直流供电大功率逆变器的软启动电路的制作方法

本实用新型涉及一种电力电子技术，特别涉及一种直流供电大功率逆变器的软启动电路。

背景技术：

为了保证大功率逆变器输入端直流供电的平稳性，通常在大功率逆变电源输入端并联一大容量的电解电容（通常称为母线电容）来滤除低频噪声。大功率逆变电源硬启动时，母线电容与输入直流电源有较大的压差，将产生较大的冲击电流。常规限流方案下采用接触器配合功率电阻进行软启动，功率电阻限制冲击电流，待母线电容电压与输入直流电源电压接近时闭合接触器将功率电阻旁路，完成软启动。常规方案的功率电阻和接触器体积大，不利于提高变换器功率密度，且启动时间较长（通常为0.5s-10s）,不适用于要求启动时间为毫秒的工作场合。

技术实现要素：

本实用新型是针对常规软启动方案存在的问题，提出了一种直流供电大功率逆变器的软启动电路，为抑制大功率逆变器启动冲击电流而改进的软启动方案。

本实用新型的技术方案为：一种直流供电大功率逆变器的软启动电路，包括限流电路、输入电流采样电路及限流控制电路；母线电容C₀并联在逆变器输入两端，限流电路串接于输入直流电源正极与母线电容C₀正极之间，输入电流采样电路采集逆变器的输入电流，即限流电路输出电流，逆变器的输入电流作为反馈信号送至限流控制电路；

所述的限流电路由绝缘栅双极性型晶体管V1，第一电阻R1，第二电阻R2和第一电容C1构成；第一电阻R1并联在绝缘栅双极性型晶体管V1的集电极和发射极两端；第二电阻R2和第一电容C1并联，接于绝缘栅双极性型晶体管V1的基极和源极之间；

限流控制电路闭环调节限流电路中绝缘栅双极性型晶体管V1的驱动电平，抑制启动时的冲击电流。

所述限流控制电路包含PI调节电路，保护逻辑电路及隔离放大电路；输入电流采样电路采集逆变器的输入电流与限流参考值信号I_ref输入到PI调节电路，启动/关机/保护信号送保护逻辑电路，PI调节电路输出调节电压信号和保护逻辑电路输出的箝位信号送入隔离放大电路，隔离放大电路输出信号到限流电路中的绝缘栅双极性型晶体管V1控制端。

所述PI调节电路包含第一运算放大器N1，第二运算放大器N2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第十电阻R10，第二电容C2，第一稳压管D1和第二稳压管D2；

第三电阻R3一端接作为反馈信号的输入电流，另一端接第一运算放大器N1的反相输入端；第四电阻R4一端接限流参考值信号I_ref，另一端接第一运算放大器N1的反向输入端；第一运算放大器N1的同相输入端接控制参考地；第五电阻R5和第二电容C2串联后跨接于运算放大器N1的反相输入端和输出端之间；第一稳压管D1阳极接运算放大器N1输出端，第一稳压管D1阴极与第二稳压管D2阴极相连，第二稳压管D2阳极接运算放大器N1的反相输入端；第一运算放大器N1的输出端通过第六电阻R6接第二运算放大器N2的同相输入端；第二运算放大器N2的反相输入端与输出端相连，第二运算放大器N2输出端通过第十电阻R10接到隔离放大电路113中的隔离运算放大器N3的输入端。

所述保护逻辑电路包含第二场效应管V2，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9和第三二极管D3；

启动/关机/保护信号通过第七电阻R7接至第二场效应管V2的基极；第八电阻R8接于第二场效应管V2的基极与源极之间；第二场效应管V2的源极接负电源V_EE；第九电阻R9一端接第二场效应管V2的漏极，另一端接第三二极管D3的阴极；第三二极管D3的阳极接至隔离放大电路中的隔离运算放大器N3的输入端。

所述隔离放大电路包含隔离运算放大器N3、第四运算放大器N4、第五运算放大器N5、第十一电阻R11和第十二电阻R12；

隔离运算放大器N3原边参考地接控制地，副边参考地接绝缘栅双极性型晶体管V1的源极；第十一电阻R11一端接隔离运算放大器N3的输出端，另一端接第四运算放大器N4的同相输入端，第十二电阻R12一端接隔离运算放大器N3的输出端，另一端接第五运算放大器N5的同相输入端；第四运算放大器N4和第五运算放大器N5各自的反相输入端都与其各自的输出端相连，两者的输出端连接后接至限流电路中绝缘栅双极性型晶体管V1的门极。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型直流供电大功率逆变器的软启动电路，可自动调节绝缘栅双极性型晶体管导通电阻来限制冲击电流，第一电阻R1分担部分启动电流，降低绝缘栅双极性型晶体管的瞬时功耗，省去常规方式下的软启动电阻和接触器，具有结构简单，软启电流可控，软启速度快，控制策略简单，可靠性高的优点。

附图说明

图1为本实用新型直流供电大功率逆变器软启动电路框图；

图2为本实用新型限流控制电路示意图；

图3为本实用新型软启动仿真波形图。

具体实施方式

如图1所示直流供电大功率逆变器软启动电路框图，软启电路包括限流电路101、输入电流采样电路及限流控制电路102。母线电容C₀并联在逆变器输入两端，限流电路101串接于输入直流电源正极与母线电容C₀正极之间，输入电流采样电路采集逆变器的输入电流，即限流电路101输出电流，将逆变器的输入电流作为反馈信号，送至限流控制电路102，限流控制电路102闭环调节限流电路101中绝缘栅双极性型晶体管V1的驱动电平，继而调节绝缘栅双极性型晶体管V1的导通电阻来抑制启动时的冲击电流。

所述的限流电路101由绝缘栅双极性型晶体管V1，第一电阻R1，第二电阻R2和第一电容C1构成。第一电阻R1并联在绝缘栅双极性型晶体管V1的集电极和发射极两端，分担部分启动电流，降低绝缘栅双极性型晶体管的瞬时功耗，使绝缘栅双极性型晶体管工作在安全工作区内，避免瞬时过热而损坏；第二电阻R2和第一电容C1并联，接于绝缘栅双极性型晶体管V1的基极和源极之间，起到增强绝缘栅双极性型晶体管密勒效应，防止驱动电压震荡的作用。

如图2所示限流控制电路示意图，限流控制电路包含PI调节电路111，保护逻辑电路112及隔离放大电路113。

PI调节电路111包含第一运算放大器N1，第二运算放大器N2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第十电阻R10，第二电容C2，第一稳压管D1和第二稳压管D2。第三电阻R3一端接作为反馈信号的输入电流，另一端接第一运算放大器N1的反相输入端；第四电阻R4一端接限流参考值信号I_ref，另一端接第一运算放大器N1的反向输入端；第一运算放大器N1的同相输入端接控制参考地；第五电阻R5和第二电容C2串联后跨接于运算放大器N1的反相输入端和输出端之间；第一稳压管D1阳极接运算放大器N1输出端，第一稳压管D1阴极与第二稳压管D2阴极相连，第二稳压管D2阳极接运算放大器N1的反相输入端；第一运算放大器N1的输出端通过第六电阻R6接第二运算放大器N2的同相输入端；第二运算放大器N2的反相输入端与输出端相连，第二运算放大器N2输出端通过第十电阻R10接到隔离放大电路113中的隔离运算放大器N3的输入端。

保护逻辑电路112包含第二场效应管V2，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9和第三二极管D3。

启动/关机/保护信号通过第七电阻R7接至第二场效应管V2的基极；第八电阻R8接于第二场效应管V2的基极与源极之间；第二场效应管V2的源极接负电源V_EE；第九电阻R9一端接第二场效应管V2的漏极，另一端接第三二极管D3的阴极；第三二极管D3的阳极接至隔离放大电路113中的隔离运算放大器N3的输入端。

隔离放大电路113包含隔离运算放大器N3(第三运算放大器)、第四运算放大器N4、第五运算放大器N5、第十一电阻R11和第十二电阻R12。隔离运算放大器N3原边参考地接控制地，副边参考地接绝缘栅双极性型晶体管V1的源极；第十一电阻R11一端接隔离运算放大器N3的输出端，另一端接第四运算放大器N4的同相输入端，第十二电阻R12一端接隔离运算放大器N3的输出端，另一端接第五运算放大器N5的同相输入端；第四运算放大器N4和第五运算放大器N5各自的反相输入端都与其各自的输出端相连，两者的输出端连接后接至限流电路101中绝缘栅双极性型晶体管V1的门极。

本实用新型采用绝缘栅双极性型晶体管V1自身的可变电阻区特性来抑制冲击电流。绝缘栅双极性型晶体管可变电阻区特性描述为，当所给驱动电压达到绝缘栅双极性型晶体管开启门限电压而未达到饱和导通所需电压值时，绝缘栅双极性型晶体管的导通电阻随驱动电压值近似线性变化，因此本实用新型根据流过绝缘栅双极性型晶体管的电流来闭环控制绝缘栅双极性型晶体管V1的驱动电压幅值，从而调节绝缘栅双极性型晶体管V1的导通电阻，进而抑制流过绝缘栅双极性型晶体管V1的冲击电流，当母线电容C₀充电完毕后，绝缘栅双极性型晶体管V1驱动电压幅值自动调节至最大值，绝缘栅双极性型晶体管V1饱和导通。

为了提供绝缘栅双极性型晶体管V1的饱和导通电压，所述限流控制电流102中所有运算放大器均采用正负15V供电。

所述PI调节电路111中，第一运算放大器N1，第五电阻R5和第二电容C2构成PI调节器，N1根据反馈电流值自动调节输出电压，第一稳压管D1和第二稳压管D2对驱动电压进行限幅，第一稳压管D1稳压值为15V，第二稳压管D2稳压值为5V，第二运算放大器N2起电压跟随器作用。

隔离放大电路113中，第三运算放大器N3起隔离作用，第四运算放大器N4和第五运算放大器N5起电压跟随器作用，同时提高带载能力，增强驱动能力。

保护逻辑电路112中，开机指令为低电平有效，通过控制第二场效应管V2和第三二极管D3的通断来实现关机或保护时对第三运算放大器N3输入电压的负电压箝位。第二场效应管V2源极所接V_EE为-15V，因此无论第二运算放大器N2输出电压为何值，一旦V2导通必然能使第三二极管D3导通，将第三运算放大器N3输入箝位至负压值。

下面结合说明书附图给出本实用新型的具体实现流程。

开机前输入电流采样值为零，第一运算放大器N1负饱和输出至-5V，第二运算放大器N2同样输出-5V。此时第七电阻R7所接高电平，第二场效应管V2开通，隔离运算放大器N3输入端箝位至负压值，第四运算放大器N4和第五运算放大器N5跟随输出负压值，将绝缘栅双极性型晶体管V1关断。

收到开机指令时，第二场效应管V2关断，第三二极管D3截止，保护逻辑电路112不起作用。

收到开机指令后，PI调节器开始工作，第一运算放大器N1迅速退出饱和，根据电流采样反馈值和限流给定值I_ref的差值迅速调节输出电压，当电流采样反馈值与限流给定值相等时，第一运算放大器N1维持在一固定值不变，即绝缘栅双极性型晶体管V1的驱动电压维持一固定值不变，母线电容C₀以限流值恒流充电。第一电阻R1与绝缘栅双极性型晶体管V1的导通电阻并联分配充电电流，缩短启动时间，降低绝缘栅双极性型晶体管V1的损耗，避免绝缘栅双极性型晶体管V1因短时过热而损坏。

正常工作时，母线电容C₀已充满电，电流采样反馈值小于限流给定值I_ref，第一运算放大器N1进入正饱和状态，输出+15V电压，将绝缘栅双极性型晶体管V1饱和导通。绝缘栅双极性型晶体管V1饱和导通时，导通电阻与第一电阻相比可以忽略不计，因此工作电流绝大部分通过绝缘栅双极性型晶体管V1为大功率逆变电源供电，第一电阻R1的损耗可以忽略不计。

发生保护或收到关机指令时，第二场效应管V2和第三二极管D3导通，绝缘栅双极性型晶体管V1的驱动电压箝位至负电压，将V1关断。

如图3所示软启动仿真波形图，启动过程中的限流波形，冲击电流能被有效抑制，启动时间短。