一种应用于直流母线系统的保护装置

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域，主要应用于储能逆变器等行业，特别涉及了一种应用于直流母线系统的保护装置。

背景技术

逆变器的直流母线（PCS BUS，下文简称PBUS）一般是光伏面板和电池输出通过DC-DC变换形成，再由DC模块连接到公共直流母线（Main BUS，下文简称MBUS）上。一旦某台逆变器损坏导致母线短路，所有连接到公共直流母线的逆变器都会受到影响甚至损坏，因此在DC模块中需要集成针对直流母线的保护装置。

目前在光伏领域常用的直流短路保护方案还是保险丝和断路器保护，这依赖于光伏组件和锂电池电芯的本身特性。但此方案的响应速度受限于保险丝和断路器特性，保护的时间都在数十微秒级甚至毫秒级，即最快也需几十微秒切断，远远无法满足几微秒关断需求，且保护后需要断电重启甚至更换器件。还有利用电流检测装置及单片机的保护方案，该方案的成本和完成复杂度较高。

另外，还有一些利用MOSFET的短路保护电路。这些方案主要针对低压应用，高压应用下高电压尖峰问题非常严重。这些方案考虑到MOSFET的抗短路能力弱，或者受是关断电压尖峰的影响，选择了大幅降额使用MOSFET或者是降低关断速度来减缓关断尖峰的影响。前者增加了成本，后者削弱了性能。而有源钳位电路需要新增控制信号，需要MCU的参与，增加了完成复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、可靠性高、完成复杂度低的应用于直流母线系统的保护装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种应用于直流母线系统的保护装置，所述直流母线系统包括逆变器直流母线和公共直流母线，所述逆变器直流母线的正极和所述公共直流母线的正极之间通过母线正极连线相连接，所述逆变器直流母线的负极和所述公共直流母线的负极之间通过母线负极连线相连接，所述应用于直流母线系统的保护装置包括串联在所述逆变器直流母线和所述公共直流母线之间的预充软启电路、短路保护电路和保险丝；

所述预充软启电路包括正极主开关和旁路开关，所述正极主开关和所述旁路开关并联后连接所述母线正极连线上；

所述短路保护电路包括背对背串联于所述母线负极连线上的两组MOSFET、用于驱动所述MOSFET的驱动器件、连接在所述母线正极连线和所述母线负极连线之间并位于所述MOSFET一侧的第一电容、连接在所述母线正极连线和所述母线负极连线之间并位于所述MOSFET另一侧的的第二电容、并联在所述第一电容两端的第一二极管、并联在所述第二电容两端的第二二极管、第三电容和第三二极管，所述第三电容和所述第三二极管串联后并联在所述第一电容两端。

所述预充软启电路还包括与所述旁路开关串联的第一电阻。

所述短路保护电路还包括第一开关和第二电阻，所述第一开关和所述第二电阻并联后连接在所述母线正极连线与所述第一电容之间。

每组MOSFET包括一个MOSFET管或多个并联的MOSFET管。

所述驱动器件包括带退饱和检测功能的驱动光耦。

所述保险丝包括串联在所述母线正极连线上的正极保险丝和串联在所述母线负极连线上的负极保险丝。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明成本低、可靠性高、完成复杂度低，适用于高压应用环境。

附图说明

附图1为本发明的应用于直流母线系统的保护装置的一个实施例的电路图。

附图2为本发明的应用于直流母线系统的保护装置的另一个实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图1所示，直流母线系统包括逆变器直流母线和公共直流母线，逆变器直流母线的正极（PBUS+）和公共直流母线的正极（MBUS+）之间通过母线正极连线相连接，逆变器直流母线的负极（PBUS-）和公共直流母线的负极（MBUS-）之间通过母线负极连线相连接。

一种应用于上述直流母线系统的保护装置，包括串联在逆变器直流母线和公共直流母线之间的预充软启电路、短路保护电路和保险丝。

保险丝包括串联在母线正极连线上的正极保险丝Fuse+和串联在母线负极连线上的负极保险丝Fuse-。

短路保护电路包括背对背串联于母线负极连线上的两组MOSFET、用于驱动MOSFET的驱动器件、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三电容C3和第三二极管D3。其中，第一电容C1连接在母线正极连线和母线负极连线之间并位于MOSFET一侧（靠近公共直流母线的一侧），第二电容C2连接在母线正极连线和母线负极连线之间并位于MOSFET另一侧（靠近逆变器直流母线的一侧）第一二极管D1并联在第一电容C1两端，第二二极管D2并联在第二电容C2两端，第三电容C3和第三二极管D3串联后并联在第一电容C1两端。该短路保护电路中的每组MOSFET包括一个MOSFET管或多个并联的MOSFET管，故整个短路保护电路中MOSFET管的绝对数量是2个/4个/6个等。驱动器件包括带退饱和检测功能的驱动光耦。短路保护电路中存在寄生参数——走线电感L。

如附图2所示，在另外的实施例中，短路保护电路在此基础上还包括第一开关K1和第二电阻R2，第一开关K1和第二电阻R2并联后连接在母线正极连线与第一电容C1之间。

预充软启电路包括正极主开关BAT+Relay和旁路开关Pre-charge Reply，正极主开关BAT+Relay和旁路开关Pre-charge Reply并联后连接母线正极连线上。预充软启电路还包括与旁路开关Pre-charge Reply串联的第一电阻R1。

上述方案的设计思路如下：

（1）保险丝直接串联在正负回路上使用。

（2）为实现几微秒短路保护，本方案将使用一种利用MOSFET的短路保护方案，并发明了一种新型吸收电路，吸收关断电压尖峰并抑制LC振荡。

将一组MOSFET背对背串联置于母线负极连线中，采用带退饱和检测功能的驱动光耦来做MOSFET的驱动器件。正常工作时MOSFET常通，若PBUS侧短路，MOSFET电流急剧上升，光耦检测到MOSFET的DS压降上升，直至超过光耦内设阈值电压，封锁驱动。第一电容C1和第二电容C2吸收MOSFET关断瞬间的D极电压尖峰，第二二极管D2为短路侧电感Lpbus续流（此时电压方向为下正上负）提供低阻抗通路。同时，MBUS侧的长导线寄生电感Lmbus和第一电容C1、第三电容C3形成的LC振荡电压幅值由于大电解电容C3的存在降到较低，不会形成危险的高压。为防止反接导致电解电容过压，在第三电容C3上串联了第三二极管D3。

MBUS侧短路的时候同理，第二电容C2和第一电容C1吸收关断瞬间电压尖峰，在MOSFET关断后，第一二极管D1为短路侧电感Lmbus提供低阻抗通路。由于PBUS侧无长导线、无较大线感，也就不存在高压寄生振荡，不需要电解电容的参与。

（3）预充软启电路的作用是防止两个电压不同的电容对冲时产生的尖峰电流。首先旁路开关Pre-charge Relay和连接再在母线负极连线上的负极主开关BAT- Relay闭合开始预充，第一电阻R1起到限流作用，在检测到第一电阻R1两侧压差足够小时，闭合正极主开关BAT+ Relay，然后断开旁路开关Pre-charge Relay，软启完成。

特别注意的是，该预充电路能够实现双向预充。在PBUS侧向MBUS侧充电时，为了避免第二电容C2对第一电容C1的充电形成大尖峰电流导致MOSFET触发短路保护关断，增加了第二电阻R2和第一开关K1。在预充时第二电阻R2可以实现限流，预充完成后第一开关K1闭合实现旁路，否则MOSFET关断时第二电阻R2上形成的压降加到MOSFET的D极会导致其损坏。

本专利通过以上三组电路的组合实现了直流母线系统的保护，其有益效果在于：

1.可以实现双向预充软启功能；

2.本方案可以实现3微秒级别的短路保护，且MOSFET安全关断，可以在系统恢复正常后再次驱动导通。MOSFET按正常选型，无需大幅降额使用；

3.使用无源器件实现完全吸收，成本低，可靠性高。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。