逆变器保护电路设计要点

安阳师范学院本科学生毕业设计报告逆变器保护电路设计

作者秦文

系（院）物理与电气工程学院

专业电气工程及其自动化

年级 2008级专升本

学号 081852080

指导教师潘三博

日期 2010.06.02

成绩

学生承诺书

本人郑重承诺：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：日期:

论文使用授权说明

本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

签名: 导师签名: 日期:

逆变器保护电路设计

秦文

（安阳师范学院物理与电气工程学院，河南安阳 455002）

摘要:本文针对SPWM逆变器工作中的安全性问题，阐述了如何利用电路实现保护复位和死区调节。在PWM三相逆变器中，由于开关管存在一定的开通和关断时间，为防止同一桥臂上两个开关器件的直通现象，控制信号中必须设定几个微秒的死区时间。尽管死区时间非常短暂，引起的输出电压误差较小，但由于开关频率较高，死区引起误差的叠加值将会引起电机负载电流的波形畸变，使电磁力矩产生较大的脉动现象，从而使动静态性能下降，降低了开关器件的实际应用效果，但是却对逆变器的安全运行意义重大。

关键词:保护电路；复位电路；死区调节

1 引言

在现在的系统中电力器件的应用也越来越广而与此同时对器件的保护也被认识了其重要性。电子器件很易被损坏，保护电路的要求也很苛刻。在工程应用中，为了使SPWM 逆变器安全地工作，需要有可靠的保护系统。一个功能完善的保护系统既要保证逆变器本身的安全运行，同时又要对负载提供可靠的保护。

随着电力电子技术的发展，功率器件如IGBT、MOSFET等广泛应用于PWM变流电路中。对于任何固态的功率开关器件来讲，都具有一定的固有开通和关断时间，对于确定的开关器件，固有开通和关断时间内输入的信号是不可控的，称为开关死区时间，它引起开关死区效应，简称为死区效应。在电压型PWM逆变电路中，为避免同一桥臂上的开关器件直通，必须插入死区时间，这势必导致输出电压的误差。该误差是谐波的重要来源，它不但增加了系统的损耗，甚至还可能造成系统失稳。

随着电力电子技术的发展,逆变器主电路、控制电路发生了较大变化,其性能不断改善,当然,保护电路也应随之作相应完善。逆变器保护电路主要包括过压保护、过载(过流) 保护、过热保护等几个方面。

本文仅就保护复位电路与死区控制电路与的实现进行了分析和研究。

2 保护电路设计

较之电工产品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。

2.1 死区控制电路的结构设计

死区控制电路的电路拓扑结构如图所示，其主要功能是确保主电路中的开关管S

1、S

2

不能同时导通。死区电路的波形图如图1所示，从图中可以明显地看出开关管S

1和S

2

的驱

动信号没有使S

1与 S

2

同时导通的重叠部分，这就是两个主开关管之间存在所谓的“死区”。

而通过改变HEF4528芯片的输出信号脉宽，就可以调节驱动信号的脉宽。（具体的方式是

通过改变HEF4528芯片的外接RC电路的参数值实现的，如图2所示）如图3所示R

t 、C

t

的值与输出脉宽的关系在本文中，选择电位器P2的阻值为10kΩ,电容C237的容值为103pF，因此由图3可知，输出信号的脉宽大约为10μs 。

图1 死区电路调节电路的波形

图2 死区调节控制电路的结构

图3 R t、C t的值与输出脉宽的关系

以逆变器的其中一个桥臂为例，进行分析死区时间的影响。假设负载为感应电机，如图4所示。

图4 逆变器一相桥臂的死区效应分析

在功率器件开通关断时，逆变器输出电压由于死区的影响在电流极性不同时会表现出

不同的形式。当开通功率开关管(IGBT)VT

2时，VT

1

必须关断，如果开通速度比关断速度快，

将会在桥臂上产生直通电流而导致损坏器件，因此需要插入死区时间。由于是感性负载，

输出电流i

1通过续流二极管进行续流，二极管的导通取决于电流I

1

的方向。当I

1

>0时，

有两种工作状态，正常工作状态时，桥臂的上管VT

1开通，VT

2

关断，电流通过VT

1

流向电

机；而在死区时间内，VT

1、VT

2

都关断，此时电流通过下管的续流二极管VD

2

完成续流，

保持电流流向电机。当I<0时，同样也有两种工作状态：正常工作状态时，下管VT

2

开通，

上管VT

1关断，电流通过VT

2

形成通路；在死区时间工作状态时，VT

1

、VT

2

都关断，此时电

流通过上管的续流二极管VD

1

完成续流，保持电流形成通路。

2.2 保护复位电路的结构设计

保护复位电路的电路拓扑结构如图5所示，它的主要功能是当驱动信号发生电路中的电流较大时，产生复位保护信号，即图中的STOP信号。下面简要介绍保护复位电路的基

本工作原理：保护复位电路的输入信号来自驱动信号发生电路的电流检测器ISENSOR。当流过ISENSOR的电流较大时，此时电阻R83两端的压降增大，运算放大器U18D的输出为高电平。由于双D型触发器4013的时钟和D信号引脚接地，则该触发器具有R-S触发器的功能。当运算放大器的输出为高电平时，即R引脚的信号为高电平，此时触发器被复位，触发器的输出端Q为低电平，即STOP信号为低电平。当STOP信号为低电平时，三输入与门U10A 4073（如图5所示）的输出被强制限定为低电平。而4013触发器的另一输出通过RC回路（如图中R98和E15）充电，当充电到一定时候，S引脚为高电平，根据触发器的功能表可见，STOP信号重新变成高电平，这时STOP信号对三输入与门的工作没有影响，实现了保护复位功能。通过选择合适的电阻、电容值,可以确定保护复位的时间，在本文中，选择电阻为750kΩ，电容为4.7μF使复位时间为1.5s。

图5 保护复位电路的结构

2.3 过电压的保护

2.3.1 过电压的产生

电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接，电源变压器的绕组与绕组、绕组与地之间都存在着分布电容，如图6 所示。变压器一般为降压型，即电源电压u 高于变压器次级电压。电源开关断开时，初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0；当电源合闸时，由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值，它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。

图6 交流侧过电压

在进行电源拉闸断电时也会造成过电压，在通电的状态将电源开关断开将使激磁电流从一定的数值迅速下降到0，由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产生较大的感应电压，因为电压为Ldi/dt，在电感一定的情况下，电流的变化率越大，产生的过电压也越大。这

个电压的大小与拉闸瞬间电流的数值有关，在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt 最大，过电压也就越大。可见，合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生机理是完全不同的。

在电力电子设备的负载电路一般都为电感性，如果在电流较大时突然切除负载，电路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压。另外电力电子器件的换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压。上述过电压大都发生在电路正常工作的状态，一般叫做操作过电压。

雷电和其它电磁感应源也会在电力电子设备中感应出过电压，这类过电压发生的时间和幅度的大小都是没有规律的，是难以预测的。

2.3.2 过电压保护措施

2.3.2.1 阻容保护

过电压的幅度一般都很大，但是其作用时间一般却都很短暂，即过电压的能量并不是很大的。利用电容两端的电压不能突变这一特点，将电容器并联在保护对象的两端，可以达到过电压保护的目的，这种保护方式叫做阻容保护。起保护作用的电容一般都与电阻串联，这样可以在过电压给电容充电的过程中，让电阻消耗过电压的能量，还可以限制过电压时产生的瞬间电流。并且R的接入还能起到阻尼作用，防止保护电容和电路的电感所形成的寄生振荡。图7为电源侧阻容保护原理图。图（a）为单相阻容保护电路，图（b）、（c）为三相阻容保护电路，RC网络接成星型，如图（b）；也可以接成三角形，如图（c）。电容越大，对过电压的吸收作用越明显。在图7中，图（a）为单相阻容保护，阻容网络直接跨接在电源端，吸收电源过电压。图7（b）为接线形式为星型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压，图7（c）为接线形式为三角型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压。显然，三角型接线方式电容的耐压要为星型接线的3倍。但是无论哪种接线，对于同一电路，过电压的能量是一样的，电容的储能也应该相同，所以星型接线的电容容量应为三角形的3倍。也就是说两种接线方式电容容量和耐压的乘积是相同的。

图 7 阻容保护

2.3.2.2 整流式阻容保护

阻容保护电路的RC直接接于线路之间，平时支路中就有电流流动，电流流过电阻必然要造成能量的损耗并使电阻发热。为克服这些缺点可采用整流式阻容RC保护电路，阻容式

给C 充电，电路RC保护电路如图8所示。三相交流电经二极管整流桥变为脉动直流电，经R

1

正常工作无过电压时电容两端保持交流电的峰值电压，而后整流桥仅给电容回路提供微弱的电流，以补充电容放电所损失的电荷。由于与C并联的R

阻值很大，电容的放电非常慢，

2

因此整流桥输出的电流也非常小。一旦出现过电压，过电压的能量被电容吸收，电容的容量足够大，可以保证此时电容电压的数值在允许范围之内，从而也使交流电压不超过规定值。过电压消失后，电容经R2放电使两端电压恢复到交流电正常时的峰值。由此可以看出，R

越大整个电路的功耗越小，但过电压过后电容电压恢复到正常值的时间也越长，因此大2

小受到两次过电压时间最小间隔的限制。

图8 整流式阻容保护电路

2.3.2.3 非线性元件保护

图9 压敏电阻的伏安特性

用的非线性保护元件有压敏电阻和硒堆，它们的共同特点是其两端所加电压的绝对值小于一定数值时元件的电流很小，外加电压一旦上升到某一定的数值，就会发生类似于稳压管的击穿现象，元件的电流会迅速增大而元件两端的电压保持基本不变，这一电压叫做击穿电压。压敏电阻的伏安特性如图9 所示。利用这一特性，将非线性保护元件并联在欲保护的电路的两端，就会将此处的电压限制在元件击穿电压的电压范围之内。

2.3.2.4 过电流的保护

电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。过电流有过载和短路两种情况。常用的过电流保护措施如图10所示。一台电力电子设备可选用其中的几种保护措施。针对某种电力电子器件，可能有些保护措施是有效的而另一些是无效的或不合适的，在选用时应特别注意。

图10 过电流保护

交流断路器保护是通过电流互感器获取交流回路的电流值，然后来控制交流电流继电器，当交流电流超过整定值时，过流继电器动作使得与交流电源连接的交流断路器断开，

切除故障电流。应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子器件所允许的最大电流瞬时值，否则如果电流达到了器件的最大电流过流继电器才动作，由于器件耐受过电流的时间极短，在继电器和断路器动作期间电力电子器件可能就已经损坏。来自电流互感器的信号还可作用于驱动电路，当电流超过整定值时，将所有驱动信号的输出封锁，全控型器件会由于得不到驱动信号而立即阻断，过电流随之消失；半控型器件晶闸管在封锁住触发脉冲后，未导通的晶闸管不再导通，而已导通的晶闸管由于电感的储能器件不会立即关断，但经一定的时间后，电流衰减到0，器件关断。这种保护方式由电子电路来实现，又叫做电子保护。与断路器保护类似，电子保护的电流整定值也一般应该小于器件所能承受的电流最大值。

快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施，与其它保护措施配合使用。根据电路的不同要求，快速熔断器可以接在交流电源侧（三相电源的每一相串接一个快速熔断器），也可以接在负载侧，还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联。接法不同，保护效果也有差异。熔断器保护有可以对过载和短路过电流进行“全保护”和仅对短路电流起作用的短路保护两种类型。

2.3.2.5 MOSFET的栅极保护

MOSFET的栅极有一层氧化物绝缘层，所以其栅-源之间有很高的输入电阻。而这一绝缘层又是很脆弱的，只能承受几十伏的电压。由于绝缘性能好，栅极所聚集的静电没有释放的途径，可能产生较高的电压使绝缘层击穿而损坏器件。所以必须对MOSFET的栅-源之间采取专门的保护措施。其方法是：（1）栅极驱动电路的输出电压不得超过±20V；（2）在栅极和源极之间并联一定数量的电阻，为聚集的静电荷提供释放通路；（3）在栅极和源极之间并联稳压二极管支路，该支路由两个反向串联的稳压二极管组成，其稳压值分别限制栅-源之间的正向和反向电压；（4）在储存和运输时将MOSFET置于金属或其它导电材料制成的容器中或将器件的引脚短路，防止静电的产生和积累。

2.4 平均值过压保护电路

此时的逆变器保护电路可采用如图1所示电路构成。逆变器的输出端接取样变压器T，

取样变压器应保证取样得到的电压波形不失真，并将电压降低到适当值，经二级管D

1、D

2

全

波整流后,再经R

0、C

1

滤波成直流电压,经分压电阻分压后取得信号电压VS，VS送到MC3423

的检测输入端“1”，与内部参考电压VREF进行比较。VREF的典型值约为2.6V。

图11 逆变器平均值过压保护电路

若VS > VREF，则MC3423 经过延时TD 之后，即由“8”端输出高电平(以下称保护关

断电平)，去关断SPWM调制器及逆变器主电路，并同时通过R

4

和“5”端的闭环连接，实现自锁，使保护状态一直维持到人工恢复为止。过压保护时“6”端为低电平，此时可点亮

过压指示灯。电容C

2

是为了滤除干扰而设置的延时电容,其作用是使MC3423 从输入过压信号到输出“保护关断电平”需要经过一个延迟时间“TD”，这样可以滤除脉宽很窄的干扰

脉冲。当然，与此同时真实的过压保护信号持续时间T

1必须足够长，保证T

1

>TD，这样才

能实现可靠的保护关断。R

1、R

2

、R

3

用来调整过压信号的衰减比例，以便调整过压保护阀值。

滤波网络R

0、C

1

以及电阻R

1

、R

2

、R

3

决定了滤波时间常数，因此它们的阻值和容值不能选得

太大，否则会影响保护的动态响应。若用这种电路进行有效值过压保护时，要用逆变器输出电压的有效值来校正过压保护阀值。

3 实验结果分析

图12中所测波形为死区控制电路所测波形，死区时间为4us，图13中所测波形为复位电路所测波形，复位时间为1.5us，与理论分析结果完全一致。

图12 死区控制电路波形

图13 复位电路波形

4 总结

在本次毕业设计中，通过对逆变器保护电路设计，使我对保护电路的工作原理，功能有了进一步的了解，并对保护电路原理有了新的认识。

在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是下手很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是没有经常动手设计电路。另外，看外文资料的能力不行，而且很多元器件的使用弄清楚，现在要用到的时候不得不花大量的时间去查阅各种资料，因此整个过程时间安排不合理。由于设计的计划没有安排好，设计的时间极为仓促，尤其是在硬件调试的过程中出现了很大的问题。另外资料的查找也是一大难题，这就要求我在今后的学习中，应该注意到这些问题。

致谢

我这次做逆变器保护电路设计，有关设计的很多细节问题也都多亏潘三博老师的悉心指导。尤其是在写论文时我遇到了很多问题，潘老师提供了大量宝贵的意见和指导，付出了大量的劳动，他的热情和耐心深深的打动了我。他不但教会我很多的专业知识，而且在精神上鼓励我。不抛弃，也不放弃。正是在他的影响下，我克服了很多困难，才得以逐步成设计。在此，我向潘老师表示衷心的感谢！另外还有我班的同学在本毕业设计中也提供了大量的帮助，在此一并表示深深的谢意。

时间如白驹过隙，大学生活即将结束，我们就要走上工作岗位。在此，再一次向在大学期间给予我无私关心和帮助的老师们表示感谢，祝福老师们身体健康，家庭幸福，工作顺利！祝福我的同学们都能够事业有成！

参考文献

[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]关振源，张敏.隔离单端反激式开关电源设计[M].上海：同济大学中德学院，1999.

[3]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社, 2000.

[4]曲学基，王曾福.稳压电源实用电路选编[M].北京：电子工业出版社，1999.

[5]杨荫福，段善旭.朝泽云电力电子装置及系统[M].北京：清华大学出版社，2006.

[6]李序葆，赵永健.电力电子器件及其应用[M].北京：机械工业出版社，1996.

[7]阮毅，陈维钧.运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2006.

Design of Inverter Protection Circuit

Qin Wen

（School of Physics and Electrical Engineering, Anyang Normal University, Anyang,

Henan 455002）

Abstract:Based on SPWM inverter of work safety problems and expounds how to use circuit protection and dead zone. In the PWM three-phase inverter, due to the existence of certain switch opening and closing time, to prevent the same bridge arm two switching device, control signals through a few microseconds death must be set time zone. Although very short time of dead zone, the output voltage error caused by small, but due to the high frequency switching and dead zone of superposition cause errors will cause electrical load current waveform distortion, make the electromagnetic torque pulsation of the larger phenomenon, thereby static-dynamic performance decline, reduces the effect of switching devices, but for safe operation of the inverter is of great significance.

Key words: protection circuit; reset circuit; deadtime