車載逆變器重載啟動保護(hù)電路的研究

鄧孝祥 張偉杰 劉浩男

（ 黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)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(zhuǎn)換成220V、50Hz交流電源，負(fù)載類型不確定性使其保護(hù)電路的設(shè)計變得至關(guān)重要[1]。負(fù)載類型可分為阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載，尤其是逆變電源帶容性負(fù)載時，帶載啟動或關(guān)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(shè)定值會出現(xiàn)誤保護(hù)，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(hù)作用，防止因?yàn)樨?fù)載沖擊而導(dǎo)致頻繁關(guān)機(jī)。在逆變電源中一般會設(shè)計短路保護(hù)電路。逆變電源一般帶阻性負(fù)載或容性負(fù)載[2]。帶容性負(fù)載時，當(dāng)交流負(fù)載發(fā)生短路或嚴(yán)重過載時，可通過過流保護(hù)電路進(jìn)行斷電保護(hù)。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(fù)載瞬間短路時電源可以正常工作，輸出電流在一定數(shù)值維持一段時間，實(shí)現(xiàn)保護(hù)，在消除故障后自動恢復(fù)正常。

該文設(shè)計了一種重載快速啟動保護(hù)裝置，既可以實(shí)現(xiàn)對車載逆變器的限流保護(hù)，又能夠在保持逆變器穩(wěn)定輸出的同時，有效地實(shí)現(xiàn)了電路保護(hù)[3]。

1 設(shè)計方案

1.1 逆變器組成

逆變器通常由逆變?nèi)珮?、控制電路、保護(hù)電路組成。逆變?nèi)珮騿蜗嗄孀冇?個功率開關(guān)管組成，稱為H橋[4]，經(jīng)過開關(guān)管的開通、關(guān)斷輸出方波在LC濾波中呈正弦波，控制電路包括驅(qū)動電路和控制調(diào)理電路，驅(qū)動電路增強(qiáng)驅(qū)動能力驅(qū)動開關(guān)管，控制調(diào)理電路通過采集主電路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為閉環(huán)控制主電路。保護(hù)電路在主電路發(fā)生短路或過流情況下，將信號傳遞到控制芯片關(guān)斷控制信號，使功率開關(guān)管關(guān)閉。逆變輸出帶容性負(fù)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(shè)備?；蛘邠Q大功率的逆變器，相對應(yīng)的成本也增加。設(shè)計一種既可以帶重載啟動又可以達(dá)到過流保護(hù)的裝置是十分重要的。

1.2 重載啟動保護(hù)

使用現(xiàn)有的帶載啟動及短路保護(hù)技術(shù)對濾波電路中濾波電感的電流進(jìn)行采樣，將采樣值與設(shè)定的電流閾值進(jìn)行比較，當(dāng)大于電流閾值時由封鎖電路對逆變電路的驅(qū)動信號進(jìn)行封鎖，在電感電流下降到閾值以下時恢復(fù)逆變電路驅(qū)動信號，如果電流仍然超過閾值則反復(fù)進(jìn)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(tài)下會導(dǎo)致功率器件熱量積累，最終會損壞器件。由此可見，現(xiàn)有的帶載啟動及短路保護(hù)技術(shù)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(hù)，該文設(shè)計了一種重載啟動保護(hù)電路，采用打嗝保護(hù)的方式實(shí)現(xiàn)對車載逆變器的保護(hù)。電路圖如圖1所示，檢測到交流輸出電流送到逐周保護(hù)模塊中的正負(fù)比較器，取樣電路根據(jù)逆變電源輸出電流的變化產(chǎn)生與其成正比的取樣電壓（參考電壓電路通過電阻分壓產(chǎn)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(dāng)取樣電壓大于參考電壓時，比較電路向驅(qū)動電路發(fā)出調(diào)整或保護(hù)信號。經(jīng)過對控制器信號的傳送，實(shí)現(xiàn)重載啟動保護(hù)。

該原理圖包括直流電源模塊DC、功率模塊、控制器、逐周保護(hù)、電流檢測模塊。功率模塊中，Q1、Q2、Q3、Q4為主功率開關(guān)管，R1、R2、R3、R4為功率開關(guān)管G、S兩端的泄放電阻，避免G、S結(jié)電容放電，產(chǎn)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(fù)載。

由圖1所示的逐周保護(hù)模塊由參考電壓、比較電路、電平轉(zhuǎn)換電路組成。比較電路由比較器LM319和部分電阻組成，電平轉(zhuǎn)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(hù)模塊中有部分電容為退耦電容或?yàn)V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(jù)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(jīng)過兩路電平信號轉(zhuǎn)換，一路轉(zhuǎn)為高電平將PWM信號封鎖，一路轉(zhuǎn)為低電平信號傳送給DSP進(jìn)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(dāng)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(qū)動電路的使能以及DSP對當(dāng)前電路是否過流的判斷。

2 軟件控制思想

2.1 保護(hù)工作流程

車載逆變器實(shí)現(xiàn)重載啟動保護(hù)裝置流程圖如圖2所示，交流輸出檢測到交流信號經(jīng)過霍爾芯片轉(zhuǎn)換為電壓信號，與參考電壓比較。

圖2 保護(hù)電路工作流程圖

Vsample＜Vref1

Vsample＞Vref2

比較器LM393輸出端翻轉(zhuǎn)，向驅(qū)動電路的控制端輸入的電平信號改變，進(jìn)一步控制開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)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(zhuǎn)將信號送給DSP向驅(qū)動電路的低頻驅(qū)動控制端輸入封鎖信號，由DSP內(nèi)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(guān)閉，開關(guān)管關(guān)斷，發(fā)揮了短路保護(hù)的作用。

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

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

2.2 重載啟動波形分析

如圖3所示，當(dāng)橋臂電流信號超過軟件設(shè)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(nèi)由額定的10%提高到額定電壓，若此時橋臂電流信號恢復(fù)到額定工作電流內(nèi)，則逆變器繼續(xù)正常工作。

圖3 快速帶載啟動電壓波形

假設(shè)I0為逆變器的輸出電流，當(dāng)輸出發(fā)生短路情況時，電流會迅速到達(dá)設(shè)置的正半周電流門限或負(fù)半周電流門限，觸發(fā)逐周保護(hù)模塊動作。逐周控制模塊輸出信號將表現(xiàn)為打嗝狀態(tài)，高電平時將控制器的驅(qū)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(yīng)了過流持續(xù)時間。當(dāng)逆變器正常帶載啟動，100ms內(nèi)檢測電平變換，判斷電路是否正常啟動，當(dāng)控制器檢測到超過100ms低電平波形時，判斷為短路狀態(tài)，控制器關(guān)閉功率開關(guān)器件的PWM信號，并且在3s后重啟。以上的100ms時間可以根據(jù)需要任意設(shè)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

短路電流電平轉(zhuǎn)換超過了100ms設(shè)定值，系統(tǒng)判斷設(shè)備處于短路或過流狀態(tài)，由輸出電流和輸出電壓波形可以看出超過100ms之后設(shè)備無輸出，DSP進(jìn)行檢測電平為低封鎖脈沖，實(shí)現(xiàn)軟件封鎖。瞬時短路DSP進(jìn)行100ms軟件封鎖，實(shí)現(xiàn)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(hù)作用。

如圖4，通道1短路過流信號在15ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高電平轉(zhuǎn)換低電平再到高電平的轉(zhuǎn)換，在電平開始變化時進(jìn)行帶載切換，高低電平轉(zhuǎn)換在100ms內(nèi)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(nèi)由額定的10%提高到額定電壓，此時橋臂電流信號恢復(fù)到額定工作電流內(nèi)，逆變器繼續(xù)正常工作。實(shí)現(xiàn)了帶載啟動。

圖4 短路檢測

電路在高低電平轉(zhuǎn)換檢測時間100ms以內(nèi)，軟件檢測到非短路工作狀態(tài)，開始帶載啟動，圖5為輸出電流波形，負(fù)載為容性負(fù)載，對電容進(jìn)行預(yù)充電一段時間實(shí)現(xiàn)帶重載啟動，在一段時間后逆變器正常工作，實(shí)現(xiàn)重載啟動，起到保護(hù)作用。

圖5 輸出電流重載啟動

4 結(jié)論

通過上述分析可知，該文設(shè)計的保護(hù)電路可以避免觸發(fā)保護(hù)裝置，達(dá)到重載啟動的目的，實(shí)現(xiàn)了短路保護(hù)，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(hù)電路進(jìn)行判斷，保證電路保護(hù)不停機(jī)。在通過軟件進(jìn)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(shí)現(xiàn)軟硬件保護(hù)。電流過大時通過軟件控制判斷100ms實(shí)現(xiàn)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(fù)載、短路狀態(tài)下，都能夠?qū)⑦^流功率開關(guān)器件的電流限制在額定值以內(nèi)，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(fù)工作，大大提高了車載逆變器的可靠性。