橋式逆變器脈衝互鎖接口單元的製作方法

2023-06-03 12:00:46 1

專利名稱：橋式逆變器脈衝互鎖接口單元的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電カ電子技術，更具體地，是ー種可運用在橋式逆變器電路中的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元。
背景技術：
逆變器是一種通過半導體功率器件的開關作用，把直流電轉變成交流電的變換裝置，可提供功率和頻率可調的交流電源，廣泛應用在變頻調速、開關電源、感應加熱、電磁攪拌、UPS不間斷電源等設備上。エ業上目前最常用的是三相橋式逆變器，如圖I所示，是現有的ー種三相橋式逆變器的電路原理圖，如圖所示，逆變器主迴路包括三塊相同的逆變橋臂10、20和30，分別作 為U相逆變橋臂、V相逆變橋臂以及W相逆變橋臂。每ー塊橋臂的上、下臂上均有一個功率開關模塊(如圖I中的Tl T6)。上下臂上的功率開關模塊是通過加到開關模塊柵極的脈衝來控制它的開通和關斷。對於橋式逆變器來說，同一相橋臂的上、下臂開關模塊不可以同時處於開通狀態，否則會引起電源直流母線的直通短路，造成主迴路功率開關模塊瞬間擊穿損壞。現有的逆變器柵極脈衝電路主要由脈衝調製板和驅動板組成，其連接關係見附圖I。脈衝調製板將設定的正弦電流基波同反饋電流進行比較調節，經過板上的正弦波脈寬調製(SPWM)電路，產生三相逆變器各橋臂開關模塊所需的開關控制脈衝，該脈衝經過光纖傳輸，送到各相橋臂開關模塊的驅動板上；驅動板的作用是將輸入的脈衝進行幅值和功率放大，然後加到各開關模塊的柵極，最終驅動各開關模塊按控制要求進行導通和關斷。現有的逆變器一般採用在脈衝調製板上設置脈衝死區時間的方法來防止逆變器同一橋臂發生直通短路故障，其做法是在脈衝調製板上對發往同相橋臂的兩路脈衝間加入延時電路，使同相橋臂中的一路脈衝關斷後，另一路開通脈衝可以延時發出，以防止同一橋臂的上下開關模塊同時導通。然而，在エ業現場逆變器的實際使用中發現，逆變器的橋臂直通短路事故仍然時有發生，並且隨著設備使用時間的延長、器件的老化，這種橋臂直通、器件擊穿的現象會越來越多，並且難以防範。由於功率開關模塊價格不菲，毎年的故障維修費用損失達幾十萬元。經過研究和分析，認為現有的逆變器脈衝驅動電路中還存在著以下漏洞1，驅動板上缺少對輸入脈衝幹擾和誤信號的抑制和防護。當發生以下3種情況吋，驅動板的輸入脈衝信號會產生失真、變形、滯後、毛刺等異常現象(I)，脈衝調製板上元件故障老化，發生工作點漂移；(2)，傳輸光纖老化受損、光耦收發器件劣化；(3)，控制脈衝受到外部幹擾。由於現有的驅動板上沒有相應的限制和保護措施，經過放大後的異常脈衝會直接送到上下開關模塊的柵扱，從而增加了逆變器在運行中發生橋臂直通短路故障和功率開關模塊擊穿損壞的機率。[0012]2)，驅動板上缺少對輸入窄脈衝的限制和防護。現有的調製板在進行正弦波脈寬調製吋，會產生ー些窄脈衝，脈寬有時只有幾個微秒，這些窄脈衝在現有的逆變器驅動板上是不加限制的。然而，經過研究發現，功率開關模塊的有效開通和關斷對柵極脈衝是有最小時間要求的，對於IGBT器件來說，一般是1-3 μ S，當功率開關模塊出現老化，或者模塊工作溫度較高時，其開通和關斷時間還會延長，此時驅動板輸入端過窄的脈衝會對開關模塊エ作的可靠性帶來不利的影響，有可能造成模塊導通或關斷失效，導致輸出電壓波形畸變，或在模塊尚未完全導通的時刻進行關斷動作而造成模塊開關失效，這對於吸收電路的有效作用是不利的，有時候會因緩衝能量得不到有效釋放而導致開關模塊的過電壓擊穿損壞，從而造成逆變器橋臂故障和模塊損壞機率的上升。

實用新型內容本實用新型的目的，在於解決現有的橋式逆變器的上述不足，從而提供了ー種可用於橋式逆變器的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元。本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元包括 第一脈衝輸入電路、與該第一脈衝輸入電路的輸出端相連接的第一最小脈寬限制電路以及與該第一最小脈寬限制電路的輸出端相連接的第一脈衝互鎖電路，其中，該第一最小脈寬限制電路的輸出端連接到該第一脈衝互鎖電路的第一輸入端；第二脈衝輸入電路、與該第二脈衝輸入電路的輸出端相連接的第二最小脈寬限制電路以及與該第二最小脈寬限制電路的輸出端相連接的第二脈衝互鎖電路，其中，該第二最小脈寬限制電路的輸出端連接到該第二脈衝互鎖電路的第一輸入端；第一最小脈衝死區電路，該第一最小脈衝死區電路的輸入端與該第一最小脈寬限制電路的輸出端相連接，該第一最小脈衝死區電路的輸出端與該第二脈衝互鎖電路的第二輸入端相連接；第二最小脈衝死區電路，該第二最小脈衝死區電路的輸入端與該第二最小脈寬限制電路的輸出端相連接，該第二最小脈衝死區電路的輸出端與該第一脈衝互鎖電路的第二輸入端相連接；並且，該第一最小脈寬限制電路的輸出端與該第二脈衝互鎖電路的第三輸入端相連接，該第二最小脈寬限制電路的輸出端與該第一脈衝互鎖電路的第三輸入端相連接。優選地，所述第一脈衝輸入電路與第二脈衝輸入電路的結構相同，並且所述第一脈衝輸入電路包括ー個2521型脈衝輸入模塊以及用於反相的三極體電路。優選地，所述第一最小脈寬限制電路與所述第二最小脈寬限制電路的結構相同，並且所述第一最小脈寬限制電路包括ー個4098型單穩模塊、用於該4098型單穩模塊的脈寬時間的RC電路以及與該4098型單穩模塊的輸出端相連接的或門模塊。優選地，所述第一最小脈衝死區電路與所述第二最小脈衝死區電路的結構相同，並且，所述第一最小脈衝死區電路包括ー個RC電路。優選地，所述第一脈衝互鎖電路與所述第二脈衝互鎖電路的結構相同，並且，所述第一脈衝互鎖電路包括一個或非門模塊以及ー個與該或非門模塊相連接的與門模塊。本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元，組成簡單、運行可靠，提高了橋式逆變器的工作穩定性和可靠性，延長了逆變器的使用壽命，從而降低了因設備故障而產生的維修成本。

圖I為現有的橋式逆變器脈衝逆變電路的結構示意圖；圖2為本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元的模塊示意圖；圖3為本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元用於橋式逆變器脈衝逆變電路的應用不意圖；圖4為本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元中第一脈衝輸入電路的電路原理圖；圖5為本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元中第一最小脈寬限制電路的 電路原理圖；圖6為本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元中第一脈衝死區電路的電路原理圖；圖7為本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元中第一脈衝互鎖電路的電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元的組成和工作原理進行詳細說明。如圖2所示，為本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元100的模塊示意圖。具體地，本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元100包括第一脈衝輸入電路110、與該第一脈衝輸入電路110的輸出端相連接的第一最小脈寬限制電路130以及與該第一最小脈寬限制電路130的輸出端相連接的第一脈衝互鎖電路170，其中，該第一最小脈寬限制電路130的輸出端連接到該第一脈衝互鎖電路170的第一輸入端171 ;第二脈衝輸入電路120、與該第二脈衝輸入電路120的輸出端相連接的第二最小脈寬限制電路140以及與該第二最小脈寬限制電路140的輸出端相連接的第二脈衝互鎖電路180，其中，該第二最小脈寬限制電路140的輸出端連接到該第二脈衝互鎖電路180的第一輸入端181 ；第一最小脈衝死區電路150,該第一最小脈衝死區電路150的輸入端與該第一最小脈寬限制電路130的輸出端相連接，該第一最小脈衝死區電路150的輸出端與該第二脈衝互鎖電路180的第二輸入端182相連接；第二最小脈衝死區電路160，該第二最小脈衝死區電路160的輸入端與該第二最小脈寬限制電路130的輸出端相連接，該第二最小脈衝死區電路160的輸出端與該第一脈衝互鎖電路170的第二輸入端172相連接；並且，進ー步地，該第一最小脈寬限制電路130的輸出端與該第二脈衝互鎖電路180的第三輸入端183相連接，該第二最小脈寬限制電路140的輸出端與該第一脈衝互鎖電路170的第三輸入端173相連接。如圖所示，對於三相中的某ー相而言，兩個橋臂的輸入脈衝，即來自脈衝調製板400 (參考圖3)的輸入脈衝A和輸入脈衝B分別輸入到本實用新型的第一脈衝輸入電路110和第二脈衝輸入電路120中，並,第一脈衝輸入電路110和第二脈衝輸入電路120的結構相同，分別用於接收兩路脈衝，完成脈衝的光電轉換；第一最小脈寬限制電路130與第二最小脈寬電路140的結構相同，分別用於對脈衝進行最小脈寬限制，以增強橋臂開關模塊導通和關斷的可靠性；第一最小脈衝死區電路150與第二最小脈衝死區電路160的結構相同，分別用於對脈衝進行最小脈衝死區限制，以進ー步增強橋臂直通防護的可靠性；第一脈衝互鎖電路170和第二脈衝互鎖電路180用於對脈衝建立互鎖，以防止上下開關模塊同時開通的可能性，最後，兩個脈衝互鎖模塊170、180分別輸出輸出脈衝A和輸出脈衝B。另外，從輸入輸出電信號而言，第一脈衝輸入電路110和第二脈衝輸入電路120分別輸出信號Ugl和Ug2 ;第二最小脈寬限制電路130和第二最小脈寬限制電路140分別輸出信號Ug3和Ug4 ;第一最小脈衝死區電路150和第二最小脈衝死區電路160分別輸出信號Ug5和Ug6。對應地,第一脈衝互鎖電路170中，其第一輸入端171的輸入信號為Ug3,第二輸入端172的輸入信號為Ug6,第三輸入端173的輸入信號為Ug4 ;第二脈衝互鎖電路180中，其第一輸入端181的輸入信號為Ug4,第二輸入端182的輸入信號為Ug5,第三輸入端183的輸入信號為Ug3。 結合圖3，是本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元100用於橋式逆變器脈衝逆變電路的應用示意圖。如圖所示，在一相中，本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ電路100設置於驅動板200前端，並接收來自調製板400的兩路脈衝，驅動板200進ー步連接常規的第一功率開關模塊310和第二功率開關模塊320。對於三相逆變器而言，其共有3個橋臂，每個橋臂對應ー相，所以，需要配置三塊包括有本實用新型電路的接ロ電路板。接ロ電路板安裝時可以緊貼驅動板安裝，或者直接集成在驅動板上，以獲得最佳的抗幹擾性能。由於本實用新型的電路為上下對稱結構，因此，以下僅通過對第一脈衝輸入電路110、第一最小脈寬限制電路130、第一最小脈衝死區電路150和第一脈衝互鎖電路170的具體的電路組成的描述，對本實用新型的具體實現進行更詳細說明。如圖4所示，是本實用新型一個實施方式中的第一脈衝輸入電路110的電路原理圖，結合圖2,上橋臂驅動光纖將輸入脈衝A輸送給該電路,並輸出信號Ugl。第一脈衝輸入電路110包括ー個2521型脈衝輸入模塊SI以及用於反相的三極體電路。另外，第一脈衝輸入電路110在脈衝輸入模塊SI前端設置有由電解電容E1、穩壓管Zl和電容Cl組成的穩壓模塊，在脈衝輸入模塊SI的輸出端，R2、R3、R4用於分壓；三極體電路包括並聯的兩個ニ極管D1、D2、三極體T以及兩個電阻R1、R5。由於經2521型脈衝輸入模塊SI轉換後的脈衝同脈衝調製板的輸出脈衝相位相反，因此，可利用三極體電路對脈衝進行反相，以獲得同步的控制脈沖。當然，第一脈衝輸入電路110和第二脈衝輸入模塊120也可以採用其他常用的脈衝輸入電路結構。如圖5所示，是本實用新型的一個實施方式中的第一最小脈寬限制電路130的電路原理圖。第一最小脈寬限制電路130包括ー個4098型單穩模塊U1、用於該4098型單穩模塊Ul的脈寬時間的RC電路以及與該4098型單穩模塊Ul的輸出端相連接的或門模塊。其中，RC電路包括一個電阻R6以及ー個電容C2，或門模塊包括兩個或門元件U2和U3，可採用4071型或門元件。單穩模塊Ul可對脈衝進行最小脈寬限制，當單穩電路的輸入端有脈衝輸入吋，不管脈衝寬窄如何，輸出端總會產生ー個固定脈寬的脈衝，這就是所設定的最小脈寬，其脈寬時間可以通過改變R6和C2的參數進行調整，該脈衝同控制脈衝一起，送到或門模塊，當控制脈衝寬度大於最小脈寬時，或門模塊的輸出端產生同控制脈衝寬度一致的脈衝信號Ug3,當控制脈衝寬度小於最小脈寬時,或門模塊的輸出端則產生同最小脈寬ー致的脈衝信號Ug3，這樣就實現了對脈衝的最小脈寬限制。如圖6所示，是本實用新型的一個實施方式中的第一最小脈衝死區電路150的電路原理圖。第一最小脈衝死區電路包括ー個RC電路。該RC電路由電阻R12和電容C3搭建構成。用於在ー組脈衝關斷時，對另一組開通脈衝進行延時釋放，以保證無論脈衝調製板發出的兩路脈衝間有沒有死區間隔，都能使上下兩路脈衝在驅動端形成最小的死區間隔，從而增強了橋臂直通防護的效果，提高了系統保護的安全性。如圖7所示，是本實用新型的一個實施方式中的第一脈衝互鎖電路170的原理圖。第一脈衝互鎖電路170包括一個或非門模塊以及ー個與該或非門模塊相連接的與門模塊。或非門模塊包括U4、U5，與門模塊包括U6、U7，並且後端接有分壓電阻R7、R8。該電路中，第一最小脈寬限制電路130的輸出脈衝Ug3(即上臂脈衝信號)連接入第一脈衝互鎖電路170 的第一輸入端，即與門模塊U6、U7的輸入端,而將第二最小脈衝死區電路160的輸出信號Ug6和下臂輸出信號Ug4分別連接入第一脈衝互鎖電路170的第二輸入端和第三輸入端，即或非門U4、U5的輸入端。這樣，當發出上臂開通脈衝時，下臂的脈衝便無法輸出，同樣，當發出下臂開通脈衝後，上臂的脈衝就無法再輸出。在極端情況下，若是上下臂的控制脈衝同時出現，該互鎖電路可以同時封鎖上下臂兩路脈衝的輸出，從而保證任何時候，同一橋臂的上下開關模塊不會同時收到開通脈衝，從而保證了設備運行安全。該第一脈衝互鎖電路170輸出的輸出脈衝A隨後被輸送到後接的驅動板。綜上所述，本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接ロ単元，組成簡單、運行可靠，可有效地防止控制脈衝異常所導致的逆變器中逆變橋臂主迴路功率開關模塊損壞的隱患，提高了橋式逆變器的工作穩定性和可靠性，延長了逆變器的使用壽命，從而降低了因設備故障而產生的維修成本。
權利要求1.一種橋式逆變器脈衝互鎖接口單元，其特徵在於，包括 第一脈衝輸入電路、與該第一脈衝輸入電路的輸出端相連接的第一最小脈寬限制電路以及與該第一最小脈寬限制電路的輸出端相連接的第一脈衝互鎖電路，其中，該第一最小脈寬限制電路的輸出端連接到該第一脈衝互鎖電路的第一輸入端； 第二脈衝輸入電路、與該第二脈衝輸入電路的輸出端相連接的第二最小脈寬限制電路以及與該第二最小脈寬限制電路的輸出端相連接的第二脈衝互鎖電路，其中，該第二最小脈寬限制電路的輸出端連接到該第二脈衝互鎖電路的第一輸入端； 第一最小脈衝死區電路，該第一最小脈衝死區電路的輸入端與該第一最小脈寬限制電路的輸出端相連接，該第一最小脈衝死區電路的輸出端與該第二脈衝互鎖電路的第二輸入端相連接； 第二最小脈衝死區電路，該第二最小脈衝死區電路的輸入端與該第二最小脈寬限制電路的輸出端相連接，該第二最小脈衝死區電路的輸出端與該第一脈衝互鎖電路的第二輸入端相連接； 並且，該第一最小脈寬限制電路的輸出端與該第二脈衝互鎖電路的第三輸入端相連接，該第二最小脈寬限制電路的輸出端與該第一脈衝互鎖電路的第三輸入端相連接。
2.根據權利要求I所述的橋式逆變器脈衝互鎖接口單元，其特徵在於，所述第一脈衝輸入電路與第二脈衝輸入電路的結構相同，並且所述第一脈衝輸入電路包括一個2521型脈衝輸入模塊以及用於反相的三極體電路。
3.根據權利要求I所述的橋式逆變器脈衝互鎖接口單元，其特徵在於，所述第一最小脈寬限制電路與所述第二最小脈寬限制電路的結構相同，並且所述第一最小脈寬限制電路包括一個4098型單穩模塊、用於該4098型單穩模塊的脈寬時間的RC電路以及與該4098型單穩模塊的輸出端相連接的或門模塊。
4.根據權利要求I所述的橋式逆變器脈衝互鎖接口單元，其特徵在於，所述第一最小脈衝死區電路與所述第二最小脈衝死區電路的結構相同，並且，所述第一最小脈衝死區電路包括一個RC電路。
5.根據權利要求I所述的橋式逆變器脈衝互鎖接口單元，其特徵在於，所述第一脈衝互鎖電路與所述第二脈衝互鎖電路的結構相同，並且，所述第一脈衝互鎖電路包括一個或非門模塊以及一個與該或非門模塊相連接的與門模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種橋式逆變器脈衝互鎖接口單元，包括第一脈衝輸入電路、與該第一脈衝輸入電路的輸出端相連接的第一最小脈寬限制電路以及與該第一最小脈寬限制電路的輸出端相連接的第一脈衝互鎖電路；第二脈衝輸入電路、與該第二脈衝輸入電路的輸出端相連接的第二最小脈寬限制電路以及與該第二最小脈寬限制電路的輸出端相連接的第二脈衝互鎖電路；還包括第一最小脈衝死區電路和第二最小脈衝死區電路。本實用新型的橋式逆變器脈衝互鎖接口單元，組成簡單、運行可靠，提高了橋式逆變器的工作穩定性和可靠性，延長了逆變器的使用壽命，從而降低了因設備故障而產生的維修成本。
文檔編號H02M7/5387GK202652102SQ20122018786
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月27日 優先權日2012年4月27日
發明者金國平, 廖國斌, 周建平 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司