一種采用隔離變壓器柵驅(qū)動(dòng)的移相全橋變換器的故障保護(hù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用隔離變壓器柵驅(qū)動(dòng)的移相全橋變換器的故障保護(hù)方法,可適用于大功率的應(yīng)用場(chǎng)合,提高開關(guān)管使用壽命的同時(shí)又增加了變換器的可靠性。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來,大功率開關(guān)變換器的需求越來越強(qiáng)烈,而擁有更高輸出功率的橋式變換器常常被應(yīng)用于大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。更高的輸出功率一方面縮短了充電時(shí)間,另一方面,也對(duì)變換器的可靠性提出了更高的要求。例如,對(duì)于任何橋式變換器,在長(zhǎng)期的使用過程當(dāng)中都有可能發(fā)生故障,如輸出出現(xiàn)開路或者短路的情況。在故障發(fā)生之后,如何立刻進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作以避免系統(tǒng)進(jìn)一步損壞是一個(gè)必須要考慮的問題。
[0003]一般來說,故障之后的保護(hù)需要斷開輸入與輸出之間的連接,其中,最好的方法就是關(guān)閉開關(guān)管。對(duì)于采用隔離變壓器的柵驅(qū)動(dòng)而言,由于柵極隔直電容的電壓不能立刻降為零,同一橋臂上下兩只開關(guān)管會(huì)出現(xiàn)短暫直通,傳統(tǒng)的直接關(guān)閉開關(guān)管的故障保護(hù)方法缺乏對(duì)這個(gè)問題的考慮,若依舊采用此種方法,會(huì)大大縮短開關(guān)管的使用壽命。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有采用隔離變壓器柵驅(qū)動(dòng)的移相全橋變換器在故障保護(hù)時(shí)存在的問題,提供一種新型的故障保護(hù)方法。
[0005]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的,采用如下技術(shù)方案:一種采用隔離變壓器柵驅(qū)動(dòng)的移相全橋變換器的故障保護(hù)方法,隔離變壓器柵驅(qū)動(dòng)的移相全橋變換器包括移相全橋變換器主電路、輸入繼電器及其控制電路、微處理器、柵驅(qū)動(dòng)電路以及柵驅(qū)動(dòng)供電電壓采樣電路,移相全橋變換器主電路包括超前和滯后兩個(gè)橋臂、主變壓器?;、輸出濾波電路、負(fù)載以及輸出電壓采樣電路、輸出電流采樣電路和水泥電阻,超前橋臂包括上開關(guān)管Q3和下開關(guān)管Q1,滯后橋臂包括上開關(guān)管Q4和下開關(guān)管Q2;微處理器通過其內(nèi)部的通用輸入輸出接口 GP1與輸入繼電器控制電路連接,微處理器通過其內(nèi)部的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊ADC分別與輸出電壓采樣電路、輸出電流采樣電路和柵驅(qū)動(dòng)供電電壓采樣電路連接,輸出電壓采樣電路串聯(lián)在輸出正極和地之間,輸出電流采樣電路串聯(lián)在負(fù)載和地之間,柵驅(qū)動(dòng)供電電壓采樣電路串聯(lián)在VDD和地之間;微處理器通過其內(nèi)部的高級(jí)定時(shí)器HMERl和HMER2產(chǎn)生四個(gè)開關(guān)管的柵驅(qū)動(dòng)信號(hào),通過編程使HMER1產(chǎn)生兩路始終互補(bǔ)的柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別通過各自柵驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)92和Q4,TIMER2產(chǎn)生兩路始終互補(bǔ)的柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別通過各自柵驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)Q1和Q3;四個(gè)柵驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)相同,其輸出分別通過各自驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)設(shè)的柵驅(qū)動(dòng)變壓器的一端和隔直電容連接到四個(gè)開關(guān)管(^-04的柵極,四個(gè)開關(guān)管Q ^(^的源極分別連接各自柵驅(qū)動(dòng)變壓器的另一端;輸入繼電器與水泥電阻并聯(lián);開機(jī)時(shí),輸入繼電器斷開,水泥電阻接入在變換器的主回路中,用于減小變換器開機(jī)時(shí)的浪涌電流;開機(jī)完成之后,微處理器輸出通過輸入繼電器控制電路控制輸入繼電器開啟,水泥電阻被輸入繼電器短路,不再接入主回路,以防止水泥電阻在變換器正常工作時(shí)繼續(xù)消耗能量;
[0006]其特征在于:實(shí)時(shí)讀取移相全橋變換器的輸出電壓、輸出電流和柵驅(qū)動(dòng)供電電壓數(shù)據(jù),并將讀取的上述三種數(shù)據(jù)分別與各自的整定值比較,整定值即根據(jù)橋式變換器實(shí)際工作環(huán)境,為保證變換器穩(wěn)定可靠運(yùn)行而人為設(shè)定并寫入微處理器的輸出電壓上限值、輸出電流上限值和柵驅(qū)動(dòng)供電電壓上、下限值,只要上述三種數(shù)據(jù)中的任何一種超出其整定值范圍,就觸發(fā)保護(hù),按以下四個(gè)步驟實(shí)施保護(hù):
[0007]步驟1,切斷電源輸入,由微處理器通過GP1接口輸出低電平,通過輸入繼電器控制電路將輸入繼電器斷開,將原本被短路的水泥電阻又重新接回到主回路中,以便在后續(xù)步驟中利用這個(gè)水泥電阻代替開關(guān)管承擔(dān)短暫直通時(shí)的功率;
[0008]步驟2,輸出空占空比,由微處理器調(diào)整TMER2產(chǎn)生的兩路柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)相對(duì)TIMERl產(chǎn)生的兩路柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相移,使兩個(gè)橋臂中互為斜對(duì)角的兩只開關(guān)管(^與Q4,QgQ3同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間為零,即輸出空占空比,保證在保護(hù)被觸發(fā)之后立即停止向輸出傳遞能量,以防電路中的故障進(jìn)一步擴(kuò)大;
[0009]步驟3,輸出最小占空比,在維持空占空比15ms至25ms之后,由微處理器調(diào)整HMER2產(chǎn)生的兩路柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)相對(duì)HMERl產(chǎn)生的兩路柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相移,使兩個(gè)橋臂中互為斜對(duì)角的兩只開關(guān)管(^與Q 4,仏與Q 3同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間為最小值,即輸出最小占空比,以釋放25%至35%母線電容Cin當(dāng)中的能量,進(jìn)一步減小開關(guān)管在其驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉之后所需短暫承受的功率;
[0010]步驟4,關(guān)閉柵驅(qū)動(dòng)信號(hào),由微處理器和水泥電阻共同完成,以徹底斷開輸入與輸出之間的連接;由微處理器同時(shí)將所有四路柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)置零,此時(shí)由于柵極隔直電容的存在,所有開關(guān)管的柵源之間都短暫存在著幅值等于VDD —半的電壓值,同一橋臂的上下兩管%和Q3、92和94短暫直通,但由于在步驟I中水泥電阻已經(jīng)接入,且導(dǎo)通時(shí)的開關(guān)管等效電阻非常小,此時(shí)的全部輸入功率和母線電容Cin中的能量都將加在水泥電阻上,并由水泥電阻將這些功率和能量以熱能的形式消耗,待開關(guān)管柵源之間的電壓降為零之后,開關(guān)管徹底關(guān)閉,輸入和輸出就徹底斷開,保護(hù)動(dòng)作完成。
[0011]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及顯著效果:
[0012]I)無需增加任何硬件電路,成本低;
[0013]2)所有保護(hù)動(dòng)作只需在控制方式上做相應(yīng)處理即可,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單;
[0014]3)通過輸出空占空比的方式迅速斷開輸入與輸出的連接,響應(yīng)速度快;
[0015]4)適用于各種類型的保護(hù),如輸出電壓過壓保護(hù)、輸出電流過流保護(hù)和柵驅(qū)動(dòng)過壓、欠壓保護(hù)等各類保護(hù),應(yīng)用方便;
[0016]5)有效延長(zhǎng)開關(guān)管的使用壽命,提高橋式變換器的可靠性和穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)流程圖;
[0018]圖2是本發(fā)明保護(hù)的電路原理圖;
[0019]圖3是采用傳統(tǒng)保護(hù)方法的樣機(jī)實(shí)測(cè)示波器波形圖;
[0020]圖4是采用本發(fā)明保護(hù)方法的樣機(jī)實(shí)測(cè)示波器波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0022]圖2是公知的采用隔離變壓器柵驅(qū)動(dòng)的移相全橋變換器的基本電路原理圖,包括移相全橋變換器主電路(含QjP Q 3構(gòu)成的超前橋臂、Q 2和Q 4構(gòu)成的滯后橋臂,主變壓器?;、輸出濾波電路、負(fù)載以及輸出電壓采樣電路、輸出電流采樣電路和水泥電阻)、輸入繼電器控制電路(含輸入繼電器)、微處理器、柵驅(qū)動(dòng)電路(圖示中以Q2的柵驅(qū)動(dòng)電路為例,以下也以Q2的柵驅(qū)動(dòng)電路為例說明,其包括兩只三極管05和Q 6、柵驅(qū)動(dòng)變壓器Tn、電阻Rp隔直電容Cp C2。Q1' Q3、Q4的柵驅(qū)動(dòng)電路以及柵驅(qū)動(dòng)電路與各自開關(guān)管的連接方式與Q 2的都一樣,而且四只開關(guān)管都是N溝道增強(qiáng)型MOS管)、柵驅(qū)動(dòng)供電電壓采樣電路(包括分壓電阻R5、R6)。微處理器通過其內(nèi)部的GP1(通用輸入輸出)接口與輸入繼電器控制電路連接,并通過其內(nèi)部的ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換)模塊與輸出電壓采樣電路、輸出電流采樣電路和柵驅(qū)動(dòng)供電電壓采樣電路連接,再通過其內(nèi)部的高級(jí)定時(shí)器HMERl和HMER2與四只開關(guān)管的柵驅(qū)動(dòng)電路連接。輸入繼電器控制電路中的輸入繼電器與移相全橋變換器主電路中的水泥電阻并聯(lián),水泥電阻原本接入在變換器的主回路當(dāng)中,用于減小變換器開機(jī)時(shí)的浪涌電流,在變換器開機(jī)完成之后,需由微處理器控制輸入繼電器開啟,此后水泥電阻就被輸入繼電器短路而不再接入主回路,目的是為了防止水泥電阻在變換器正常工作時(shí)繼續(xù)消耗能量。四只開關(guān)管的柵驅(qū)動(dòng)電路分別直接串聯(lián)至各自所驅(qū)動(dòng)的開關(guān)管。輸出電壓采樣電路串聯(lián)在輸出正極和地之間,輸出電流采樣電路串聯(lián)在負(fù)載和地之間,柵驅(qū)動(dòng)供電電壓采樣電路串聯(lián)在VDD和地之間。另外,柵驅(qū)動(dòng)電路與開關(guān)管的具體連接方式以02的柵驅(qū)動(dòng)電路為例:開關(guān)管的柵極經(jīng)過隔直電容C2與柵驅(qū)動(dòng)變壓器Tri的一端相連,開關(guān)管的源極則與柵驅(qū)動(dòng)變壓器1^的另一端相連。驅(qū)動(dòng)電路中Q5和Q6組成的推挽放大電路的作用在于放大驅(qū)動(dòng)電流,R1的作用在于進(jìn)一步控制驅(qū)動(dòng)電流的大小,C1XjP I1的作用在于提供電氣隔離并將柵驅(qū)動(dòng)供電電壓VDD幅值不變的傳遞到開關(guān)管Q2的柵源之間。當(dāng)柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí),Q5導(dǎo)通,開關(guān)管Q2柵源之間的電壓為VDD,開關(guān)管Q2開通;當(dāng)柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí),Q6^通,開關(guān)管Q2柵源之間的電壓為0,開關(guān)管Q2關(guān)斷,故監(jiān)測(cè)柵驅(qū)動(dòng)供電電壓可以有效反應(yīng)開關(guān)管Q2柵源之間電壓的是否正常。
[0023]四只開關(guān)管Q1-Q4的柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)由微處理器內(nèi)部的兩個(gè)高級(jí)定時(shí)器HMERl和TIMER2產(chǎn)生,通過編程使其中的HMERl產(chǎn)生兩路始終互補(bǔ)的柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)02和Q4,TIMER2再產(chǎn)生兩路始終互補(bǔ)的柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)QjP Q 3。系統(tǒng)工作時(shí),由HMERl產(chǎn)生的兩路柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位保持不變,微處理器通過調(diào)整由HMER2產(chǎn)生的兩路柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)相對(duì)由HMERl產(chǎn)生的兩路柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相移,來控制斜對(duì)角的兩只開關(guān)管浼和Q4、92和Q3)同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間,繼而控制移相全橋變換器的占空比。
[0024]由于柵驅(qū)動(dòng)電路中柵極隔直電容C2的存在,在微