车载逆变器重载启动保护电路的研究

邓孝祥 张伟杰 刘浩男

（ 黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150002）

0 引言

车载逆变器是将12 V或24 V的直流电转换成220V、50Hz交流电源，负载类型不确定性使其保护电路的设计变得至关重要[1]。负载类型可分为阻性负载、感性负载和容性负载，尤其是逆变电源带容性负载时，带载启动或关断瞬间电流会非常大，通常是正常工作电流的8～10倍。容易引起车载逆变器瞬间超载，频繁的冲击电流会对逆变器造成损坏，提高电流设定值会出现误保护，可以通过软件控制来解决这一问题。在上电一瞬间，通过软件减小脉冲宽度，从而降低电压，使电流下降，起到保护作用，防止因为负载冲击而导致频繁关机。在逆变电源中一般会设计短路保护电路。逆变电源一般带阻性负载或容性负载[2]。带容性负载时，当交流负载发生短路或严重过载时，可通过过流保护电路进行断电保护。逆变电源作为交流电源使用时，须具有一定的抗短路冲击的能力。即在负载瞬间短路时电源可以正常工作，输出电流在一定数值维持一段时间，实现保护，在消除故障后自动恢复正常。

该文设计了一种重载快速启动保护装置，既可以实现对车载逆变器的限流保护，又能够在保持逆变器稳定输出的同时，有效地实现了电路保护[3]。

1 设计方案

1.1 逆变器组成

逆变器通常由逆变全桥、控制电路、保护电路组成。逆变全桥单相逆变由4个功率开关管组成，称为H桥[4]，经过开关管的开通、关断输出方波在LC滤波中呈正弦波，控制电路包括驱动电路和控制调理电路，驱动电路增强驱动能力驱动开关管，控制调理电路通过采集主电路的数据转换为闭环控制主电路。保护电路在主电路发生短路或过流情况下，将信号传递到控制芯片关断控制信号，使功率开关管关闭。逆变输出带容性负载在启动瞬间电流过大，功率超过额定功率，通常切断电源让其不工作，但长时间多次操作会损坏逆变器设备。或者换大功率的逆变器，相对应的成本也增加。设计一种既可以带重载启动又可以达到过流保护的装置是十分重要的。

1.2 重载启动保护

使用现有的带载启动及短路保护技术对滤波电路中滤波电感的电流进行采样，将采样值与设定的电流阈值进行比较，当大于电流阈值时由封锁电路对逆变电路的驱动信号进行封锁，在电感电流下降到阈值以下时恢复逆变电路驱动信号，如果电流仍然超过阈值则反复进行该操作过程。然而，在该过程中封锁电路是否启动只受控于电感电流，因此无法做到可控，并且在长时间过流状态下会导致功率器件热量积累，最终会损坏器件。由此可见，现有的带载启动及短路保护技术效果并不理想，可靠性较低。为了使逆变器重载启动且不误保护，该文设计了一种重载启动保护电路，采用打嗝保护的方式实现对车载逆变器的保护。电路图如图1所示，检测到交流输出电流送到逐周保护模块中的正负比较器，取样电路根据逆变电源输出电流的变化产生与其成正比的取样电压（参考电压电路通过电阻分压产生恒定的参考电压），在比较电路中比较参考电压与取样电压的值，当取样电压大于参考电压时，比较电路向驱动电路发出调整或保护信号。经过对控制器信号的传送，实现重载启动保护。

该原理图包括直流电源模块DC、功率模块、控制器、逐周保护、电流检测模块。功率模块中，Q1、Q2、Q3、Q4为主功率开关管，R1、R2、R3、R4为功率开关管G、S两端的泄放电阻，避免G、S结电容放电，产生震荡。DRV1_G、DRV3_G为两桥臂上管的悬浮地，DGND为主电路参考地，L0为输出滤波电感，C0为输出滤波电容。R0为模拟输出负载。

由图1所示的逐周保护模块由参考电压、比较电路、电平转换电路组成。比较电路由比较器LM319和部分电阻组成，电平转换电路由2个MOSFET功率管Q1、Q2和部分电阻电容组成，参考电压电路由4个电阻R8、R9、R10、R11组成，逐周保护模块中有部分电容为退耦电容或滤波电容。

图1 电路原理框图

电流检测模块检测到交流电流信号传送给AC电流检测，比较器LM393参考电压由R8、R9、R10、R114个电阻值确定，根据分压公式的计算如下。

电流检测大于上限参考电压或者小于下限参考电压，输出为低电平信号，经过两路电平信号转换，一路转为高电平将PWM信号封锁，一路转为低电平信号传送给DSP进行信号封锁，正常工作时，AC电流检测端（由交流电流采样电路提供）的电压值在1.464V～3.536V，比较器为集电极开路输出，由于5V上拉的存在，因此输出为高电平。当硬件电路过流时，AC电流检测端的电压值超出下限或者上限，比较器动作，输出为低电平。该逻辑信号可用于功率驱动电路的使能以及DSP对当前电路是否过流的判断。

2 软件控制思想

2.1 保护工作流程

车载逆变器实现重载启动保护装置流程图如图2所示，交流输出检测到交流信号经过霍尔芯片转换为电压信号，与参考电压比较。

图2 保护电路工作流程图

Vsample＜Vref1

Vsample＞Vref2

比较器LM393输出端翻转，向驱动电路的控制端输入的电平信号改变，进一步控制开关管导通与关断，减少电流的输出，可以有效地控制功率的输出，使输出功率降低。

短路过流输出端翻转将信号送给DSP向驱动电路的低频驱动控制端输入封锁信号，由DSP内部软件控制信号封锁脉冲，通过程序判断过流条件，将PWM脉冲关闭，开关管关断，发挥了短路保护的作用。

当电源关断后，采样电压Vsample=0，比较器LM393使驱动信号立即恢复，通过软件判断是否满足重新启动条件，并能够自动恢复。

在重载启动时保护电路会检测几个周期证明是误触发保护，超过这几个周期判断为短路保护。有效避免误触发保护，使逆变器正常工作。

2.2 重载启动波形分析

如图3所示，当桥臂电流信号超过软件设定阈值时，则立即将逆变器输出电压有效值降低到额定的10%，在80ms内由额定的10%提高到额定电压，若此时桥臂电流信号恢复到额定工作电流内，则逆变器继续正常工作。

图3 快速带载启动电压波形

假设I0为逆变器的输出电流，当输出发生短路情况时，电流会迅速到达设置的正半周电流门限或负半周电流门限，触发逐周保护模块动作。逐周控制模块输出信号将表现为打嗝状态，高电平时将控制器的驱动信号封锁，重载控制输出的信号为低电平，低电平信号反应了过流持续时间。当逆变器正常带载启动，100ms内检测电平变换，判断电路是否正常启动，当控制器检测到超过100ms低电平波形时，判断为短路状态，控制器关闭功率开关器件的PWM信号，并且在3s后重启。以上的100ms时间可以根据需要任意设定。

3 实验结果

短路电流电平转换超过了100ms设定值，系统判断设备处于短路或过流状态，由输出电流和输出电压波形可以看出超过100ms之后设备无输出，DSP进行检测电平为低封锁脉冲，实现软件封锁。瞬时短路DSP进行100ms软件封锁，实现工频打嗝。一直短路时会一直工频打嗝，避免热量积累，同时可以起到保护作用。

如图4，通道1短路过流信号在15ms内实现了高电平转换低电平再到高电平的转换，在电平开始变化时进行带载切换，高低电平转换在100ms内完成，电路工作带载正常。同时看出输出电压波形在逆变器输出电压有效值降低到额定的10%，在80ms内由额定的10%提高到额定电压，此时桥臂电流信号恢复到额定工作电流内，逆变器继续正常工作。实现了带载启动。

图4 短路检测

电路在高低电平转换检测时间100ms以内，软件检测到非短路工作状态，开始带载启动，图5为输出电流波形，负载为容性负载，对电容进行预充电一段时间实现带重载启动，在一段时间后逆变器正常工作，实现重载启动，起到保护作用。

图5 输出电流重载启动

4 结论

通过上述分析可知，该文设计的保护电路可以避免触发保护装置，达到重载启动的目的，实现了短路保护，提高车载逆变器使用寿命。短路瞬间时，电源电流剧增，通过硬件保护电路进行判断，保证电路保护不停机。在通过软件进行判断，过流封脉冲。过载时，电流过大，输出电流维持一段时间，实现软硬件保护。电流过大时通过软件控制判断100ms实现封锁脉冲，避免热量积累。使车载逆变器无论是在带载启动还是接入非线性负载、短路状态下，都能够将过流功率开关器件的电流限制在额定值以内，减少了车载逆变器在带载启动瞬间的启动电流，在长时间输出短路时避免了热量积累，能够使车载逆变器在排除短路故障后自动恢复工作，大大提高了车载逆变器的可靠性。