专利名称：桥式逆变器脉冲互锁接口单元的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电カ电子技术，更具体地，是ー种可运用在桥式逆变器电路中的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元。
背景技术：
逆变器是一种通过半导体功率器件的开关作用，把直流电转变成交流电的变换装置，可提供功率和频率可调的交流电源，广泛应用在变频调速、开关电源、感应加热、电磁搅拌、UPS不间断电源等设备上。エ业上目前最常用的是三相桥式逆变器，如图I所示，是现有的ー种三相桥式逆变器的电路原理图，如图所示，逆变器主回路包括三块相同的逆变桥臂10、20和30，分别作 为U相逆变桥臂、V相逆变桥臂以及W相逆变桥臂。每ー块桥臂的上、下臂上均有一个功率开关模块(如图I中的Tl T6)。上下臂上的功率开关模块是通过加到开关模块栅极的脉冲来控制它的开通和关断。对于桥式逆变器来说，同一相桥臂的上、下臂开关模块不可以同时处于开通状态，否则会引起电源直流母线的直通短路，造成主回路功率开关模块瞬间击穿损坏。现有的逆变器栅极脉冲电路主要由脉冲调制板和驱动板组成，其连接关系见附图I。脉冲调制板将设定的正弦电流基波同反馈电流进行比较调节，经过板上的正弦波脉宽调制(SPWM)电路，产生三相逆变器各桥臂开关模块所需的开关控制脉冲，该脉冲经过光纤传输，送到各相桥臂开关模块的驱动板上；驱动板的作用是将输入的脉冲进行幅值和功率放大，然后加到各开关模块的栅极，最終驱动各开关模块按控制要求进行导通和关断。现有的逆变器一般采用在脉冲调制板上设置脉冲死区时间的方法来防止逆变器同一桥臂发生直通短路故障，其做法是在脉冲调制板上对发往同相桥臂的两路脉冲间加入延时电路，使同相桥臂中的一路脉冲关断后，另一路开通脉冲可以延时发出，以防止同一桥臂的上下开关模块同时导通。然而，在エ业现场逆变器的实际使用中发现，逆变器的桥臂直通短路事故仍然时有发生，并且随着设备使用时间的延长、器件的老化，这种桥臂直通、器件击穿的现象会越来越多，并且难以防范。由于功率开关模块价格不菲，毎年的故障维修费用损失达几十万元。经过研究和分析，认为现有的逆变器脉冲驱动电路中还存在着以下漏洞1，驱动板上缺少对输入脉冲干扰和误信号的抑制和防护。当发生以下3种情况吋，驱动板的输入脉冲信号会产生失真、变形、滞后、毛刺等异常现象(I)，脉冲调制板上元件故障老化，发生工作点漂移；(2)，传输光纤老化受损、光耦收发器件劣化；(3)，控制脉冲受到外部干扰。由于现有的驱动板上没有相应的限制和保护措施，经过放大后的异常脉冲会直接送到上下开关模块的栅扱，从而增加了逆变器在运行中发生桥臂直通短路故障和功率开关模块击穿损坏的机率。[0012]2)，驱动板上缺少对输入窄脉冲的限制和防护。现有的调制板在进行正弦波脉宽调制吋，会产生ー些窄脉冲，脉宽有时只有几个微秒，这些窄脉冲在现有的逆变器驱动板上是不加限制的。然而，经过研究发现，功率开关模块的有效开通和关断对栅极脉冲是有最小时间要求的，对于IGBT器件来说，一般是1-3 μ S，当功率开关模块出现老化，或者模块工作温度较高时，其开通和关断时间还会延长，此时驱动板输入端过窄的脉冲会对开关模块エ作的可靠性带来不利的影响，有可能造成模块导通或关断失效，导致输出电压波形畸变，或在模块尚未完全导通的时刻进行关断动作而造成模块开关失效，这对于吸收电路的有效作用是不利的，有时候会因缓冲能量得不到有效释放而导致开关模块的过电压击穿损坏，从而造成逆变器桥臂故障和模块损坏机率的上升。
实用新型内容本实用新型的目的，在于解决现有的桥式逆变器的上述不足，从而提供了ー种可用于桥式逆变器的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元。本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元包括 第一脉冲输入电路、与该第一脉冲输入电路的输出端相连接的第一最小脉宽限制电路以及与该第一最小脉宽限制电路的输出端相连接的第一脉冲互锁电路，其中，该第一最小脉宽限制电路的输出端连接到该第一脉冲互锁电路的第一输入端；第二脉冲输入电路、与该第二脉冲输入电路的输出端相连接的第二最小脉宽限制电路以及与该第二最小脉宽限制电路的输出端相连接的第二脉冲互锁电路，其中，该第二最小脉宽限制电路的输出端连接到该第二脉冲互锁电路的第一输入端；第一最小脉冲死区电路，该第一最小脉冲死区电路的输入端与该第一最小脉宽限制电路的输出端相连接，该第一最小脉冲死区电路的输出端与该第二脉冲互锁电路的第二输入端相连接；第二最小脉冲死区电路，该第二最小脉冲死区电路的输入端与该第二最小脉宽限制电路的输出端相连接，该第二最小脉冲死区电路的输出端与该第一脉冲互锁电路的第二输入端相连接；并且，该第一最小脉宽限制电路的输出端与该第二脉冲互锁电路的第三输入端相连接，该第二最小脉宽限制电路的输出端与该第一脉冲互锁电路的第三输入端相连接。优选地，所述第一脉冲输入电路与第二脉冲输入电路的结构相同，并且所述第一脉冲输入电路包括ー个2521型脉冲输入模块以及用于反相的三极管电路。优选地，所述第一最小脉宽限制电路与所述第二最小脉宽限制电路的结构相同，并且所述第一最小脉宽限制电路包括ー个4098型单稳模块、用于该4098型单稳模块的脉宽时间的RC电路以及与该4098型单稳模块的输出端相连接的或门模块。优选地，所述第一最小脉冲死区电路与所述第二最小脉冲死区电路的结构相同，并且，所述第一最小脉冲死区电路包括ー个RC电路。优选地，所述第一脉冲互锁电路与所述第二脉冲互锁电路的结构相同，并且，所述第一脉冲互锁电路包括一个或非门模块以及ー个与该或非门模块相连接的与门模块。本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元，组成简单、运行可靠，提高了桥式逆变器的工作稳定性和可靠性，延长了逆变器的使用寿命，从而降低了因设备故障而产生的维修成本。
图I为现有的桥式逆变器脉冲逆变电路的结构示意图；图2为本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元的模块示意图；图3为本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元用于桥式逆变器脉冲逆变电路的应用不意图；图4为本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元中第一脉冲输入电路的电路原理图；图5为本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元中第一最小脉宽限制电路的 电路原理图；图6为本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元中第一脉冲死区电路的电路原理图；图7为本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元中第一脉冲互锁电路的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元的组成和工作原理进行详细说明。如图2所示，为本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元100的模块示意图。具体地，本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元100包括第一脉冲输入电路110、与该第一脉冲输入电路110的输出端相连接的第一最小脉宽限制电路130以及与该第一最小脉宽限制电路130的输出端相连接的第一脉冲互锁电路170，其中，该第一最小脉宽限制电路130的输出端连接到该第一脉冲互锁电路170的第一输入端171 ;第二脉冲输入电路120、与该第二脉冲输入电路120的输出端相连接的第二最小脉宽限制电路140以及与该第二最小脉宽限制电路140的输出端相连接的第二脉冲互锁电路180，其中，该第二最小脉宽限制电路140的输出端连接到该第二脉冲互锁电路180的第一输入端181 ；第一最小脉冲死区电路150,该第一最小脉冲死区电路150的输入端与该第一最小脉宽限制电路130的输出端相连接，该第一最小脉冲死区电路150的输出端与该第二脉冲互锁电路180的第二输入端182相连接；第二最小脉冲死区电路160，该第二最小脉冲死区电路160的输入端与该第二最小脉宽限制电路130的输出端相连接，该第二最小脉冲死区电路160的输出端与该第一脉冲互锁电路170的第二输入端172相连接；并且，进ー步地，该第一最小脉宽限制电路130的输出端与该第二脉冲互锁电路180的第三输入端183相连接，该第二最小脉宽限制电路140的输出端与该第一脉冲互锁电路170的第三输入端173相连接。如图所示，对于三相中的某ー相而言，两个桥臂的输入脉冲，即来自脉冲调制板400 (参考图3)的输入脉冲A和输入脉冲B分别输入到本实用新型的第一脉冲输入电路110和第二脉冲输入电路120中，并,第一脉冲输入电路110和第二脉冲输入电路120的结构相同，分别用于接收两路脉冲，完成脉冲的光电转换；第一最小脉宽限制电路130与第二最小脉宽电路140的结构相同，分别用于对脉冲进行最小脉宽限制，以增强桥臂开关模块导通和关断的可靠性；第一最小脉冲死区电路150与第二最小脉冲死区电路160的结构相同，分别用于对脉冲进行最小脉冲死区限制，以进ー步增强桥臂直通防护的可靠性；第一脉冲互锁电路170和第二脉冲互锁电路180用于对脉冲建立互锁，以防止上下开关模块同时开通的可能性，最后，两个脉冲互锁模块170、180分别输出输出脉冲A和输出脉冲B。另外，从输入输出电信号而言，第一脉冲输入电路110和第二脉冲输入电路120分别输出信号Ugl和Ug2 ;第二最小脉宽限制电路130和第二最小脉宽限制电路140分别输出信号Ug3和Ug4 ;第一最小脉冲死区电路150和第二最小脉冲死区电路160分别输出信号Ug5和Ug6。对应地,第一脉冲互锁电路170中，其第一输入端171的输入信号为Ug3,第二输入端172的输入信号为Ug6,第三输入端173的输入信号为Ug4 ;第二脉冲互锁电路180中，其第一输入端181的输入信号为Ug4,第二输入端182的输入信号为Ug5,第三输入端183的输入信号为Ug3。 结合图3，是本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元100用于桥式逆变器脉冲逆变电路的应用示意图。如图所示，在一相中，本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ电路100设置于驱动板200前端，并接收来自调制板400的两路脉冲，驱动板200进ー步连接常规的第一功率开关模块310和第二功率开关模块320。对于三相逆变器而言，其共有3个桥臂，每个桥臂对应ー相，所以，需要配置三块包括有本实用新型电路的接ロ电路板。接ロ电路板安装时可以紧贴驱动板安装，或者直接集成在驱动板上，以获得最佳的抗干扰性能。由于本实用新型的电路为上下对称结构，因此，以下仅通过对第一脉冲输入电路110、第一最小脉宽限制电路130、第一最小脉冲死区电路150和第一脉冲互锁电路170的具体的电路组成的描述，对本实用新型的具体实现进行更详细说明。如图4所示，是本实用新型一个实施方式中的第一脉冲输入电路110的电路原理图，结合图2,上桥臂驱动光纤将输入脉冲A输送给该电路,并输出信号Ugl。第一脉冲输入电路110包括ー个2521型脉冲输入模块SI以及用于反相的三极管电路。另外，第一脉冲输入电路110在脉冲输入模块SI前端设置有由电解电容E1、稳压管Zl和电容Cl组成的稳压模块，在脉冲输入模块SI的输出端，R2、R3、R4用于分压；三极管电路包括并联的两个ニ极管D1、D2、三极管T以及两个电阻R1、R5。由于经2521型脉冲输入模块SI转换后的脉冲同脉冲调制板的输出脉冲相位相反，因此，可利用三极管电路对脉冲进行反相，以获得同步的控制脉沖。当然，第一脉冲输入电路110和第二脉冲输入模块120也可以采用其他常用的脉冲输入电路结构。如图5所示，是本实用新型的一个实施方式中的第一最小脉宽限制电路130的电路原理图。第一最小脉宽限制电路130包括ー个4098型单稳模块U1、用于该4098型单稳模块Ul的脉宽时间的RC电路以及与该4098型单稳模块Ul的输出端相连接的或门模块。其中，RC电路包括一个电阻R6以及ー个电容C2，或门模块包括两个或门元件U2和U3，可采用4071型或门元件。单稳模块Ul可对脉冲进行最小脉宽限制，当单稳电路的输入端有脉冲输入吋，不管脉冲宽窄如何，输出端总会产生ー个固定脉宽的脉冲，这就是所设定的最小脉宽，其脉宽时间可以通过改变R6和C2的參数进行调整，该脉冲同控制脉冲一起，送到或门模块，当控制脉冲宽度大于最小脉宽时，或门模块的输出端产生同控制脉冲宽度一致的脉冲信号Ug3,当控制脉冲宽度小于最小脉宽时,或门模块的输出端则产生同最小脉宽ー致的脉冲信号Ug3，这样就实现了对脉冲的最小脉宽限制。如图6所示，是本实用新型的一个实施方式中的第一最小脉冲死区电路150的电路原理图。第一最小脉冲死区电路包括ー个RC电路。该RC电路由电阻R12和电容C3搭建构成。用于在ー组脉冲关断时，对另一组开通脉冲进行延时释放，以保证无论脉冲调制板发出的两路脉冲间有没有死区间隔，都能使上下两路脉冲在驱动端形成最小的死区间隔，从而增强了桥臂直通防护的效果，提高了系统保护的安全性。如图7所示，是本实用新型的一个实施方式中的第一脉冲互锁电路170的原理图。第一脉冲互锁电路170包括一个或非门模块以及ー个与该或非门模块相连接的与门模块。或非门模块包括U4、U5，与门模块包括U6、U7，并且后端接有分压电阻R7、R8。该电路中，第一最小脉宽限制电路130的输出脉冲Ug3(即上臂脉冲信号)连接入第一脉冲互锁电路170 的第一输入端，即与门模块U6、U7的输入端,而将第二最小脉冲死区电路160的输出信号Ug6和下臂输出信号Ug4分别连接入第一脉冲互锁电路170的第二输入端和第三输入端，即或非门U4、U5的输入端。这样，当发出上臂开通脉冲时，下臂的脉冲便无法输出，同样，当发出下臂开通脉冲后，上臂的脉冲就无法再输出。在极端情况下，若是上下臂的控制脉冲同时出现，该互锁电路可以同时封锁上下臂两路脉冲的输出，从而保证任何时候，同一桥臂的上下开关模块不会同时收到开通脉冲，从而保证了设备运行安全。该第一脉冲互锁电路170输出的输出脉冲A随后被输送到后接的驱动板。综上所述，本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接ロ単元，组成简单、运行可靠，可有效地防止控制脉冲异常所导致的逆变器中逆变桥臂主回路功率开关模块损坏的隐患，提高了桥式逆变器的工作稳定性和可靠性，延长了逆变器的使用寿命，从而降低了因设备故障而产生的维修成本。
权利要求1.一种桥式逆变器脉冲互锁接口单元，其特征在于，包括 第一脉冲输入电路、与该第一脉冲输入电路的输出端相连接的第一最小脉宽限制电路以及与该第一最小脉宽限制电路的输出端相连接的第一脉冲互锁电路，其中，该第一最小脉宽限制电路的输出端连接到该第一脉冲互锁电路的第一输入端； 第二脉冲输入电路、与该第二脉冲输入电路的输出端相连接的第二最小脉宽限制电路以及与该第二最小脉宽限制电路的输出端相连接的第二脉冲互锁电路，其中，该第二最小脉宽限制电路的输出端连接到该第二脉冲互锁电路的第一输入端； 第一最小脉冲死区电路，该第一最小脉冲死区电路的输入端与该第一最小脉宽限制电路的输出端相连接，该第一最小脉冲死区电路的输出端与该第二脉冲互锁电路的第二输入端相连接； 第二最小脉冲死区电路，该第二最小脉冲死区电路的输入端与该第二最小脉宽限制电路的输出端相连接，该第二最小脉冲死区电路的输出端与该第一脉冲互锁电路的第二输入端相连接； 并且，该第一最小脉宽限制电路的输出端与该第二脉冲互锁电路的第三输入端相连接，该第二最小脉宽限制电路的输出端与该第一脉冲互锁电路的第三输入端相连接。
2.根据权利要求I所述的桥式逆变器脉冲互锁接口单元，其特征在于，所述第一脉冲输入电路与第二脉冲输入电路的结构相同，并且所述第一脉冲输入电路包括一个2521型脉冲输入模块以及用于反相的三极管电路。
3.根据权利要求I所述的桥式逆变器脉冲互锁接口单元，其特征在于，所述第一最小脉宽限制电路与所述第二最小脉宽限制电路的结构相同，并且所述第一最小脉宽限制电路包括一个4098型单稳模块、用于该4098型单稳模块的脉宽时间的RC电路以及与该4098型单稳模块的输出端相连接的或门模块。
4.根据权利要求I所述的桥式逆变器脉冲互锁接口单元，其特征在于，所述第一最小脉冲死区电路与所述第二最小脉冲死区电路的结构相同，并且，所述第一最小脉冲死区电路包括一个RC电路。
5.根据权利要求I所述的桥式逆变器脉冲互锁接口单元，其特征在于，所述第一脉冲互锁电路与所述第二脉冲互锁电路的结构相同，并且，所述第一脉冲互锁电路包括一个或非门模块以及一个与该或非门模块相连接的与门模块。
专利摘要本实用新型公开了一种桥式逆变器脉冲互锁接口单元，包括第一脉冲输入电路、与该第一脉冲输入电路的输出端相连接的第一最小脉宽限制电路以及与该第一最小脉宽限制电路的输出端相连接的第一脉冲互锁电路；第二脉冲输入电路、与该第二脉冲输入电路的输出端相连接的第二最小脉宽限制电路以及与该第二最小脉宽限制电路的输出端相连接的第二脉冲互锁电路；还包括第一最小脉冲死区电路和第二最小脉冲死区电路。本实用新型的桥式逆变器脉冲互锁接口单元，组成简单、运行可靠，提高了桥式逆变器的工作稳定性和可靠性，延长了逆变器的使用寿命，从而降低了因设备故障而产生的维修成本。
文档编号H02M7/5387GK202652102SQ20122018786
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者金国平, 廖国斌, 周建平 申请人:宝山钢铁股份有限公司