CN102854370B - 用于检测支线分路电流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测支线分路电流的装置和方法，所述装置包括电流电压转换器、信号映射器、电路保护器和控制器。所述电流电压转换器将从支线分路电阻输入的电流信号转换为电压信号。所述信号映射器将转换后的电压信号映射为在预定范围内的电压信号。所述电路保护器将从所述信号映射器输出的电压信号限制到特定的幅度。所述控制器通过读取从所述信号映射器输出的电压信号来检测输入的电流信号的幅度并且基于检测到的电流的幅度来控制所述信号映射器的操作。

Description

用于检测支线分路电流的装置

技术领域

本发明的方案涉及一种用于检测支线分路电流(legshuntcurrent)的装置和方法。

背景技术

经济性变频器在全世界范围内是最畅销的产品。当前，经济性变频器仍然是在几个公司之间价格竞争最激烈的产品。按照这种趋势，研发了使用廉价模块的变频器，或者研发了用于检测电流的算法，这是因为电流检测元件从使用现有的霍尔传感器的电流互感器CT改变为使用分路电阻的电流检测方法。特别地，使用分路电阻的电流检测方法包括输出端子分路方法、DC链接(DC-link)端子分路方法、在IGBT的发射极和DCN之间的支线分路方法等。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于使用三个支线分路电阻来检测电流的装置和方法。

本发明的实施例还提供了一种用于依靠检测到的电流信号的幅度来提供过电流警告信号或过电流控制信号的装置。

根据本发明的一个方案，提供了一种用于检测支线分路电流的装置，所述装置包括：电流电压转换器，其被配置为将从支线分路电阻输入的电流信号转换为电压信号；信号映射器，其被配置为将转换后的电压信号映射为在预定范围内的电压信号；电路保护器，其被配置为将从所述信号映射器输出的所述电压信号的幅度限制到特定幅度；和控制器，其被配置为通过读取从所述信号映射器输出的所述电压信号来检测输入的所述电流信号的幅度并且基于检测到的电流的幅度来控制所述信号映射器的操作。

根据本发明的一个方案，所述信号映射器进一步被配置为根据放大率对转换后的电压信号进行放大并且向放大后的信号增加偏移量。

根据本发明的一个方案，所述控制器进一步被配置为控制放大率或偏移量以便将转换后的电压信号映射为在预定范围内的电压信号。而且，所述控制器进一步被配置为：将检测到的电流的幅度与基准幅度进行比较，并且当检测到的电流的幅度大于所述基准幅度时生成警告信号。

根据本发明的一个方案，所述控制器进一步包括：信号分配器，其被配置为将从所述信号映射器输出的信号分为沿两条路径的信号；第一比较器，其被配置为将沿两条路径之一的信号的幅度与第一基准电平进行比较；放大器，其被配置为对沿两条路径中的另外一条路径的信号进行放大；电压移相器，其被配置为向放大后的信号增加偏移量；第二比较器，其被配置为将从所述电压移相器输出的信号的幅度与第二基准电平进行比较；和信号发生器，其被配置为基于第一比较器和第二比较器的比较结果来生成过电流信号。

根据本发明的一个方案，所述控制器进一步被配置为当所述第二比较器判定出所述信号的幅度在第一基准电平和第二基准电平之间时生成过电流警告信号。而且，所述控制器进一步被配置为当所述第一比较器判定出所述信号的幅度大于第一基准电平时生成过电流控制信号。

附图说明

本发明的这些和/或其他方案和优点将通过以下结合附图对实施例的描述变得明显和更容易理解，其中：

图1显示了根据现有技术的使用霍尔传感器的变频器模块和用于检测在变频器模块的输出端子处的电流的电路；

图2显示了根据本发明的实施例的用于使用支线分路电阻来检测支线分路电流的变频器模块；

图3显示了根据本发明的实施例的用于检测支线分路电流的装置；

图4显示了根据本发明的实施例的用于检测在检测所述支线分路电流的装置中的瞬态电流的装置；

图5显示了根据本发明的实施例的用于检测所述支线分路电流的电路图；和

图6显示了根据本发明的实施例的用于检测在检测所述支线分路电流的装置中的过电流的电路。

具体实施方式

在下文中参考显示了本发明实施例的附图来更充分地描述本发明。然而，本发明可以许多不同的形式被实施，并且不应当被解释为限于这里提出的实施例。相反，这些实施例的提出是为了使本公开更全面，并且将使本领域技术人员充分地了解本发明的范围。

图1显示了根据现有技术使用的变频器模块100。该变频器模块100接收三相AC电源1，并且整流器2对三相正弦电压进行整流。然后，使用平滑电容器4对整流后的电压进行平滑，从而获得平滑后的电压。在变频器6中，使用平滑后的电压来执行用于驱动电动机的开关。所述变频器6接收通过开关产生的从使用内置的霍尔传感器的电流互感器反馈的电流，以便生成作为用于连接到输出单元8的电动机所需的电压和适合电动机频率的电压的电压。在初始充电期间，平滑电容器4向充电电路3请求阻止瞬态浪涌电流。假如连接到输出单元8的电动机被复位，则可以将用于阻止平滑电容器4的电压过量地增加的制动单元5添加到平滑电容器4中。在实际实施中，制动电阻通过被固定在制动单元5的外部而被使用。

图2显示了根据本发明的实施例的用于检测支线分路电流的变频器模块200。三个支线分路电阻R52、R51和R50可以分别连接到三个IGBT的发射极输出端7、9和11。端口IU+、IV+和IW+连接到三个分路电阻的侧面，从而检测分路电流。

根据变频器模块的操作顺序，在驱动电路的电源被建立之前，使DC电压增加。当DC电压被增加时，电压被施加到两个IGBT输出端子，并且在IGBT的栅极和发射极之间的电压随着电压的分压而增加。假如电压超过作为IGBT的栅极阈值电压的最小值5V，则电流通过IGBT，因此，可能会发生诸如短路的事故。

尽管存在依靠在IGBT的集电极和发射极之间的电压V_CE的微小变化，IGBT的基极和集电极之间的内部电容器的电容大约为15/93pF。将计算电压变化dv/dt。假如在IGBT的栅极和发射极之间的下拉电阻(pull-downresistance)为8.2kΩ，则对于5/(8.2×10³)/(93×10^-12)×10^-6＝6.5V/us(dv/dt＝i/c＝v/r/c)的电压增加率，电流不会通过IGBT。具有252V电力的最大瞬时电压是356V。假如整流电容器的电容是2240μF，则最小必要充电电阻是356/2240/5.5＝29mΩ。通过将18V级别的齐纳二极管(MMSZ4705)分别连接到位于图2中的下端的三个IGBT的栅极来阻止栅极电压的增加，以便IGBT的电流被限制在预定值。

图3显示了根据本发明的实施例的用于检测支线分路电流的装置300。装置300可以包括：电流电压转换器310，其将从支线分路电阻输入的电流信号转换为电压信号；信号映射器320，其将转换后的电压信号映射为在预定范围内的电压信号；电路保护器330，其将从所述信号映射器320输出的电压信号限制到特定幅度；和控制器340，其通过读取从所述信号映射器320输出的电压信号来检测输入的电流信号的幅度并且基于检测到的电流信号的幅度来控制信号映射器的操作。

电流电压转换器310可以接收从支线分路电阻输入的电流信号。输入的电流信号可以通过电流电压转换器310被转换为电压信号。转换后的电压信号可以通过与基准电压信号进行比较而被放大或电平移相。信号映射器320可以将通过电流电压转换器310转换后的电压信号映射为预定的电压信号。信号映射器320可以通过对转换后的电压信号进行放大并且向放大后的电压信号增加偏移量来将转换后的电压信号映射为在特定范围内的电压信号。信号映射器320可以将转换后的电压信号映射为具有连接到其输出侧的控制器340的允许输入电压，例如在0.0V到3.0V范围内的电压。例如，该映射能够将从所述支线分路电阻输入的电流信号的幅度映射为在0.0V到3.0V范围内的电压。

信号映射器320可以调整用于放大电压的放大率以便确定映射范围。例如，信号映射器320可以通过控制在实际电路配置中的电阻率来调整放大率。

电路保护器330可以限制由所述信号映射器320映射的电压信号的幅度。电路保护器330可以限制输入至连接到信号映射器320的输出侧的控制器340的电压信号的幅度以免超过在特定范围内的值。例如，电路保护器330可以是具有钳位功能的电路。从信号映射器320输出的电压信号的幅度可以在设计装置300的过程中被确定。然而，在具有大于或者小于控制器340的允许输入电压的幅度的电压从信号映射器320被输出的情况下，电路保护器330用来保护控制器340、所述装置或其他组件。

控制器340可以通过读取从信号映射器320输出的电压信号来检测输入的电流信号的幅度并且基于检测到的电流信号的幅度来控制信号映射器320的操作。控制器340可以读取由信号映射器320映射且输出的电压信号的幅度并且检测对应于电压信号的幅度的支线分路电流的幅度。关于对应于电流信号的幅度的电压信号的幅度的信息可以被储存在控制器340的表(table)中，并且相应的幅度可以由用户限定。

控制器340可以检测从信号映射器320输出的信号。输出的信号可以是具有在0.0V到3.0V范围内的电压的信号。例如，基于作为基准的1.5V，在0.0V到1.5V范围内的电压可以是在负区域(或反向方向)的电流，而在1.5V到3.0V范围内的电压可以是在正区域(或正向方向)的电流。控制器340可以使用在上述表中的信息来检测支线分路电流的幅度。

控制器340可以基于检测到的电流信号的幅度来控制信号映射器320的操作。控制器340可以通过接收从信号映射器320输入的电压并且判定输入的电压是否对应于在适当范围内的电压来控制信号映射器320改变其放大率或偏移量。控制器340可以通过比较检测到的电流信号的幅度来生成用于判定是否有瞬态支线分路电流流过的警告信号。为此目的，控制器340可以包括警告信号发生器。

图4显示了用于检测过电流的装置400。装置400可以包括：信号分配器410，其将从信号映射器输出的信号分为沿两条路径的信号；第一比较器420，其将沿两条路径之一的信号与第一基准电平进行比较；放大器430，其对沿两条路径中的另外一条路径的信号进行放大；电压移相器440，其向放大后的信号增加偏移量；第二比较器450，其将从电压移相器400输出的信号与第二基准电平进行比较；和信号发生器460，其基于第一比较器420和第二比较器450的比较结果来生成过电流信号。

信号分配器410可以基于基准电压(以上描述的1.5V)将从信号映射器输出的信号分为沿两条路径的信号。例如，第一路径可以是检测正向方向的电流所获取的信号输入的路径，而第二路径可以是检测反向方向的电流所获取的信号输入的路径。

沿第一路径的信号可以经由整流元件被输入到第一比较器420以用于与第一基准电平进行比较。如上所述，沿第一路径的信号可以是具有1.5V到3.0V电压的信号。因为信号是通过检测正向方向的电流而获取的，所以信号能够被输入到第一比较器420而无需转换信号。

第一比较器420可以将沿第一路径的信号与第一基准电平进行比较。在沿第一路径的信号大于第一基准电平的情况下，第一比较器420输出高电平信号。在沿第一路径的信号小于第一基准电平的情况下，第一比较器420输出低电平信号。可替代地，反之亦然。

沿第二路径的信号可以经由整流元件通过放大器430和电压移相器440被输入到第二比较器450。如上所述，沿第二路径的信号为具有0.0V到1.5V电压的信号。因为沿第二路径的信号是通过检测反向方向的电流而获取的，所以信号可以在转换电流的幅度(或电流的绝对幅度)之后被输入到第二比较器450。

例如，在具有0.0V到1.5V电压的沿第二路径的信号中，0.0V的信号可以是具有最大幅度的反向电流，而1.5V的信号可以是具有最小幅度的反向电流。因此，为了方便第二比较器450的比较处理，有必要执行对沿第二路径的信号进行转换以使其具有与沿第一路径的信号类似的正幅度的处理。

放大器430可以对沿第二路径的信号进行放大。因为沿第二路径的信号具有如上所述的反向电流的幅度，所以为了在第二比较器450中比较的目的，信号有必要被放大和电平移相。电压移相器440可以对放大后的信号的幅度进行移相。第二比较器450可以将移相后的信号与第二基准电平进行比较。在沿第二路径的信号大于第二基准电平的情况下，第二比较器450输出高电平信号。在沿第二路径的信号小于第二基准电平的情况下，第二比较器450输出低电平信号。可替代地，反之亦然。

信号发生器460可以基于第一比较器420和第二比较器450的比较结果来生成过电流信号。过电流信号可以包括与过电流信号的通知有关的信号。例如，过电流信号可以包括过电流警告信号或过电流控制信号。

控制器340可以控制第一比较器420的第一基准电平、第二比较器450的第二基准电平或用于电平移相的偏移量。

图5显示了用于测量输出到支线分路电阻的支线分路电流的装置500。尽管在图5中简单地显示了一个电路，但是除了这个电路之外，分别与相位对应的两个电路实质上也是必要的。

在图5中，输入信号电流IU+从连接到IGBT的发射极的支线分路电阻被输入。通过OP-AMP(U7A，比较器)对IU+增加偏移量而获取电压，并且输入到控制器的电流信号为IU_AD。将对图5的电路进行分析。假定在OP-AMP中的两个输入端口的电压分别为V₊和V_-。

$V_{+}=V_{-}=\frac{R_4}{(R_4+R_5)}*V_{\mathrm{IU}}.$

而且， $\frac{V_{+}-V_{\mathrm{in}}}{R_1}+\frac{V_{+}-V_{\mathrm{REF}}}{R_2}+\frac{V_{+}}{R_3}=0.$

因此， $V_{\mathrm{IU}}(1+\frac{R_5}{R_4})\left(\frac{R_2{R}_3}{R_1{R}_2+R_2{R}_3+R_1{R}_3}\right)V_{\mathrm{in}}+(1+\frac{R_5}{R_4})\left(\frac{R_1{R}_3}{R_1{R}_2+R_2{R}_3+R_1{R}_3}\right)V_{\mathrm{REF}}.$

假如对其进行简化，则V_IU＝G^*V_in+H^*V_REF，其中，G和H分别为

$G=(1+\frac{R_5}{R_4})\left(\frac{R_2{R}_3}{R_1{R}_2+R_2{R}_3+R_1{R}_3}\right),$ 和

$H=(1+\frac{R_5}{R_4})\left(\frac{R_1{R}_3}{R_1{R}_2+R_2{R}_3+R_1{R}_3}\right).$

假如假定R₁＝R₄＝R_g1，R₂＝R₃＝2R_g2且R₅＝R_g2，则因此，放大率可以通过调整R_g1和R_g2来控制，并且V_IU可以通过调整V_REF来控制。因为控制器的允许输入电压为0V到3V，V_IU可以受控制。例如，在支线分路输出电压是最大值的情况下，V_IU输出为3V。在支线分路输出电压是最小值的情况下，V_IU输出为0.0V。在控制器中的A/D转换器的允许输入电压D₂输出的电压大于或者小于0.0V到3.0V的情况下，所述装置为用于使电压钳位到DCN(GND)到3.0V的电路。

图6显示了根据本发明的实施例的用于检测在检测支线分路电流的装置中的过电流的电路600。在图6中，IU、IV和IW的波形是通过对1.5V的偏移电压进行移相而获得的，并且可以为基于1.5V的在0.0V到3.0V之间的正弦波形。过电流信号或过电流控制信号能够通过对这些波形进行整流而被检测到。

对图6分析如下。为了简化，将仅分析三相中的一相(仅仅是IU、IV和IW中的IU)。IU是从信号映射器输出的信号。输出的信号具有正弦波形，并且在波形中的正的部分将显示为D₃的输出，其为通过衰减D₃和D₄的两个电压的波形而获得的电压。

在波形中的负的部分可以通过沿D₄的反向方向而输入到OP-AMP。假如R₂₆的第一端子表示为V_in，U7D的第十二端子表示为V₊，U7D的第十三端子表示为V_-而U7D的第十四端子表示为V_out，

则 $V_{+}=\frac{\mathrm{REF}3.0}{R_{24}+R_{81}}*R_{81}=\frac{3V}{20\mathrm{K\Ω}+20\mathrm{K\Ω}}\×20\mathrm{K\Ω}=1.5V,$ 和

$\begin{array}{c}{V}_{-}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{R_{26}+R_{27}}*R_{27}+\frac{V_{\mathrm{out}}}{R_{26}+R_{27}}*R_{26}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{20\mathrm{K\Ω}+20\mathrm{K\Ω}}\×20\mathrm{K\Ω}+\frac{V_{\mathrm{out}}}{20\mathrm{K\Ω}+20\mathrm{K\Ω}}\×20\mathrm{K\Ω}\\ =\frac{1}{2}(V_{\mathrm{in}}+V_{\mathrm{out}})\end{array}.$

假如V₊＝V_-，则V_out为而V_out＝-V_in+3(V)。

即，在V_in(IU)为基于1.5V的0V的情况下，V_out变成最大电压3V。在V_in(IU)为1.5V的情况下，V_out变成最小电压1.5V。

假如U2A的第三端子表示为V_ref1而U2B的第五端子表示为V_ref2，则过电流警告检测电压和过电流控制检测电压的基准电压如下。

$V_{\mathrm{ref}1}=\frac{R_{82}}{R_8+R_{82}}*\mathrm{REF}3.0=\frac{10\mathrm{K\Ω}}{10\mathrm{K\Ω}+1.13\mathrm{K\Ω}}\×3V=2.695V,$

$V_{\mathrm{ref}2}=\frac{R_{25}}{R_{19}+R_{25}}*\mathrm{REF}3.0=\frac{10\mathrm{K\Ω}}{10\mathrm{K\Ω}+1.69\mathrm{K\Ω}}\×3V=2.566V.$

当V_ref2＝2.566V<Vin<V_ref1＝2.695V时，比较器U2B的输出为低电平有效(activelow)，因此比较器U2B输出过电流控制信号。当V_in>V_ref1＝2.695V时，比较器U2A的输出为低电平有效，因此比较器U2A输出过电流警告信号。

根据本发明，与用于检测电流的现有技术的装置相比较，用于使用支线分路电阻来检测电流的装置能够被简单且廉价地实施。

尽管本发明连同优选的实施例一起被描述，但是本发明的实施例仅仅是用于阐述性的目的，并且不应当被解释为对本发明范围的限制。本领域技术人员应当理解的是，对本发明做出的各种改变和改进都应该落入由附带的权利要求所限定的技术精神和范围内。

Claims (6)

1.一种用于检测支线分路电流的装置，所述装置包括：

电流电压转换器，其被配置为将从支线分路电阻输入的电流信号转换为电压信号；

信号映射器，其被配置为将来自所述电流电压转换器的转换后的电压信号映射为在预定范围内的电压信号；

电路保护器，其被配置为将来自所述信号映射器的在预定范围内的电压信号的幅度限制到特定幅度；和

控制器，其被配置为通过读取来自所述信号映射器的在预定范围内的电压信号来检测所述电流信号的幅度并且基于所述电流信号的幅度来控制所述信号映射器的操作，

其中所述控制器包括：

信号分配器，其被配置为将来自所述信号映射器的在预定范围内的电压信号分为沿两条路径的信号；

第一比较器，其被配置为将沿所述两条路径之一的信号的幅度与第一基准电平进行比较；

放大器，其被配置为对沿所述两条路径中的另外一条路径的信号进行放大；

电压移相器，其被配置为向来自所述放大器的放大后的信号增加偏移量；

第二比较器，其被配置为将来自所述电压移相器的已增加了偏移量的信号的幅度与第二基准电平进行比较；和

信号发生器，其被配置为基于第一比较器和第二比较器的比较结果来生成过电流信号。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述信号映射器进一步被配置为根据放大率对来自所述电流电压转换器的转换后的电压信号进行放大并且向放大后的信号增加偏移量。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述控制器进一步被配置为控制放大率或偏移量以便将来自所述电流电压转换器的转换后的电压信号映射为在预定范围内的电压信号。

4.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器进一步被配置为：将检测到的所述电流信号的幅度与基准幅度进行比较，并且当检测到的所述电流信号的幅度大于所述基准幅度时生成警告信号。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器进一步被配置为当所述第一比较器判定出沿所述两条路径之一的信号的幅度大于第一基准电平时生成过电流控制信号。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器进一步被配置为当所述第二比较器判定出来自所述电压移相器的所述已增加了偏移量的信号的幅度在第一基准电平和第二基准电平之间时生成过电流警告信号。