三相逆变器输出过流保护电路及三相逆变系统[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 206272224 U(45)授权公告日 2017.06.20

(21)申请号 201621383616.2(22)申请日 2016.12.15

(73)专利权人 新誉轨道交通科技有限公司

地址 213000 江苏省常州市武进高新技术

产业开发区凤林南路199号专利权人 新誉集团有限公司(72)发明人 胡蓉　陆斌　

(74)专利代理机构 常州市科谊专利代理事务所

32225

代理人 孙彬(51)Int.Cl.

H02H 7/122(2006.01)H02H 3/06(2006.01)

权利要求书2页 说明书5页 附图2页

(54)实用新型名称

三相逆变器输出过流保护电路及三相逆变系统

(57)摘要

本实用新型涉及一种三相逆变器输出过流保护电路及三相逆变系统，本三相逆变器输出过流保护电路包括：用于采集逆变器三相输出电流的整流取样滤波模块，与该整流取样滤波模块依次相连的信号放大模块、电压比较模块，以及逻辑处理模块；其中所述逻辑处理模块的第一输出端适于输出故障信号反馈至逆变器控制器，且同时通过其第二输出端输出PWM封锁信号至PWM信号封锁电路，以控制PWM信号封锁电路关断；因此，本三相逆变器输出过流保护电路，能迅速有效进行三相逆变器输出过流保护，同时具有故障信号反馈及故障清除功能。

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1.一种三相逆变器输出过流保护电路，其特征在于，包括：用于采集逆变器三相输出电流的整流取样滤波模块，与该整流取样滤波模块依次相连的信号放大模块、电压比较模块，以及逻辑处理模块；其中

所述逻辑处理模块的第一输出端适于输出故障信号反馈至逆变器控制器，且同时通过其第二输出端输出PWM封锁信号至PWM信号封锁电路，以控制PWM信号封锁电路关断。

2.根据权利要求1所述的三相逆变器输出过流保护电路，其特征在于，所述整流取样滤波模块包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3，电阻R1、电阻R2、电容C1；其中

三相输出检测电流经过相应整流二极管整流后在电阻R1的一端汇合，经过取样电阻R1取样后转变为电压信号，所述取样电压信号经电阻R2和电容C1构成的RC滤波电路滤波后作为三相输出电流采样信号输入到信号放大模块。

3.根据权利要求2所述的三相逆变器输出过流保护电路，其特征在于，所述信号放大模块适于采用同相比例运算电路，即

三相输出电流采样信号输入到同相比例运算电路中运算放大器A1的同相端。4.根据权利要求3所述的三相逆变器输出过流保护电路，其特征在于，所述电压比较模块包括：电阻R5、电容C2、电压比较器A2、电阻R6和电阻R7；其中运算放大器A1的输出端与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电压比较器A2的同相端相连；电压比较器A2的反相端接收电压比较基准值，并与滤波电容C2的一端相连，滤波电容C2的另一端接地；

电压比较器A2的输出端与限流电阻R6的一端相连，限流电阻R6的另一端与上拉电阻R7的一端相连且作为电压比较模块的输出端。

5.根据权利要求4所述的三相逆变器输出过流保护电路，其特征在于，所述逻辑处理模块还适于通过逆变器控制器获得故障清除信号，并通过第一输出端发送PWM开启信号。

6.根据权利要求5所述的三相逆变器输出过流保护电路，其特征在于，所述逻辑处理模块包括：或非门U1，或非门U2，或非门U3；其中或非门U1的A端与电压比较模块的输出端相连，或非门U1的B端与或非门U3的Y端相连，或非门U1的Y端与或非门U3的A端相连以构成RS触发器，同时非门U1的Y端与或非门U2的A端、B端相连；以及

或非门U3的B端接收来自逆变器控制器的故障清除信号，或非门U3的Y端输出PWM封锁信号给PWM信号封锁电路；并且由或非门U2的Y端输出故障信号。

7.根据权利要求1-6任一项所述的三相逆变器输出过流保护电路，其特征在于，所述逻辑处理模块的第一输出端还连接有故障信号反馈电路；所述故障信号反馈电路包括：电阻R8、光耦U4；其中所述故障信号通过电阻R8输入至光耦U4，且经过光耦U4隔离后输入至逆变器控制器。8.一种三相逆变系统，其特征在于，包括：PWM信号封锁电路和逆变器控制器，以及

如权利要求1-7任一项所述的三相逆变器输出过流保护电路。9.根据权利要求8所述的三相逆变系统，其特征在于，

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所述三相逆变系统为三相两电平逆变系统，以及所述PWM信号封锁电路为六路PWM封锁电路。

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三相逆变器输出过流保护电路及三相逆变系统

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技术领域[0001]本实用新型涉及一种三相逆变器输出过流保护电路及三相逆变系统。

背景技术[0002]在三相逆变电源系统中，输出相电流过流是非常重要与常见的一类故障，负载短路，功率器件失效，桥臂误导通等情况的发生都可能导致逆变器输出过流，过流严重时很容易造成系统IGBT等重要器件的损毁，使系统失去工作能力，产生安全隐患，给用户带来损失。[0003]现有的三相逆变输出过流故障处理技术通常是采用熔断器或者继电器等开关器件实现硬件保护动作，上述方案虽然简单易行，但是存在成本较高、易误动作等缺点；或者采用逆变器控制器中的软件策略对检测的三相输出电流进行监测，当发生过流故障时立刻发出保护动作指令，此种保护通常是通过软件封锁六路PWM脉冲波输出的形式进行，通过软件保护虽然成本低，但该保护方案具有一定延时，无法保证保护的及时性。实用新型内容[0004]本实用新型的目的是提供一种三相逆变器输出过流保护电路及三相逆变系统，电路能及时对发生了输出过流故障的三相逆变器进行保护，同时将故障信息传递给逆变器控制器进行处理。[0005]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种三相逆变器输出过流保护电路，包括：用于采集逆变器三相输出电流的整流取样滤波模块，与该整流取样滤波模块依次相连的信号放大模块、电压比较模块，以及逻辑处理模块；其中所述逻辑处理模块的第一输出端适于输出故障信号反馈至逆变器控制器，且同时通过其第二输出端输出PWM封锁信号至PWM信号封锁电路，以控制PWM信号封锁电路关断。[0006]进一步，所述整流取样滤波模块包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3，电阻R1、电阻R2、电容C1；其中三相输出检测电流经过相应整流二极管整流后在电阻R1的一端汇合，经过取样电阻R1取样后转变为电压信号，所述取样电压信号经电阻R2和电容C1构成的RC滤波电路滤波后作为三相输出电流采样信号输入到信号放大模块。[0007]进一步，所述信号放大模块适于采用同相比例运算电路，即三相输出电流采样信号输入到同相比例运算电路中运算放大器A1的同相端。[0008]进一步，所述电压比较模块包括：电阻R5、电容C2、电压比较器A2、电阻R6和电阻R7；其中运算放大器A1的输出端与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电压比较器A2的同相端相连；电压比较器A2的反相端接收电压比较基准值，并与滤波电容C2的一端相连，滤波电容C2的另一端接地；电压比较器A2的输出端与限流电阻R6的一端相连，限流电阻R6的另一端与上拉电阻R7的一端相连且作为电压比较模块的输出端。[0009]进一步，所述逻辑处理模块还适于通过逆变器控制器获得故障清除信号，并通过第一输出端发送PWM开启信号，以实现在故障消除后，能通过控制器指令复位，清除故障反

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馈信息，解除故障封锁保护，使其恢复正常运行状态。[0010]进一步，所述逻辑处理模块包括：或非门U1，或非门U2，或非门U3；其中或非门U1的A端与电压比较模块的输出端相连，或非门U1的B端与或非门U3的Y端相连，或非门U1的Y端与或非门U3的A端相连以构成RS触发器，同时非门U1的Y端与或非门U2的A端、B端相连；以及或非门U3的B端接收来自逆变器控制器的故障清除信号，或非门U3的Y端输出PWM封锁信号给PWM信号封锁电路；并且由或非门U2的Y端输出故障信号。[0011]进一步，所述逻辑处理模块的第一输出端还连接有故障信号反馈电路；[0012]所述故障信号反馈电路包括：电阻R8、光耦U4；其中所述故障信号通过电阻R8输入至光耦U4，且经过光耦U4隔离后输入至逆变器控制器。[0013]又一方面，本实用新型还提供了一种三相逆变系统。[0014]所述三相逆变系统包括：PWM信号封锁电路和逆变器控制器，以及所述的三相逆变器输出过流保护电路。[0015]进一步，所述三相逆变系统为三相两电平逆变系统，以及所述PWM信号封锁电路为六路PWM封锁电路。[0016]本实用新型的有益效果是，本实用新型提出一种三相逆变器输出过流保护电路可针对瞬时过流尖峰做出快速保护，防止瞬时过流损坏功率器件；该过流保护电路具有过流故障锁定功能，一旦过流故障发生，立即通过硬件方式进行六路PWM信号的封锁，相较软件封锁方式而言所需响应时间短，保护迅速；并且本过流保护电路同时具有故障信息反馈功能，在硬件保护实施的同时将故障信息反馈给逆变器控制器，方便进行软件保护，提高保护冗余度；以及当三相逆变系统检测到过流故障消除之后，该过流保护电路可根据逆变器控制器发出的故障清除指令进行复位，解除故障封锁与故障信息反馈信号，使三相逆变系统进入正常工作状态；相比只检测两相输出电流值的保护电路而言，该电路同时检测三相输出电流的过流情况，保护精度和可靠性更高。附图说明[0017]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。[0018]图1是本三相逆变器输出过流保护电路的原理框图；[0019]图2是本三相逆变器输出过流保护电路的电路原理图；[0020]图3是六路PWM信号封锁电路原理图。

具体实施方式[0021]现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。[0022]实施例1[0023]图1为本三相逆变器输出过流保护电路的原理框图。[0024]本三相逆变器输出过流保护电路包括：用于采集逆变器三相输出电流的整流取样滤波模块、信号放大模块、电压比较模块、逻辑处理电路，故障信号反馈电路，PWM信号封锁电路。[0025]图2所示为本三相逆变器输出过流保护电路的电路原理图。

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以下对整流取样滤波模块、信号放大模块、电压比较模块、逻辑处理电路，故障信

号反馈电路，PWM信号封锁电路的具体实现电路进行展开说明。[0027]作为整流取样滤波模块的一种可选的实施方式，二极管D1、二极管D2、二极管D3，电阻R1、电阻R2、电容C1构成整流取样滤波电路。逆变器三相输出电流Ia检测输出端与整流二极管D1阳极相连，逆变器三相输出电流Ib检测输出端与整流二极管D2阳极相连，逆变器三相输出电流Ic检测输出端与整流二极管D3阳极相连。整流二极管D1阴极、整流二极管D2阴极、整流二极管D3阴极、电阻R1的一端、电阻R2的一端之间相互连接。电阻R1的另一端与地相连。电阻R2的另一端、电容C1的一端同时与运算放大器A1的同相端相连。电容C1的另一端与地相连。逆变器三相输出检测电流Ia、Ib、Ic经过整流二极管D1、D2、D3整流后在R1的一端汇合，经过取样电阻R1取样后转变为电压信号，所述取样电压信号经电阻R2和电容C1构成的RC滤波电路滤波后作为三相输出电流采样信号输入到运算放大器A1的同相端。[0028]作为信号放大模块的一种可选的实施方式，电阻R2、电阻R3、电阻R4、运算放大器A1构成信号放大模块。运算放大器A1的同相端与电阻R1、电容C1的相交处相连，运算放大器A1的反相端与电阻R3的一端、电阻R4的一端相互连接，电阻R3的另一端与地相连，电阻R4的另一端与运算放大器A1的输出端相连，电源VCC与运算放大器的电源端相连为运算放大器A1供电。整流取样滤波电路调理之后的三相电流采样信号经过运算放大器A1进行信号同相放大调理之后输出幅值符合处理需求的采样信号。[0029]作为信号放大模块的一种可选的实施方式，电阻R5、电容C2、电压比较器A2、电阻R6、电阻R7构成电压比较模块。运算放大器A1的输出端与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与电压比较器A2的同相端相连。电压比较器A2的反相端接收电压比较基准值Uref，并与滤波电容C2的一端相连，滤波电容C2的另一端与地相连。电压比较器A2的输出端与限流电阻R6的一端相连，限流电阻R6的另一端与上拉电阻R7的一端相连，上拉电阻R7的另一端与电源VCC相连。经过同相信号放大处理后的采样信号Ufdb输入给电压比较器A2的同相端，与电压比较器A2反相端输入的电压比较基准值Uref进行比较后输出比较结果。[0030]作为逻辑处理模块的一种可选的实施方式，或非门U1，或非门U2，或非门U3构成逻辑处理电路。或非门U1的A端与电阻R6、电阻R7的连接处相连，或非门U1的B端与或非门U3的Y端相连。或非门U1的Y端与或非门U3的A端相连，同时与或非门U2的A端、B端相连。或非门U3的B端接收来自逆变器控制器的故障清除信号ERROR_clear。或非门U3的Y端输出PWM封锁信号给六路PWM封锁电路。该逻辑处理电路的或非门U1与或非门U3构成一个RS触发器，所述RS触发器根据电压比较器A2的比较结果与ERROR_clear的状态决定故障反馈信号与PWM封锁信号的状态。或非门U2输出反相后的故障反馈信号控制故障反馈电路的通断。[0031]作为故障信号反馈电路的一种可选的实施方式，电阻R8、光耦U4、电阻R9构成故障信号反馈电路。电阻R8的一端与或非门U2的Y端相连，接收故障反馈信号，R8的另一端与光耦U4的1端相连。光耦U4的2端与地相连，光耦U4的3端与电阻R9的一端相连，同时输出故障反馈信号ERROR_fdb给逆变器控制器。电阻R9的另一端与信号地相连。光耦U4的4端与信号供电电源VDD相连。该故障信号反馈电路通过逻辑处理电路输出信号对光耦U4的通断控制，实现对过流故障信息的传递。[0032]图3为本设计的六路PWM信号封锁电路原理图。

[0033]电阻R10以及六个具有相同结构的PWM信号封锁电路构成六路PWM信号封锁电路。

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电阻R11、电容C3、MOS管Q1构成PWM1信号封锁电路。电阻R11一端连PWM1输入信号

PWM1I，电阻R11另一端与电容C11一端及MOS管Q1的漏极相连，并输出PWM1信号PWM1O。电容C11的另一端与地相连。MOS管Q1的栅极连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接PWM封锁信号。MOS管Q1的源极与地相连。所述R11、C3、Q1即构成了PWM1信号封锁电路，其余五路PWM信号(PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6)封锁电路与所述PWM1信号封锁电路具有相同的电路结构。六路PWM信号封锁电路的MOS管栅极共同连接至电阻R10的一端，接收同一PWM封锁信号。所述六路PWM信号封锁电路通过PWM封锁信号的状态控制PWM信号封锁电路中六个MOS管的导通与关断，实现对六路PWM信号的封锁控制。[0035]本设计所述功能实现过程：[0036]三相逆变器输出检测电流(Ia、Ib、Ic)经过整流二极管(D1、D2、D3)整流叠加后形成三相直流电流之和在(D1、D2、D3)的阴极节点输出，任何一相输出电流的变化都将引起该电流之和的变化。所述电流之和经电阻R1取样后转变为电压信号方便后续电路处理。所述电压信号经电阻R2与电容C1构成的滤波电路滤除高频干扰信号之后得到一个稳定的电压信号。为使得所述电压幅值满足后续电路处理需求，滤波后的电压信号通过运算放大器U1进行同相放大，同相放大倍数由电阻R3和电阻R4决定。放大后的电压信号Ufdb送入到电压比较器A2的同相端，与反相端设定的电压比较基准值Uref进行比较，输出比较结果给后续逻辑处理电路。过流保护判断阈值由电压比较基准值Uref决定，用户可根据系统实际需要进行设计。当三相输出电流正常时，电流检测信号Ufdb小于基准值Uref，电压比较器A2输出低电平给逻辑处理电路。当三相输出电流达到用户设定的过流故障阈值时，电流检测信号Ufdb大于基准值Uref，电压比较器A2输出经电阻R7上拉的高电平给逻辑处理电路，表示发生过流故障。[0037]未发生过流故障时，输入到逻辑处理电路或非门U1的故障判断信号和逆变器控制器发出的输入到或非门U3的故障清除信号ERROR_clr同为低电平，两者使得由或非门U1和或非门U3组成的RS触发器保持在系统正常工作时设定的或非门U1输出高电平，或非门U3输出低电平的状态，即正常时故障反馈信号为高电平，PWM封锁信号为低电平。为降低电路能耗，设定输出电流正常时光耦为关断状态，同时输入到逆变器控制器的故障反馈信号为低电平。为实现该设定，电路中或非门U1输出的高电平故障反馈信号送入或非门U2后进行反相处理，使得经或非门U2输出的故障反馈信号转变为低电平。该低电平使得光耦U4处于关断状态，光耦U4输出给逆变器控制器的故障反馈信号ERROR_fdb被电阻R9拉至地，即输入到逆变器控制器的故障反馈信号ERROR_fdb为低电平，软件保护不动作。或非门U3输出的低电平PWM封锁信号经电阻R10送入PWM信号封锁电路，该低电平使得六路PWM信号封锁电路的MOS管均处于关断状态，不影响六路PWM输入信号(PWM1I、PWM2I、PWM3I、PWM4I、PWM5I、PWM6I)的输出状态。[0038]当过流故障发生时，输入到逻辑处理电路或非门U1的故障判断信号由低电平变为高电平，输入到或非门U3的故障清除信号ERROR_clr仍为低电平，两者经过或非门U1和或非门U3组成的RS触发器处理后使得或非门U1输出的故障反馈信号变为低电平，使得或非门U3输出的PWM封锁信号为变高电平。U1输出的低电平故障反馈信号经或非门U2反相后转变为高电平，触发光耦U4导通，反馈给逆变器控制器的故障反馈信号ERROR_fdb被拉至高电平VDD，触发控制器内部软件保护动作。或非门U3输出的高电平PWM封锁信号经电阻R10送入

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PWM信号封锁电路，该高电平触发六路PWM信号封锁电路的MOS管导通，使得六路PWM输入信号(PWM1I、PWM2I、PWM3I、PWM4I、PWM5I、PWM6I)均被拉至地，即六路PWM输出信号(PWM1O、PWM2O、PWM3O、PWM4O、PWM5O、PWM6O)全部变为低电平，实现了六路PWM信号的封锁。[0039]当过流故障清除后，电压比较器A2输出的故障判断结果由故障时的高电平转变为低电平输入到或非门U1，逆变器控制器发出一个高电平故障清除信号ERROR_clr到或非门U3,两者经过或非门U1和或非门U3组成的RS触发器处理后使得或非门U1输出的故障反馈信号变为高电平，使得或非门U3输出的PWM封锁信号变为低电平，即RS触发器输出故障反馈信号和PWM封锁信号均恢复到正常工作时候的电平状态。故障反馈信号经或非门U2反相后转变成低电平，控制光耦U4关断，输入到逆变器控制器的故障反馈信号ERROR_fdb由高电平转变为低电平，即故障反馈信号被清除。输入到六路PWM信号封锁电路的PWM封锁信号由高电平转变为低电平，六路PWM封锁电路中的MOS管被关断，六路PWM输入信号(PWM1I、PWM2I、PWM3I、PWM4I、PWM5I、PWM6I)被解除封锁，六路PWM输出信号(PWM1O、PWM2O、PWM3O、PWM4O、PWM5O、PWM6O)输出正常PWM信号。[0040]因此，本三相逆变器输出过流保护电路，能迅速有效进行三相逆变器输出过流保护，同时具有故障信号反馈及故障清除功能。[0041]实施例2[0042]在实施例1基础上，本实施例2提供了一种三相逆变系统。[0043]所述三相逆变系统包括：PWM信号封锁电路和逆变器控制器，以及如实施例1所述的三相逆变器输出过流保护电路。[0044]所述三相逆变系统为三相两电平逆变系统，以及所述PWM信号封锁电路为六路PWM封锁电路。[0045]因此，三相逆变器输出过流保护电路具有软硬件双重冗余保护，保护迅速，性能可靠，同时结构简单，使用常用电子元器件，成本低，能广泛用于三相逆变系统的输出过流保护。[0046]以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

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