其经电阻r3、电阻r5调理后经非门u1翻转，转换为低电平，信号引入三极管q1基极，三极管q1工作于截止状态，高频电流互感器ct2的副边通道截止，不能形成完整电流回路，因此不能通过电阻r6在电阻r10上产生压降。高频电流互感器ct1的信号输出在电阻r10产生的电压将也将不能通过电阻r6、高频电流互感器ct2的副边、三极管q1进入系统地gnd，从而确保了高频电流互感器ct1的信号输出全部通过电容c2、电阻r11、电阻r8、电容c4、电阻r9及电容c6构成rc三阶滤波网络进入运算放大器u2(out端)。
22.当pwm1和pwm4为高电平，pwm2、pwm3为低电平时，大功率场效应管q2及大功率场效应管q5导通，大功率场效应管q3及大功率场效应管q4截止，直流母线电流udc_link进入大功率场效应管q2的源极，并从大功率场效应管q2的漏极流出，并流入输出变压器t1的原边反相端，经输出变压器t1的原边同相端流出，进入大功率场效应管q5的源极，经大功率场效应管q5的漏极进入高频电流互感器ct2的原边同相端，最后由高频电流互感器ct2的原边反相端进入系统地gnd，形成功率信号的闭环回路。由于pwm2为低电平，其经过电阻r3、电阻r5信号调理，进入非门u1转换为高电平，并引入三极管q1的基极，驱动三极管q1导通，高频电流互感器ct2的采样电流经过三极管q1、系统地gnd、电阻r10、电阻r6形成完整回路，在电阻r10产生电压降。因为pwm2、pwm3为低电平，大功率场效应管q3、大功率场效应管q4截止，直流母线电流udc_link不能经过大功率场效应管q3、输出变压器t1的原边、大功率场效应管q4、高频电流互感器ct1的原边回到系统地gnd。高频电流互感器ct1的原边没有电流流过，副边也没有电流输出。同时，因为pwm1为高电平，其经电阻r14、电阻r15调理后经非门u3翻转，转换为低电平，信号引入三极管q6基极，三极管q6工作于截止状态，高频电流互感器ct1的副边通道截止，不能形成完整电流回路，因此不能通过电阻r12在电阻r10上产生压降。高频电流互感器ct2的信号输出在电阻r10产生的电压将也将不能通过电阻r12、高频电流互感器ct1的副边、三极管q6进入系统地gnd，从而确保了高频电流互感器ct2的信号输出全部通过电容c2、电阻r11、电阻r8、电容c4、电阻r9及电容c6构成rc三阶滤波网络进入运算放大器u2(out端)。
23.根据pwm1、pwm2、pwm3、pwm4驱动信号的电平逻辑，大功率场效应管q2、q5与大功率场效应管q3、q4交替导通，在高频电流互感器ct1、ct2上交替产生同相电流信号，在电阻r10上产生馒头波采样信号。该设计电路的关键之处在于，采用pwm1、pwm2驱动信号经过高速与门控制快速开关三极管q1、q6，在电阻r10产生桥臂电流信号，采样信号不受逆变器的工作频率影响，可适应低、中、高频不同工作频率的逆变器。
24.在电阻r10上产生的桥臂电流的电压采样幅值，通过三阶rc滤波网络电容c2、电阻r11、电阻r8、电容c4、电阻r9及电容c6，在电容c6上形成稳定的直流电平信号。通过设置参考电平vref，经过匹配电阻r1、r2与电容c6上电平耦合引入运算放大器u2同相端，参考电平
vref在于对三阶滤波网络处理的桥臂电流采样信号进行平移，改变桥臂电流采样的幅值，便于后级的信号处理。电阻r13、r4与运算放大器u2的反相端相连，构成比例负反馈，对运算放大器u2同相端的输入信号进行负反馈放大处理，通过调整r13、r4阻值，改变信号放大倍数，将输入信号调理至合适幅值范围经运算放大器的输出端在运算放大器u2端口vout上形成最终采样结果，供硬件保护逻辑电路和cpu采样电路使用。
25.控制系统cpu通过采样最终输出信号vout幅值，cpu可以根据其输出的pwm1和pwm2电平状态，确认vout采样结果为全桥逆变器左桥臂的高频电流互感器ct1电流或右桥臂的高频电流互感器ct2电流。当pwm1为高电平时，pwm2为低电平，三极管q6截止、三极管q1导通，此时采样结果为右桥臂的高频电流互感器ct2电流采样值；当pwm1为低电平时，pwm2为高电平，三极管q6导通、三极管q1截止，此时采样结果为左桥臂的高频电流互感器ct1电流采样值。
26.上面所述的只是用图解说明本实用新型相关的一种全桥逆变器的桥臂过流保护采样电路的一些功能结构原理，由于对相同技术领域的技术人员来说很容易在此基础上进行若干的修改，因此本说明书并非要将本实用新型所述的一种全桥逆变器的桥臂过流保护采样电路局限在所示或者所述的具体机构及适用范围内，故凡是可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本实用新型专利的保护范围。