一种功率变换器的桥臂短路保护电路的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种功率变换器的桥臂短路保护电路。


背景技术：

2.对于以半桥电路为基本单元的功率变换器来说，桥臂短路故障(如图1所示，半桥电路包括由上下两个开关管s1~s2组成的桥臂，当其中一个开关管开通时，另一个开关管若没有可靠关断，桥臂即发生短路，易导致两开关管损坏)是最为严重的一种过电流故障，因此为功率变换器配备桥臂短路保护电路就显得尤为重要。
3.传统的桥臂短路保护电路的工作原理是：实时检测桥臂中两开关管的导通压降，根据开关管的导通压降与阈值之间的大小关系判断桥臂是否发生了短路，若是，执行短路保护动作。
4.但是，传统的桥臂短路保护电路不能很好地适用于由短路耐量较低的开关管(例如宽禁带功率半导体器件)组成的桥臂，这是因为：如果该阈值设置的较小，会导致桥臂短路保护电路过于敏感，在实际应用中容易发生误保护；但如果为了避免误保护而将该阈值调大，又会导致桥臂短路故障不能被及时检测到，而短路耐量越低的开关管对桥臂短路故障检测及时性要求越苛刻。所以，对于由短路耐量较低的开关管组成的桥臂来说，该阈值难以取到合适值，桥臂短路故障检测的及时性和准确性难以兼顾。
5.另外，由于开关管的导通压降会随开关管工作结温的变化而变化，所以传统的桥臂短路保护电路还存在受开关管工作结温影响较大，导致短路保护点不稳定的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供一种功率变换器的桥臂短路保护电路，以实现对桥臂短路故障的快速、准确检测，且短路保护点稳定。
7.一种功率变换器的桥臂短路保护电路，所述功率变换器包括至少一个半桥电路，所述半桥电路的直流侧并联有电容c
dc
，所述桥臂短路保护电路包括：高通滤波器100、电压比较器200、状态锁存器300和控制单元400；所述高通滤波器100以所述电容c
dc
两端电压作为输入，所述高通滤波器100的输出端接入所述电压比较器200的一个输入端，所述电压比较器200的另一个输入端接收基准电压，所述电压比较器200的输出端经所述状态锁存器300接入所述控制单元400的短路保护触发端；所述控制单元400用于在短路保护触发端有效时，执行短路保护动作。
8.可选的，所述控制单元400的短路保护触发端为高电平有效或者为低电平有效。
9.可选的，所述状态锁存器300为d触发器。
10.可选的，当所述控制单元400的短路保护触发端为高电平有效时：所述d触发器的pre引脚和clr引脚接地，所述d触发器的clk引脚接所述电压比较器200的输出端，所述d触发器的d引脚接高电平，所述d触发器的q引脚接入所述控制单元
400的短路保护触发端。
11.可选的，所述高通滤波器100的输出端接入所述电压比较器200的同向输入端，所述电压比较器200的反向输入端接收基准电压。
12.可选的，所述高通滤波器100为二阶高通滤波器。
13.可选的，所述二阶高通滤波器包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一电容c1、第二电容c2和运放u1；第一电容c1的一端接所述电容c
dc
两端电压，另一端同时接第一电阻r1的一端和第二电容c2的一端，第一电阻r1的另一端接运放u1的输出端，第二电容c2的另一端接第二电阻r2的一端和运放u1的同相输入端，第二电阻r2的另一端接地，运放u1的反相输入端接第三电阻r3的一端，第三电阻r3的另一端接地，第四电阻r4连接在运放u1的同相输入端与运放u1的输出端之间。
14.可选的，所述桥臂短路保护电路还包括：连接在高通滤波器100的输出端与电压比较器200之间的反相器。
15.可选的，所述控制单元400在短路保护触发端有效时，通过硬关断或者多电平软关断方式切断短路电流。
16.可选的，所述电容c
dc
为一个独立的电容器，或者为多个电容器的串联、并联或串并联组合。
17.从上述的技术方案可以看出：在桥臂发生短路的瞬间，电容c
dc
两端电压会发生较大的跌落，由较高的直流信号变成较低的直流信号并叠加多种高频信号。基于此，本发明利用高通滤波器100提取该高频信号并送入电压比较器200，此时电压比较器200输出电平会来回翻转，状态锁存器300在电压比较器200输出电平翻转为短路保护触发端能够使别的有效电平时，锁存此电平状态并送入短路保护触发端；控制单元400在检测到短路保护触发端为持续稳定的有效电平时，判定桥臂发生短路，执行短路保护动作。由于桥臂发生短路的瞬间电容c
dc
两端电压相比开关管导通压降变化更快，且整个桥臂短路检测过程不受开关管工作结温的影响，因而本发明实现了对桥臂短路故障的快速、准确检测，且短路保护点稳定。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为现有技术公开的一种半桥电路拓扑结构示意图；图2为本发明实施例公开的一种功率变换器的桥臂短路保护电路拓扑结构示意图；图3为图2所示桥臂短路保护电路中的状态锁存器采用d触发器时的一种电路拓扑结构示意图；图4为图3所示桥臂短路保护电路中的高通滤波器采用二阶高通滤波器时的一种电路拓扑结构示意图；图5示出了应用于图4中的二阶高通滤波器的一种具体电路拓扑结构示意图；
图6为图5所示电路发生桥臂短路故障时的波形仿真图。
具体实施方式
20.为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结如下：mosfet：metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管；igbt：insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管。
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.参见图2，本发明实施例公开了一种功率变换器的桥臂短路保护电路，其中：所述功率变换器包括至少一个如图1所示的半桥电路；所述半桥电路包括由上下两个开关管s1~s2组成的桥臂，所述开关管s1~s2可以是igbt 也可以是mosfet，并不局限；所述半桥电路的直流侧并联有电容c
dc
，电容c
dc
可以是一个独立的电容器也可以是多个电容器的串联、并联或串并联组合，图1~图2中仅以电容c
dc
为一个独立的电容器作为示例；所述桥臂短路保护电路包括：高通滤波器100、电压比较器200、状态锁存器300和控制单元400；高通滤波器100以电容c
dc
两端电压v
cdc
作为输入，高通滤波器100的输出端接入电压比较器200的一个输入端，电压比较器200的另一个输入端接收基准电压vref(图2仅以高通滤波器100的输出端接入电压比较器200的同向输入端，电压比较器200的反向输入端接收基准电压vref作为示例，但并不局限)，电压比较器200的输出端经状态锁存器300接入控制单元400的短路保护触发端；控制单元400用于在短路保护触发端有效时，执行短路保护动作(该短路保护动作为硬关断或者多电平软关断，切断短路电流)。
23.上述桥臂短路保护电路的工作原理如下：在桥臂发生短路的瞬间，电容c
dc
两端电压会发生较大的跌落，由较高的直流信号变成较低的直流信号并叠加多种高频信号，高通滤波器100提取出其中的高频信号，对其进行电压放大后送入电压比较器200的一个输入端；电压比较器200将输入电压(即高通滤波器100输出的高频信号)与预先设定好的基准电压vref作比较；在所述输入电压变为大于基准电压vref时，电压比较器200输出端发生电平翻转；在所述输入电压又变为不大于基准电压vref时，电压比较器200输出端再次发生电平翻转即翻转回原电平；由于所述输入电压为高频信号，其电压值会快速地由高变低、又快速地由低变高，所以在桥臂发生短路的瞬间，电压比较器200输出电平会来回翻转。
24.控制单元400的短路保护触发端为高电平有效或者为低电平有效，若直接将电压比较器200来回翻转的输出电平送入控制单元400的短路保护触发端，则控制单元400的短路保护触发端时而有效时而无效，反复触发控制单元400(即短路保护触发端信号无法持续稳定地触发控制单元400)，导致控制单元400无法成功执行完成短路保护动作。
25.为避免桥臂发生短路瞬间控制单元400被反复触发，本发明实施例引入了状态锁存器300，状态锁存器300是一种具有记忆功能的逻辑元件，状态锁存就是把输入信号暂存以维持某种电平状态。在本发明实施例中，控制单元400在电压比较器200输出电平翻转为短路保护触发端能够识别的有效电平时，锁存此电平状态并送入短路保护触发端，这样短路保护触发端信号就可以持续稳定地触发控制单元400，控制单元400得以成功执行完成短路保护动作。
26.由以上对本发明实施例的描述可知，在桥臂发生短路的瞬间，电容c
dc
两端电压会发生较大的跌落，由较高的直流信号变成较低的直流信号并叠加多种高频信号。基于此，本发明实施例利用高通滤波器100提取该高频信号并送入电压比较器200，此时电压比较器200输出电平会来回翻转，状态锁存器300在电压比较器200输出电平翻转为短路保护触发端能够使别的有效电平时，锁存此电平状态并送入短路保护触发端；控制单元400在检测到短路保护触发端为持续稳定的有效电平时，判定桥臂发生短路，执行短路保护动作。由于桥臂发生短路的瞬间电容c
dc
两端电压相比开关管导通压降变化更快，且整个桥臂短路检测过程不受开关管工作结温的影响，因而本发明实施例实现了对桥臂短路故障的快速、准确检测，且短路保护点稳定。
27.可选的，在上述公开的任一实施例中，可以是高通滤波器100的输出端接入电压比较器200的同向输入端，电压比较器200的反向输入端接收基准电压vref。此时，在电压比较器200的输入电压大于基准电压vref时，电压比较器200输出端发生电平翻转，即由低电平变为高电平；在电压比较器200的输入电压不大于基准电压vref时，电压比较器200输出端再次发生电平翻转，即由高电平变为低电平。在此实施例下，假设控制单元400的短路保护触发端为高电平有效，则状态锁存器300将电压比较器200输出的高电平锁存，持续稳定地触发控制单元400执行短路保护动作。
28.可选的，在上述公开的任一实施例中，状态锁存器300可以采用d触发器，但并不局限。
29.d触发器是一个具有记忆功能的，具有两个稳定状态的信息存储器件。d触发器的各引脚的名称及含义如下：d：数据输入；clk：时钟(上升沿有效)；pre：预置；clr：清零；q：输出端；qn：输出端q取反。
30.d触发器的真值表如表1所示(表中的
“↑”
表示上升沿，“1”表示高电平，“0”表示低电平，
“×”
表示不限制信号形式)：表1——d触发器的真值表dclkq0
↑
01
↑
1x0保持上一状态
x1保持上一状态由d触发器的真值表可知：当pre=clr=0时，每当clk上升沿到来时，d触发器便将d引脚上的电平状态赋值给q引脚；在clk下一个上升沿到来之前，q引脚保持上一状态不变，也就是把原来的状态锁存了。
31.基于此，在控制单元(400)的短路保护触发端为高电平有效时，如图3所示，可以令d触发器的pre引脚和clr引脚接地，clk引脚接电压比较器200输出端，d引脚接高电平vcc，q引脚接入控制单元400的短路保护触发端，那么：在桥臂发生短路瞬间，当电压比较器200输出端由低电平变为高电平时，d触发器将d引脚上的高电平状态赋值给q引脚并锁存，从而为控制单元400提供持续稳定的短路保护触发信号。图3都是基于q引脚做状态锁存设计，此外也可以基于qn引脚做状态锁存设计，设计原理同理可得，此处不再赘述。
32.可选的，在上述公开的任一实施例中，所述高通滤波器可以是二阶高通滤波器，如图4所示，但并不局限。
33.例如图5所示，所述二阶高通滤波器包括：第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一电容c1、第二电容c2和运放u1；第一电容c1的一端接电容c
dc
两端电压，另一端同时接第一电阻r1的一端和第二电容c2的一端，第一电阻r1的另一端接运放u1的输出端，第二电容c2的另一端接第二电阻r2的一端和运放u1的同相输入端，第二电阻r2的另一端接地，运放u1的反相输入端接第三电阻r3的一端，第三电阻r3的另一端接地，第四电阻r4连接在运放u1的同相输入端与运放u1的输出端之间。
34.以图5为例做试验，当开关管为宽禁带功率半导体器件时，经试验，图5所示电路能在200ns内实现短路保护，而且在宽禁带功率半导体器件工作结温变化的时候，短路保护点稳定，电流控制在额定电流附近；而且在执行短路保护关断的情况下，关断电压尖峰很小，满足设计要求。
35.图6为图5所示电路发生桥臂短路故障时的波形仿真图，0.0v~6.6v之间的曲线表示短路保护标志位即短路保护触发端信号，0v~440v之间的v(n004)曲线表示器件电压变化曲线，ix(u2：drainin) 曲线表示短路电流变化曲线，tj(25-150degc)表示本次试验是在宽禁带功率半导体器件在25-150degc范围内进行的。
36.可选的，在上述公开的任一实施例中，也可以在高通滤波器100后加一个反相器，那么电压比较器200输出电平翻转方向将与原来的翻转方向正好相反，即在原来电压比较器200输出电平由低变高的时刻下，电压比较器200输出电平由高变低，原来电压比较器200输出电平由高变低的时刻下，电压比较器200输出电平由低变高，而这并不影响桥臂短路保护功能的实现，其工作原理不再赘述。
37.综上，在桥臂发生短路的瞬间，电容c
dc
两端电压会发生较大的跌落，由较高的直流信号变成较低的直流信号并叠加多种高频信号。基于此，本发明利用高通滤波器100提取该高频信号并送入电压比较器200，此时电压比较器200输出电平会来回翻转，状态锁存器300在电压比较器200输出电平翻转为短路保护触发端能够使别的有效电平时，锁存此电平状态并送入短路保护触发端；控制单元400在检测到短路保护触发端为持续稳定的有效电平时，判定桥臂发生短路，执行短路保护动作。由于桥臂发生短路的瞬间电容c
dc
两端电压相比开关管导通压降变化更快，且整个桥臂短路检测过程不受开关管工作结温的影响，因而本
发明实现了对桥臂短路故障的快速、准确检测，且短路保护点稳定。
38.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，不再赘述。
39.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
40.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。