一种保护电路及直流系统的制作方法

本发明实施方式涉及电子，特别是涉及一种保护电路及直流系统。

背景技术：

1、在光伏、储能应用场合，直流耦合方案因为成本、效率等方面的优势，应用越来越广泛。然而相较于交流系统，当直流系统短路时，系统短路阻抗较小，短路电流会急剧增大，且没有自然过零点。如未及时保护，短路电流会损坏系统中的设备。直流系统的短路保护具有极大的挑战，为了直流系统的安全，需要快速地检测异常，并断开故障点。为了保护连接至直流母线的设备，常见做法是在设备端口处增加机械断路器、熔丝等保护装置，然而这些装置成本高，且保护速度慢，在保护装置作用前，设备通常都已经失效，造成较大的二次损坏。

2、和传统的机械开关相比，半导体开关可以大大提高开关速度，可以使用半导体开关来实现快速关断。顺着短路故障电流方向，在设备端口串联igbt模块，当检测到故障异常时，通过igbt模块的驱动关断igbt，阻断故障电流的流经回路，从而保护设备。然而igbt的快速关断会带来严重的电压应力问题，继而损坏igbt。尤其是在故障回路的杂散电感较大时，关断瞬间杂散电感的能量会产生极大的电压尖峰。为了降低igbt关断时的电压应力，常采用增大关断电阻、软关断、igbt两端增加无源吸收电路等，无源吸收电路常为rc、rcd电路。但当故障回路的杂散电感较大时，通过无源吸收的方式来吸收电压尖峰，rc参数需要设计得非常大，成本和体积代价较高。

3、为了解决故障回路杂散电感较大时的问题，可以就近在设备+/-端口间并联二极管。当igbt关断时，二极管可为大部分杂散电感电流提供续流回路，从而降低吸收回路的设计需求。然而增加的二极管是高压二极管，需要能够承受较高的浪涌电流，且正常工作时需要长时间承受高阻断电压，成本较高，二极管的可靠性低。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种保护电路，应用于直流系统，所述直流系统包括主功率单元和接口单元，所述主功率单元的正母线和负母线分别连接至所述接口单元，所述保护电路包括：用于输出控制信号的pwm电路，所述控制信号包括导通信号和关断信号；用于对所述控制信号进行功率放大的驱动电路；被配置为响应于所述控制信号以导通或断开所述主功率单元和所述接口单元之间连接的开关电路；被配置为当所述开关电路两端电压大于预设的阈值电压时，引入反馈电流至所述开关电路的控制端，以将所述开关电路两端的电压钳位在稳定电压的钳位电路；所述驱动电路的输出端连接至所述开关电路的控制端，所述开关电路串接在所述正母线或所述负母线之间。

2、在一些实施例中，所述保护电路还包括：连接在所述驱动电路的输入端以及所述开关电路的一端之间的辅助检测电路，用于反馈所述开关电路的两端电压至所述驱动电路。

3、在一些实施例中，所述保护电路还包括：被配置为当检测到所述主功率单元的输出电流大于或等于预设的第一电流阈值时，输出异常信号至所述pwm电路，以使所述pwm电路输出所述关断信号的第一信号处理电路。

4、在一些实施例中，所述保护电路还包括：被配置为当检测到所述主功率单元的输出电流变化率大于或等于第一电流变化阈值时，输出保护信号至所述pwm电路，以使所述pwm电路输出所述关断信号的第二信号处理电路。

5、在一些实施例中，所述保护电路还包括：设置在所述正母线和所述负母线之间的第一电容，所述第一电容和所述负母线的连接之处，或所述第一电容和所述正母线的连接之处形成第一连接点；以及被配置为当检测到所述第一电容的采样电流变化率大于或等于预设的第二电流变化阈值，或所述采样电流大于预设的第二电流阈值时，输出保护信号至所述pwm电路，以使所述pwm电路输出所述关断信号的第三信号处理电路。

6、在一些实施例中，所述开关电路为igbt管，若所述开关电路串接在所述负母线之间，则所述igbt管的发射极通过所述负母线连接至所述主功率单元的负极，所述igbt管的集电极通过所述负母线连接至所述接口单元；若所述开关电路串接在所述正母线之间，则所述igbt管的集电极通过所述正母线连接至所述主功率单元的正极，所述igbt管的发射极通过所述正母线连接至所述接口单元。

7、在一些实施例中，所述钳位电路包括瞬态二极管和限流单元，所述限流单元包括第二电阻、rc电路或rcd电路，其中，当所述限流单元为第二电阻时，所述瞬态二极管的阴极连接至所述igbt管的集电极，所述瞬态二极管的阳极连接至所述第二电阻的一端；所述第二电阻的另一端连接至所述igbt管的门极。

8、在一些实施例中，还包括第一电阻，所述第一电阻的一端连接至所述igbt管的门极，所述第一电阻的另一端连接至所述驱动电路的输出端。

9、在一些实施例中，所述辅助检测电路包括第一二极管和第三电阻，其中，所述第一二极管的阴极连接至所述开关电路的一端，所述第一二极管的阳极连接至所述第三电阻的一端；所述第三电阻的另一端连接至所述驱动电路。

10、在一些实施例中，所述第三信号处理电路包括电流互感器、第四电阻、第二二极管、第五电阻、第二电容、比较器和锁存器，其中，所述电流互感器的一次侧串联在所述第一电容和所述第一连接点之间，所述电流互感器的二次侧的首端分别连接至所述第二二极管的阳极和所述第四电阻的一端；所述电流互感器的二次侧的末端分别连接至所述第四电阻的另一端和所述第二电容的一端，所述第二电容的一端接地；所述第二二极管的阴极连接至所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端分别连接至所述第二电容的另一端和所述比较器的第一输入端，所述比较器的第二输入端连接至参考电压源的电能输出端；所述比较器的输出端连接至所述锁存器的输入端，所述锁存器的输出端连接至所述pwm电路的输入端。

11、为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的另一个技术方案是：提供一种直流系统，包括：用于输出功率电压的主功率单元，所述主功率单元包括逆变器或变换器，所述主功率单元包括正母线和负母线；对所述功率电压起到滤波作用或对待供能设备起到断开或接入作用的接口单元；以及如上所述的保护电路；所述保护电路设置在所述正母线或所述负母线上，所述正母线和所述负母线分别连接至所述接口单元。

12、在一些实施例中，所述接口单元包括继电器、负荷开关和/或emi电路。

13、本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施方式通过检测到直流母线短路故障时，及时关断串联在故障电流流经回路上的igbt管，并通过钳位电路将igbt管的关断应力控制在安全范围之内，因此不需要增加额外的续流二极管和无源吸收电路。其次还可以在各种短路条件下快速检测到故障，减小关断故障电流时保护电路需要吸收的能量，保证igbt管的可靠关断。最后还可以通过检测电容的电流来判断故障，可以降低检测元件的成本。

技术特征：

1.一种保护电路，应用于直流系统，所述直流系统包括主功率单元和接口单元，所述主功率单元的正母线和负母线分别连接至所述接口单元，其特征在于，所述保护电路包括：

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求1-5任意一项所述的电路，其特征在于，所述开关电路为igbt管，若所述开关电路串接在所述负母线之间，则所述igbt管的发射极通过所述负母线连接至所述主功率单元的负极，所述igbt管的集电极通过所述负母线连接至所述接口单元；

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述钳位电路包括瞬态二极管和限流单元，所述限流单元包括第二电阻、rc电路或rcd电路，其中，

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，还包括第一电阻，所述第一电阻的一端连接至所述igbt管的门极，所述第一电阻的另一端连接至所述驱动电路的输出端。

9.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述辅助检测电路包括第一二极管和第三电阻，其中，

10.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述第三信号处理电路包括电流互感器、第四电阻、第二二极管、第五电阻、第二电容、比较器和锁存器，其中，

11.一种直流系统，其特征在于，包括：

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述接口单元包括继电器、负荷开关和/或emi电路。

技术总结
本发明实施方式公开了一种保护电路及直流系统。该保护电路包括：用于输出控制信号的PWM电路；用于对控制信号进行功率放大的驱动电路；被配置为响应于控制信号以导通或断开主功率单元和接口单元之间连接的开关电路；被配置为当开关电路两端电压大于预设的阈值电压时，引入反馈电流至开关电路的控制端，以将开关电路两端的电压钳位在稳定电压的钳位电路；驱动电路的输出端连接至开关电路的控制端，开关电路串接在所述正母线或所述负母线之间。通过上述方式，本发明实施方式能够保证开关电路的可靠关断，通过快速检测故障，减小关断故障电流时需要保护电路来吸收的能量。还可通过检测电容的电流来判断故障，降低检测元件成本。

技术研发人员：胡光铖,官威
受保护的技术使用者：上海百竹成航新能源有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12