車載逆變器重載啟動保護電路的研究

鄧孝祥 張偉杰 劉浩男

（ 黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150002）

0 引言

車載逆變器是將12 V或24 V的直流電轉換成220V、50Hz交流電源，負載類型不確定性使其保護電路的設計變得至關重要[1]。負載類型可分為阻性負載、感性負載和容性負載，尤其是逆變電源帶容性負載時，帶載啟動或關斷瞬間電流會非常大，通常是正常工作電流的8～10倍。容易引起車載逆變器瞬間超載，頻繁的沖擊電流會對逆變器造成損壞，提高電流設定值會出現誤保護，可以通過軟件控制來解決這一問題。在上電一瞬間，通過軟件減小脈沖寬度，從而降低電壓，使電流下降，起到保護作用，防止因為負載沖擊而導致頻繁關機。在逆變電源中一般會設計短路保護電路。逆變電源一般帶阻性負載或容性負載[2]。帶容性負載時，當交流負載發生短路或嚴重過載時，可通過過流保護電路進行斷電保護。逆變電源作為交流電源使用時，須具有一定的抗短路沖擊的能力。即在負載瞬間短路時電源可以正常工作，輸出電流在一定數值維持一段時間，實現保護，在消除故障后自動恢復正常。

該文設計了一種重載快速啟動保護裝置，既可以實現對車載逆變器的限流保護，又能夠在保持逆變器穩定輸出的同時，有效地實現了電路保護[3]。

1 設計方案

1.1 逆變器組成

逆變器通常由逆變全橋、控制電路、保護電路組成。逆變全橋單相逆變由4個功率開關管組成，稱為H橋[4]，經過開關管的開通、關斷輸出方波在LC濾波中呈正弦波，控制電路包括驅動電路和控制調理電路，驅動電路增強驅動能力驅動開關管，控制調理電路通過采集主電路的數據轉換為閉環控制主電路。保護電路在主電路發生短路或過流情況下，將信號傳遞到控制芯片關斷控制信號，使功率開關管關閉。逆變輸出帶容性負載在啟動瞬間電流過大，功率超過額定功率，通常切斷電源讓其不工作，但長時間多次操作會損壞逆變器設備?；蛘邠Q大功率的逆變器，相對應的成本也增加。設計一種既可以帶重載啟動又可以達到過流保護的裝置是十分重要的。

1.2 重載啟動保護

使用現有的帶載啟動及短路保護技術對濾波電路中濾波電感的電流進行采樣，將采樣值與設定的電流閾值進行比較，當大于電流閾值時由封鎖電路對逆變電路的驅動信號進行封鎖，在電感電流下降到閾值以下時恢復逆變電路驅動信號，如果電流仍然超過閾值則反復進行該操作過程。然而，在該過程中封鎖電路是否啟動只受控于電感電流，因此無法做到可控，并且在長時間過流狀態下會導致功率器件熱量積累，最終會損壞器件。由此可見，現有的帶載啟動及短路保護技術效果并不理想，可靠性較低。為了使逆變器重載啟動且不誤保護，該文設計了一種重載啟動保護電路，采用打嗝保護的方式實現對車載逆變器的保護。電路圖如圖1所示，檢測到交流輸出電流送到逐周保護模塊中的正負比較器，取樣電路根據逆變電源輸出電流的變化產生與其成正比的取樣電壓（參考電壓電路通過電阻分壓產生恒定的參考電壓），在比較電路中比較參考電壓與取樣電壓的值，當取樣電壓大于參考電壓時，比較電路向驅動電路發出調整或保護信號。經過對控制器信號的傳送，實現重載啟動保護。

該原理圖包括直流電源模塊DC、功率模塊、控制器、逐周保護、電流檢測模塊。功率模塊中，Q1、Q2、Q3、Q4為主功率開關管，R1、R2、R3、R4為功率開關管G、S兩端的泄放電阻，避免G、S結電容放電，產生震蕩。DRV1_G、DRV3_G為兩橋臂上管的懸浮地，DGND為主電路參考地，L0為輸出濾波電感，C0為輸出濾波電容。R0為模擬輸出負載。

由圖1所示的逐周保護模塊由參考電壓、比較電路、電平轉換電路組成。比較電路由比較器LM319和部分電阻組成，電平轉換電路由2個MOSFET功率管Q1、Q2和部分電阻電容組成，參考電壓電路由4個電阻R8、R9、R10、R11組成，逐周保護模塊中有部分電容為退耦電容或濾波電容。

圖1 電路原理框圖

電流檢測模塊檢測到交流電流信號傳送給AC電流檢測，比較器LM393參考電壓由R8、R9、R10、R114個電阻值確定，根據分壓公式的計算如下。

電流檢測大于上限參考電壓或者小于下限參考電壓，輸出為低電平信號，經過兩路電平信號轉換，一路轉為高電平將PWM信號封鎖，一路轉為低電平信號傳送給DSP進行信號封鎖，正常工作時，AC電流檢測端（由交流電流采樣電路提供）的電壓值在1.464V～3.536V，比較器為集電極開路輸出，由于5V上拉的存在，因此輸出為高電平。當硬件電路過流時，AC電流檢測端的電壓值超出下限或者上限，比較器動作，輸出為低電平。該邏輯信號可用于功率驅動電路的使能以及DSP對當前電路是否過流的判斷。

2 軟件控制思想

2.1 保護工作流程

車載逆變器實現重載啟動保護裝置流程圖如圖2所示，交流輸出檢測到交流信號經過霍爾芯片轉換為電壓信號，與參考電壓比較。

圖2 保護電路工作流程圖

Vsample＜Vref1

Vsample＞Vref2

比較器LM393輸出端翻轉，向驅動電路的控制端輸入的電平信號改變，進一步控制開關管導通與關斷，減少電流的輸出，可以有效地控制功率的輸出，使輸出功率降低。

短路過流輸出端翻轉將信號送給DSP向驅動電路的低頻驅動控制端輸入封鎖信號，由DSP內部軟件控制信號封鎖脈沖，通過程序判斷過流條件，將PWM脈沖關閉，開關管關斷，發揮了短路保護的作用。

當電源關斷后，采樣電壓Vsample=0，比較器LM393使驅動信號立即恢復，通過軟件判斷是否滿足重新啟動條件，并能夠自動恢復。

在重載啟動時保護電路會檢測幾個周期證明是誤觸發保護，超過這幾個周期判斷為短路保護。有效避免誤觸發保護，使逆變器正常工作。

2.2 重載啟動波形分析

如圖3所示，當橋臂電流信號超過軟件設定閾值時，則立即將逆變器輸出電壓有效值降低到額定的10%，在80ms內由額定的10%提高到額定電壓，若此時橋臂電流信號恢復到額定工作電流內，則逆變器繼續正常工作。

圖3 快速帶載啟動電壓波形

假設I0為逆變器的輸出電流，當輸出發生短路情況時，電流會迅速到達設置的正半周電流門限或負半周電流門限，觸發逐周保護模塊動作。逐周控制模塊輸出信號將表現為打嗝狀態，高電平時將控制器的驅動信號封鎖，重載控制輸出的信號為低電平，低電平信號反應了過流持續時間。當逆變器正常帶載啟動，100ms內檢測電平變換，判斷電路是否正常啟動，當控制器檢測到超過100ms低電平波形時，判斷為短路狀態，控制器關閉功率開關器件的PWM信號，并且在3s后重啟。以上的100ms時間可以根據需要任意設定。

3 實驗結果

短路電流電平轉換超過了100ms設定值，系統判斷設備處于短路或過流狀態，由輸出電流和輸出電壓波形可以看出超過100ms之后設備無輸出，DSP進行檢測電平為低封鎖脈沖，實現軟件封鎖。瞬時短路DSP進行100ms軟件封鎖，實現工頻打嗝。一直短路時會一直工頻打嗝，避免熱量積累，同時可以起到保護作用。

如圖4，通道1短路過流信號在15ms內實現了高電平轉換低電平再到高電平的轉換，在電平開始變化時進行帶載切換，高低電平轉換在100ms內完成，電路工作帶載正常。同時看出輸出電壓波形在逆變器輸出電壓有效值降低到額定的10%，在80ms內由額定的10%提高到額定電壓，此時橋臂電流信號恢復到額定工作電流內，逆變器繼續正常工作。實現了帶載啟動。

圖4 短路檢測

電路在高低電平轉換檢測時間100ms以內，軟件檢測到非短路工作狀態，開始帶載啟動，圖5為輸出電流波形，負載為容性負載，對電容進行預充電一段時間實現帶重載啟動，在一段時間后逆變器正常工作，實現重載啟動，起到保護作用。

圖5 輸出電流重載啟動

4 結論

通過上述分析可知，該文設計的保護電路可以避免觸發保護裝置，達到重載啟動的目的，實現了短路保護，提高車載逆變器使用壽命。短路瞬間時，電源電流劇增，通過硬件保護電路進行判斷，保證電路保護不停機。在通過軟件進行判斷，過流封脈沖。過載時，電流過大，輸出電流維持一段時間，實現軟硬件保護。電流過大時通過軟件控制判斷100ms實現封鎖脈沖，避免熱量積累。使車載逆變器無論是在帶載啟動還是接入非線性負載、短路狀態下，都能夠將過流功率開關器件的電流限制在額定值以內，減少了車載逆變器在帶載啟動瞬間的啟動電流，在長時間輸出短路時避免了熱量積累，能夠使車載逆變器在排除短路故障后自動恢復工作，大大提高了車載逆變器的可靠性。