一种功率单元的电压采样及保护电路的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种功率单元的电压采样及保护电路。

背景技术：

近年来的工业快速发展为社会经济的进步做出了很大的贡献，但同时也为节能降耗等提出了更高的要求，高压变频器就是能在各工业企业中发挥节能降耗作用的重要设备。

目前的高压变频器很多都采用单元级联型拓扑结构，单台高压变频器需要由15个或24个或更多的功率单元模块级联而成。因此，要实现整个高压变频器系统的精确控制，除了需要实现整机各开关量和模拟量的精准检测，还要实现对单个功率单元模块的各输入输出参数的精准检测。

常规地，对功率单元模块的交流输入电压的采样检测可以使用pt采样等方式，但是由于功率单元模块数量众多，这样会造成整体的成本相对较高；同时功率单元的结构空间有限，不适合体积相对较大的pt的安装使用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种功率单元的电压采样及保护电路，电路结构简单，成本较低，可靠性好。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种功率单元的电压采样及保护电路，包括：

采样调理电路，其与所述功率单元的三相交流电相连，用于对三相交流电进行放大处理；

正向整流电路，其与所述采样调理电路的输出端相连，用于将所述采样调理电路输出的电压进行正向整流处理；

电压基准电路，其用于产生两个不同的电压值，将其分别作为过压比较基准电压和欠压比较基准电压；

保护电路，其与所述正向整流电路、所述电压基准电路均相连，用于将所述正向整流电路输出的电压分别与过压比较基准电压和欠压比较基准电压进行比较，输出过压保护信号或欠压保护信号；

处理器，其与所述采样调理电路和保护电路均相连，用于根据所述保护电路输出的过压保护信号或欠压保护信号、以及所述采样调理电路输出的电压值对功率单元进行保护。

在上述技术方案的基础上，所述采样调理电路包括：

第一级差分放大电路，其与所述功率单元的三相交流电相连；

第二级跟随电路，其与所述第一级差分放大电路的输出端相连，并与所述正向整流电路的输入端相连；

电压偏置电路，其与所述第一级差分放大电路的输出端相连，并与所述处理器相连。

在上述技术方案的基础上，所述第一级差分放大电路包括运算放大器u1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、反馈电阻rf1、电容c1、电容c2和电阻r4，所述功率单元三相交流电的其中一相电压经过电阻r1后与所述运算放大器u1的正向输入端相连，所述功率单元三相交流电的另一相电压经过电阻r2后与所述运算放大器u1的反向输入端相连，所述电阻r3和电容c1并联后一端连接所述运算放大器u1的正向输入端，另一端接地，所述反馈电阻rf1和电容c2并联后一端连接所述运算放大器u1的反向输入端，另一端连接所述运算放大器u1的输出端，所述运算放大器u1的输出端经过电阻r4后与第二级跟随电路的输入端相连。

在上述技术方案的基础上，所述第二级跟随电路包括运算放大器u2、电阻r5，所述运算放大器u2的正向输入端与所述第一级差分放大电路的输出端相连，所述运算放大器u2的反向输入端和输出端相连，所述电阻r5一端连接所述运算放大器u2的输出端，另一端连接所述正向整流电路的输入端。

在上述技术方案的基础上，所述电压偏置电路包括电阻r29、运算放大器u10、电阻r30，所述电阻r29一端连接一偏置电压，另一端连接所述运算放大器u10的正向输入端，且所述运算放大器u10的正向输入端与所述第一级差分放大电路的输出端相连，所述运算放大器u10的反向输入端和输出端相连，所述电阻r30一端连接所述运算放大器u10的输出端，另一端连接所述处理器。

在上述技术方案的基础上，所述正向整流电路包括运算放大器u3、运算放大器u4、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、二极管d5、二极管d6、二极管d7、二极管d8，

所述电阻r6一端连接所述采样调理电路的输出端，另一端连接所述运算放大器u3的正向输入端，所述二极管d5的阳极与所述运算放大器u3的反向输入端相连，所述二极管d5的阴极与所述运算放大器u3的输出端相连，所述二极管d6的阳极与所述运算放大器u3的输出端相连，所述二极管d6的阴极与所述电阻r8的一端相连，所述电阻r8的另一端与所述保护电路的输入端相连，所述电阻r7一端与所述运算放大器u3的反向输入端相连，另一端连接在所述二极管d6的阴极和所述电阻r8之间；

所述电阻r9一端连接所述采样调理电路的输出端，另一端连接所述运算放大器u4的正向输入端，所述二极管d7的阳极与所述运算放大器u4的反向输入端相连，所述二极管d7的阴极与所述运算放大器u4的输出端相连，所述二极管d8的阳极与所述运算放大器u4的输出端相连，所述二极管d8的阴极与所述电阻r11的一端相连，所述电阻r11的另一端与所述保护电路的输入端相连，所述电阻r10一端与所述运算放大器u4的反向输入端相连，另一端连接在所述二极管d8的阴极和所述电阻r11之间。

在上述技术方案的基础上，所述电压基准电路包括基准电压uref、电阻r14、电阻r15、运算放大器u6、电阻r17、电阻r18、电阻r19、运算放大器u7、电阻r20；

所述电阻r14和电阻r15串联后一端连接基准电压uref，另一端接地，所述运算放大器u6的正向输入端连接在所述电阻r14和电阻r15之间，所述运算放大器u6的反向输入端与输出端相连，所述运算放大器u6输出端经过所述电阻r17后输出过压比较基准电压uref_h；

所述电阻r18和电阻r19串联后一端连接基准电压uref，另一端接地，所述运算放大器u7的正向输入端连接在所述电阻r18和电阻r19之间，所述运算放大器u7的反向输入端与输出端相连，所述运算放大器u7输出端经过所述电阻r20后输出欠压比较基准电压uref_l。

在上述技术方案的基础上，所述电压基准电路还包括稳压电路，所述稳压电路包括电源vdd、稳压芯片u5、电阻r12、电阻r13、电容c3；所述电阻r12和电阻r13串联后一端接电源vdd，另一端接地，所述稳压芯片的阳极接地，阴极接电源vdd，基准端接在所述电阻r12和电阻r13之间，所述电容c3一端接电源vdd，另一端接地。

在上述技术方案的基础上，所述保护电路包括过压比较电路和欠压比较电路；

所述过压比较电路包括电阻r21、电容c4、电阻r22、电阻r23、电阻r24、运算放大器u8，所述电阻r21一端与所述正向整流电路的输出端相连，另一端与所述运算放大器u8的反向输入端相连，所述电阻r22一端与所述过压比较基准电压相连，另一端与所述运算放大器u8的正向输入端相连，所述电阻r23跨接在所述运算放大器u8的正向输入端和输出端，所述运算放大器u8的输出端经过电阻r24后输出过压保护信号；

所述欠压比较电路包括电阻r25、电容c5、电阻r26、电阻r27、电阻r28、运算放大器u9，所述电阻r25一端与所述正向整流电路的输出端相连，另一端与所述运算放大器u9的反向输入端相连，所述电阻r26一端与所述欠压比较基准电压相连，另一端与所述运算放大器u9的正向输入端相连，所述电阻r27跨接在所述运算放大器u9的正向输入端和输出端，所述运算放大器u9的输出端经过电阻r28后输出欠压保护信号。

在上述技术方案的基础上，所述处理器为dsp芯片。

现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的功率单元的电压采样及保护电路，电路结构简单，成本较低，可靠性好。

附图说明

图1为本发明实施例中一种功率单元的电压采样及保护电路的结构框图；

图2为本发明实施例中采样调理电路的电路图；

图3为本发明实施例中正向整流电路的电路图；

图4为本发明实施例中电压基准电路的电路图；

图5为本发明实施例中保护电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种功率单元的电压采样及保护电路，包括：

采样调理电路，其与所述功率单元的三相交流电相连，用于对三相交流电进行放大处理；

正向整流电路，其与所述采样调理电路的输出端相连，用于将所述采样调理电路输出的电压进行正向整流处理；

电压基准电路，其用于产生两个不同的电压值，将其分别作为过压比较基准电压和欠压比较基准电压；

保护电路，其与所述正向整流电路、所述电压基准电路均相连，用于将所述正向整流电路输出的电压分别与过压比较基准电压和欠压比较基准电压进行比较，输出过压保护信号或欠压保护信号；

处理器，其与所述采样调理电路和保护电路均相连，用于根据所述保护电路输出的过压保护信号或欠压保护信号、以及所述采样调理电路输出的电压值对功率单元进行保护。

本发明实施例的功率单元的电压采样及保护电路工作原理为：采样调理电路对所述功率单元的三相交流电进行放大处理，正向整流电路将所述采样调理电路输出的电压进行正向整流处理，保护电路将所述正向整流电路输出的电压分别与过压比较基准电压和欠压比较基准电压进行比较，输出过压保护信号或欠压保护信号，处理器根据所述保护电路输出的过压保护信号或欠压保护信号、以及所述采样调理电路输出的电压值对功率单元进行保护。

本发明实施例的功率单元的电压采样及保护电路，电路结构简单，成本较低，可靠性好。

参见图2所示，在本发明实施例中，具体地，所述采样调理电路包括：

第一级差分放大电路，其与所述功率单元的三相交流电相连；

第二级跟随电路，其与所述第一级差分放大电路的输出端相连，并与所述正向整流电路的输入端相连；

电压偏置电路，其与所述第一级差分放大电路的输出端相连，并与所述处理器相连。

更进一步地，所述第一级差分放大电路包括运算放大器u1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、反馈电阻rf1、电容c1、电容c2和电阻r4，所述功率单元三相交流电的其中一相电压经过电阻r1后与所述运算放大器u1的正向输入端相连，所述功率单元三相交流电的另一相电压经过电阻r2后与所述运算放大器u1的反向输入端相连，所述电阻r3和电容c1并联后一端连接所述运算放大器u1的正向输入端，另一端接地，所述反馈电阻rf1和电容c2并联后一端连接所述运算放大器u1的反向输入端，另一端连接所述运算放大器u1的输出端，所述运算放大器u1的输出端经过电阻r4后与第二级跟随电路的输入端相连。

在本发明实施例中，与所述电阻r1相连的所述功率单元三相交流电的其中一相记为uin+，与所述电阻r2相连的所述功率单元三相交流电的其中一相记为uin-。

在本发明实施例中，所述反馈电阻rf1和电容c2并联后一端连接所述运算放大器u1的反向输入端，另一端连接所述运算放大器u1的输出端，起到相位补偿的作用。

优选地，所述第一级差分放大电路还包括第一电压钳位电路和第二电压钳位电路。

所述第一电压钳位电路包括二极管d1和二极管d2，所述二极管d1的阳极连接-15v，所述二极管d2的阴极连接+15v，所述二极管d1的阴极和所述二极管d2的阳极均连接所述运算放大器u1的反向输入端。

所述第二电压钳位电路包括二极管d3和二极管d4，所述二极管d3的阳极连接-15v，所述二极管d4的阴极连接+15v，所述二极管d3的阴极和所述二极管d4的阳极均连接在所述电阻r1和电阻r3之间。

更进一步地，所述第二级跟随电路包括运算放大器u2、电阻r5，所述运算放大器u2的正向输入端与所述第一级差分放大电路的输出端相连，所述运算放大器u2的反向输入端和输出端相连，所述电阻r5一端连接所述运算放大器u2的输出端，另一端连接所述正向整流电路的输入端。

所述采样调理电路将所述功率单元三相交流电进行采样调理后输出低电压交流信号uout，该低电压交流信号uout作为所述采样调理电路的输出端，即与所述正向整流电路的输入端相连的一端。

更进一步地，所述电压偏置电路包括电阻r29、运算放大器u10、电阻r30，所述电阻r29一端连接一偏置电压，另一端连接所述运算放大器u10的正向输入端，且所述运算放大器u10的正向输入端与所述第一级差分放大电路的输出端相连，所述运算放大器u10的反向输入端和输出端相连，所述电阻r30一端连接所述运算放大器u10的输出端，另一端连接所述处理器。

在本发明实施例中，偏置电压记为uoffset，所述电压偏置电路中通过电阻r30限流后输出电压采样信号usample，将所述电压采样信号usample输送给处理器。

参见图3所示，在本发明实施例中，具体地，所述正向整流电路包括运算放大器u3、运算放大器u4、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、二极管d5、二极管d6、二极管d7、二极管d8。

所述电阻r6一端连接所述采样调理电路的输出端，另一端连接所述运算放大器u3的正向输入端，所述二极管d5的阳极与所述运算放大器u3的反向输入端相连，所述二极管d5的阴极与所述运算放大器u3的输出端相连，所述二极管d6的阳极与所述运算放大器u3的输出端相连，所述二极管d6的阴极与所述电阻r8的一端相连，所述电阻r8的另一端与所述保护电路的输入端相连，所述电阻r7一端与所述运算放大器u3的反向输入端相连，另一端连接在所述二极管d6的阴极和所述电阻r8之间。

所述电阻r9一端连接所述采样调理电路的输出端，另一端连接所述运算放大器u4的正向输入端，所述二极管d7的阳极与所述运算放大器u4的反向输入端相连，所述二极管d7的阴极与所述运算放大器u4的输出端相连，所述二极管d8的阳极与所述运算放大器u4的输出端相连，所述二极管d8的阴极与所述电阻r11的一端相连，所述电阻r11的另一端与所述保护电路的输入端相连，所述电阻r10一端与所述运算放大器u4的反向输入端相连，另一端连接在所述二极管d8的阴极和所述电阻r11之间。所述正向整流电路的输出端记为urec。

本发明实施例中所述正向整流电路的工作原理为：当所述正向整流电路的输入信号uout为正时，二极管d6导通，二极管d5截止，同时二极管d7导通，二极管d8截止，此时，正的uout经运算放大器u3构成同相跟随电路后输出仍然为正电压信号，即urec为正；当uout为负时，二极管d5导通，二极管d6截止，同时二极管d8导通，二极管d7截止，此时，负的uout经运算放大器u4构成反相跟随电路反相调理后输出为正电压信号，urec为正，从而实现了低压交流信号uout的正向整流，整流后的输出信号为urec。

参见图4所示，具体地，所述电压基准电路包括基准电压uref、电阻r14、电阻r15、运算放大器u6、电阻r17、电阻r18、电阻r19、运算放大器u7、电阻r20；

所述电阻r14和电阻r15串联后一端连接基准电压uref，另一端接地，所述运算放大器u6的正向输入端连接在所述电阻r14和电阻r15之间，所述运算放大器u6的反向输入端与输出端相连，所述运算放大器u6输出端经过所述电阻r17后输出过压比较基准电压uref_h；

所述电阻r18和电阻r19串联后一端连接基准电压uref，另一端接地，所述运算放大器u7的正向输入端连接在所述电阻r18和电阻r19之间，所述运算放大器u7的反向输入端与输出端相连，所述运算放大器u7输出端经过所述电阻r20后输出欠压比较基准电压uref_l。

在本发明实施例中，所述电压基准电路通过两路分别得到过压比较基准电压uref_h和欠压比较基准电压uref_l，且过压比较基准电压uref_h大于欠压比较基准电压uref_l。

更进一步地，所述电压基准电路还包括稳压电路，所述稳压电路包括电源vdd、稳压芯片u5、电阻r12、电阻r13、电容c3；所述电阻r12和电阻r13串联后一端接电源vdd，另一端接地，所述稳压芯片的阳极接地，阴极接电源vdd，基准端接在所述电阻r12和电阻r13之间，所述电容c3一端接电源vdd，另一端接地。

在本发明实施例中，电源vdd为+15v，稳压芯片u5型号为az431，实际应用中，根据需要选择相应的稳压芯片即可。

参见图5所示，在本发明实施例中，具体地，所述保护电路包括过压比较电路和欠压比较电路。

所述过压比较电路包括电阻r21、电容c4、电阻r22、电阻r23、电阻r24、运算放大器u8，所述电阻r21一端与所述正向整流电路的输出端相连，另一端与所述运算放大器u8的反向输入端相连，所述电阻r22一端与所述过压比较基准电压相连，另一端与所述运算放大器u8的正向输入端相连，所述电阻r23跨接在所述运算放大器u8的正向输入端和输出端，所述运算放大器u8的输出端经过电阻r24后输出过压保护信号s_ov。

所述欠压比较电路包括电阻r25、电容c5、电阻r26、电阻r27、电阻r28、运算放大器u9，所述电阻r25一端与所述正向整流电路的输出端相连，另一端与所述运算放大器u9的反向输入端相连，所述电阻r26一端与所述欠压比较基准电压相连，另一端与所述运算放大器u9的正向输入端相连，所述电阻r27跨接在所述运算放大器u9的正向输入端和输出端，所述运算放大器u9的输出端经过电阻r28后输出欠压保护信号s_uv。

优选地，所述保护电路还包括第三电压钳位电路和第四电压钳位电路。

所述第三电压钳位电路包括二极管d9和二极管d10，所述二极管d9的阳极接地，所述二极管d10的阴极连接+3.3v，所述二极管d9的阴极和所述二极管d10的阳极均连接所述过压保护信号s_ov。

所述第四电压钳位电路包括二极管d11和二极管d12，所述二极管d11的阳极接地，所述二极管d12的阴极连接+3.3v，所述二极管d11的阴极和所述二极管d12的阳极均连接所述欠压保护信号s_uv。

在本发明实施例中，所述保护电路的工作原理为：

当所述保护电路的输入电压urec介于过压比较基准电压uref_h和欠压比较基准电压uref_l之间时，则为电压正常，过压保护信号s_ov为高，欠压保护信号s_uv为低；

当所述保护电路的输入电压urec大于过压比较基准电压uref_h时，则为过压状态，过压保护信号s_ov由高翻转为低，欠压保护信号s_uv仍为低，此时过压保护信号s_ov有效，该过压保护信号s_ov触发处理器动作，处理器对功率单元进行保护；

当所述保护电路的输入电压urec小于欠压比较基准电压uref_l时，则为欠压状态，过压保护信号s_ov恢复为高，欠压保护信号s_uv由低翻转为高，此时欠压保护信号s_uv有效，该欠压保护信号s_uv触发处理器动作，处理器对功率单元进行保护。

在本发明实施例中，优选地，所述处理器为dsp芯片，所述处理器根据过压保护信号s_ov和欠压保护信号s_uv来对功率单元进行保护，当处理器发出过压保护或欠压保护信号后，封波不再发出pwm信号，功率单元停止输出，同时分断功率单元的输入，从而对对功率单元起到保护作用。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。