CN103855687B - 一种电动汽车igbt过流保护方法及其应用的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车IGBT过流保护方法及其应用的电路，其特征在于它包括如下步骤：A）电流检测电路检测定子组件上线圈绕组，获得各相电流信号；B）把至少一相电流信号转换成方波信号，并把方波信号转换成随电流频率变化的初始电压信号；C）对初始电压信号进行限制处理，获得与电流频率相关的最终电压信号；D）把各相电流信号经调理整流后的电压信号与在相同电流频率下的最终电压信号进行比较，将比较结果输出到微处理器，微处理器控制IGBT逆变单元的运行，该IGBT过流保护方法可以对IGBT过流保护值进行自动调整，提高IGBT的电流驱动利用率与过流保护能力，增加系统的可靠性。
Description
技术领域：
本发明涉及一种电动汽车IGBT过流保护方法及其应用的电路。
背景技术：
电动汽车的电机驱动控制是一个复杂的电力电子控制系统，它由电源板、MCU控制板、IGBT驱动板及IGBT功率器件组成。在电驱控制过程中，由于IGBT的特殊特性，其电流输出能力与电机转速有关。当电机转速小于10Hz时IGBT的电流输出能力将会开始下降，例如：FS600R07A2E3汽车级IGBT调制频率为9KHz,电机转速为10Hz时IGBT的电流输出能力为550A。电机转速为0Hz时，IGBT的电流输出能力为357A。跟据IGBT的电流输出特性，在IGBT过流保护电路中需跟据电机转速对IGBT过流保护值进行调整，但是在应用中如何根据转速选择IGBT过流保护值仍为一个难题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种电动汽车IGBT过流保护方法及其应用的电路，该IGBT过流保护方法可以对IGBT过流保护值进行自动调整，提高IGBT的电流驱动利用率与过流保护能力，增加系统的可靠性；
该电动汽车IGBT过流保护电路结构简单，可以对IGBT过流保护值进行自动调整，提高IGBT的电流驱动利用率与过流保护能力，增加系统的可靠性，成本低。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种电动汽车IGBT过流保护方法，包括电机单体和电机控制器，其中电机单体包括定子组件、转子组件和机壳组件，电机控制器包括控制盒和安装在控制盒里面的控制线路板，控制线路板上设置有电源单元、微处理器、IGBT逆变单元和电流检测电路，电源单元的输出端为电机控制器各部分电路供电，电流检测电路检测定子组件上线圈绕组各相电流信号并送到微处理器，微处理器控 制IGBT逆变电路驱动定子组件上线圈绕组通电或者断电，它包括如下步骤：
A）电流检测电路检测定子组件上线圈绕组，获得各相电流信号；
B）把至少一相电流信号转换成方波信号，并把方波信号转换成随电流频率变化的初始电压信号；
C）对初始电压信号进行限制处理，获得与电流频率相关的最终电压信号；
D）把各相电流信号经调理整流后的电压信号与在相同电流频率下的最终电压信号进行比较，将比较结果输出到微处理器，微处理器控制IGBT逆变单元的运行。
上述所述的限制处理是指对初始电压信号给定最小电压值和限定最大电压值，当电流频率小于最小电流频率，初始电压信号等于最小电压值，当电流频率大于最大电流频率，初始电压信号等于最大电压值。
上述所述的各相电流信号经调理整流后的电压信号大于在相同电流频率下的最终电压信号，微处理器将输出封锁信号驱动IGBT逆变单元停止运行，当各相电流信号经调理整流后的电压信号等于或者小于在相同电流频率下的最终电压信号，IGBT逆变单元正常运行。
上述所述的最终电压信号由一条斜线和两条横直线组成，斜线连接在两条横直线之间。
一种电动汽车IGBT过流保护电路，包括电机单体和电机控制器，其中电机单体包括定子组件、转子组件和机壳组件，电机控制器包括控制盒和安装在控制盒里面的控制线路板，控制线路板上设置有电源单元、微处理器、IGBT逆变单元、电流检测电路和IGBT过流保护电路，电源单元的输出端为电机控制器各部分电路供电，电流检测电路检测定子组件上线圈绕组各相电流信号并送到微处理器，微处理器控制IGBT逆变电路驱动定子组件上线圈绕组通电或者断电，所述的IGBT过流保护电路包括电流整流调理电路、同步电流跟随电路和电压比较电路，其中同步电流跟随电路包括电流信号频率电压转换电路、最小电流给定电路、最大输出电流限定电路和输出电流设定电路，电流检测电路检测定子 组件上线圈绕组各相电流信号并送到电流整流调理电路和电流信号频率电压转换电路，电流信号频率电压转换电路把电流检测电路输出的至少一相电流信号转换成随电流频率变化的电压信号，电流信号频率电压转换电路、最小电流给定电路和最大输出电流限定电路的输出端与输出电流设定电路连接，输出电流设定电路通过最小电流给定电路和最大输出电流限定电路对电流信号频率电压转换电路输出的电压信号进行限制处理，电流整流调理电路和输出电流设定电路的输出端与电压比较电路连接，电压比较电路把从电流整流调理电路输出的电压信号与输出电流设定电路输出的电压信号进行比较并将比较结果输出到微处理器，通过微处理器控制IGBT逆变单元。
上述所述的最小电流给定电路给电流信号频率电压转换电路输出的电压信号给定最小电压值，通过最大输出电流限定电路给电流信号频率电压转换电路输出的电压信号限定最大电压值。
上述所述的电流整流调理电路输出的电压信号大于在相同电流频率下的输出电流设定电路输出的电压信号，微处理器向IGBT逆变单元输出封锁信号驱动IGBT逆变单元停止运行，当电流整流调理电路输出的电压信号等于或者小于在相同电流频率下的输出电流设定电路输出的电压信号，IGBT逆变单元正常运行。
上述所述的电流整流调理电路包括若干路独立的电流整流调理电路单元，每相电流信号分别连接一个电流整流调理电路单元，每个电流整流调理电路单元包括电流调理电路、精密整流电路和电压滤波电路，电流调理电路的输入端与电流检测电路的输出端连接，电流调理电路的输出端通过精密整流电路与电压滤波电路连接，其中电流调理电路包括电压基准电路和加法器电路。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：1）电流检测电路检测定子组件上线圈绕组，获得各相电流信号，把至少一相电流信号转换成方波信号，并把方波信号转换成随电流频率变化的初始电压信号，对初始电压信号进行限制处理，获得与电流频率相关的最终电压信号，把各相电流信号经调理整流后的电压信号与在相同电流频率下的最终电压信号进行比较，将比较结果输出到微处理器， 微处理器控制IGBT逆变单元的运行，当各相电流信号经调理整流后的电压信号大于在相同电流频率下的最终电压信号，微处理器将输出封锁信号驱动IGBT逆变单元停止运行，当各相电流信号经调理整流后的电压信号等于或者小于在相同电流频率下的最终电压信号，IGBT逆变单元正常运行，该方法可以对IGBT过流保护值进行自动调整，提高IGBT的电流驱动利用率与过流保护能力，提高增加系统的可靠性；2）限制处理是指对初始电压信号给定最小电压值和限定最大电压值，当电流频率小于最小电流频率，初始电压信号等于最小电压值，当电流频率大于最大电流频率，初始电压信号等于最大电压值，增加系统的可靠性，提高IGBT的过流保护能力；3）电流检测电路检测定子组件上线圈绕组各相电流信号并送到电流整流调理电路和电流信号频率电压转换电路，电流信号频率电压转换电路把电流检测电路输出的至少一相电流信号转换成随电流频率变化的电压信号，电流信号频率电压转换电路、最小电流给定电路和最大输出电流限定电路的输出端与输出电流设定电路连接，输出电流设定电路通过最小电流给定电路和最大输出电流限定电路对电流信号频率电压转换电路输出的电压信号进行限制处理，电流整流调理电路和输出电流设定电路的输出端与电压比较电路连接，电压比较电路把从电流整流调理电路输出的电压信号与输出电流设定电路输出的电压信号进行比较并将比较结果输出到微处理器，通过微处理器控制IGBT逆变单元，本发明可以对IGBT过流保护值进行自动调整，提高IGBT的电流驱动利用率与过流保护能力，增加系统的可靠性，设置一路的同步电流跟随电路就可以实现过流控制，成本低；4）电流整流调理电路单元包括电流调理电路、精密整流电路和电压滤波电路，电流调理电路的输入端与电流检测电路的输出端连接，电流调理电路的输出端通过精密整流电路与电压滤波电路连接，其中电流调理电路包括电压基准电路和加法器电路，该结构简单，可靠性高。
附图说明：
图1是本发明电机的立体图；
图2是本发明电机控制器的立体图；
图3是本发明电机的结构剖视图；
图4是本发明电机的电路方框图；
图5是本发明IGBT过流保护方法的流程图；
图6是本发明其中一相电流信号的电路图；
图7是本发明方波信号的电路图；
图8是本发明初始电压信号的电路图；
图9是本发明最终电压信号的电路图；
图10是本发明IGBT过流保护电路的电路方框图；
图11是本发明同步电流跟随电路和电压比较电路的具体电路图；
图12是本发明电流整流调理电路的电路方框图；
图13是图12的具体电路图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明是一种电动汽车IGBT过流保护方法，电机包括电机单体1和电机控制器2，其中电机单体1包括定子组件11、转子组件12和机壳组件13，电机控制器2包括控制盒21和安装在控制盒21里面的控制线路板22，控制线路板上设置有电源单元、微处理器MCU、IGBT逆变单元和电流检测电路，电源单元的输出端为电机控制器各部分电路供电，电流检测电路检测定子组件上线圈绕组各相电流信号并送到微处理器MCU，微处理器MCU控制IGBT逆变电路驱动定子组件上线圈绕组通电或者断电，它包括如下步骤：
A）电流检测电路检测定子组件上线圈绕组，获得各相电流信号；
B）把至少一相电流信号转换成方波信号，并把方波信号转换成随电流频率变化的初始电压信号；
C）对初始电压信号进行限制处理，获得与电流频率相关的最终电压信号；
D）把各相电流信号经调理整流后的电压信号与在相同电流频率下的最终电压信号进行比较，将比较结果输出到微处理器，微处理器控制IGBT逆变单元的运行。
其中一相的电流信号如图6所示，方波信号如图7所示，初始电压信号如图8所示，最终电压信号如图9所示。
把至少一相电流信号转换成方波信号，当电流信号在正半波时，方波信号为高电平，当电流信号在负半波时，方波信号为低电平。
限制处理是指对初始电压信号U给定最小电压值U1和限定最大电压值U2，当电流频率f小于最小电流频率f1，初始电压信号U等于最小电压值U1，当电流频率f大于最大电流频率f2，初始电压信号U等于最大电压值U2。
当各相电流信号经调理整流后的电压信号大于在相同电流频率下的最终电压信号，微处理器MCU将输出封锁信号驱动IGBT逆变单元停止运行，当各相电流信号经调理整流后的电压信号等于或者小于在相同电流频率下的最终电压信号，IGBT逆变单元正常运行。
最终电压信号由一条斜线和两条横直线组成，斜线连接在两条横直线之间。
本发明的原理是：电流检测电路检测定子组件上线圈绕组，获得各相电流信号，把至少一相电流信号转换成方波信号，并把方波信号转换成随电流频率变化的初始电压信号，对初始电压信号进行限制处理，获得与电流频率相关的最终电压信号，把各相电流信号经调理整流后的电压信号与在相同电流频率下的最终电压信号进行比较，将比较结果输出到微处理器，微处理器控制IGBT逆变单元的运行，当各相电流信号经调理整流后的电压信号大于在相同电流频率下的最终电压信号，微处理器将输出封锁信号驱动IGBT逆变单元停止运行，当各相电流信号经调理整流后的电压信号等于或者小于在相同电流频率下的最终电压信号，IGBT逆变单元正常运行，该方法可以对IGBT过流保护值进行自动调整，提高IGBT的电流驱动利用率与过流保护能力，提高增加系统的可靠性。
实施例二：如图10所示，本发明是一种电动汽车IGBT过流保护电路，电机包括电机单体1和电机控制器2，其中电机单体1包括定子组件11、转子组 件12和机壳组件13，电机控制器2包括控制盒21和安装在控制盒21里面的控制线路板22，控制线路板上设置有电源单元、微处理器MCU、IGBT逆变单元和电流检测电路和IGBT过流保护电路，电源单元的输出端为电机控制器各部分电路供电，电流检测电路检测定子组件上线圈绕组各相电流信号并送到微处理器MCU，微处理器MCU控制IGBT逆变电路驱动定子组件上线圈绕组通电或者断电，IGBT过流保护电路包括电流整流调理电路、同步电流跟随电路和电压比较电路，其中同步电流跟随电路包括电流信号频率电压转换电路、最小电流给定电路、最大输出电流限定电路和输出电流设定电路，电流检测电路检测定子组件上线圈绕组各相电流信号并送到电流整流调理电路和电流信号频率电压转换电路，电流信号频率电压转换电路把电流检测电路输出的至少一相电流信号转换成随电流频率变化的电压信号，电流信号频率电压转换电路、最小电流给定电路和最大输出电流限定电路的输出端与输出电流设定电路连接，输出电流设定电路通过最小电流给定电路和最大输出电流限定电路对电流信号频率电压转换电路输出的电压信号进行限制处理，电流整流调理电路和输出电流设定电路的输出端与电压比较电路连接，电压比较电路把从电流整流调理电路输出的电压信号与输出电流设定电路输出的电压信号进行比较并将比较结果输出到微处理器，通过微处理器控制IGBT逆变单元。
如图11所示，电流信号频率电压转换电路包括电容C60、C41、C48，电阻R65、R62、R143、R61、R63、R66，比较器IC9A、IC20B，反相器IC20A、IC20C，二极管D4、D5。正半波时交流电流信号通过C60、R65使IC19A第2脚的输入电压为正，IC19A第一脚输出为零（IC19A为单电源供电）。负半波时交流电流信号通过C60、R65使IC19A第2脚的输入电压为负，IC19A第一脚输出为正电压。IC19A第一脚输出高电平时，IC20A反向输出低电平，电容C48通过D4放电，IC20C输出低电平。IC19A第一脚输出低电平时，IC20A反向输出高电平，电容C48通过R63充电，其充电时间内IC20C输出高电平。IC20C输出电平经D5后再经过R66、C61滤波后输出平顺的直流电压。
通过最小电流给定电路给电流信号频率电压转换电路输出的电压信号给定最小电压值，通过最大输出电流限定电路给电流信号频率电压转换电路输出的电压信号限定最大电压值。
最小电流给定电路包括电阻R121、R144，二极管D10，最大输出电流限定电路包括二极管DW3。
输出电流设定电路包括电阻R142、R141，电容C61、C23、C21，比较器IC19B，输出电流设定电路通过最小电流给定电路和最大输出电流限定电路对电流信号频率电压转换电路输出的电压信号进行限制处理，IC19B输出电压信号到放大电路。
放大电路包括电阻R64、R69、R71、R119、R67、R68、R117、R120、R70、R79、R116，电容C24，加法运算器IC11A，反相器IC11B，输出电流设定电路输出的电压信号经过放大电路后输出IGBT过流保护电流设定值到电压比较电路。根据不同IGBT的电流大小，通过放大电路设置合适的放大倍数，使其适应不同IGBT的使用要求，扩大其使用范围。
电压比较电路包括电阻R95、R96、R100、R101、R104、R105，电容C22，比较器IC15A、IC15B、IC16A，电压比较电路把从电流整流调理电路输出的电压信号与输出电流设定电路输出的电压信号进行比较并将比较结果输出到微处理器，通过微处理器控制IGBT逆变单元。
当电流整流调理电路输出的电压信号大于在相同电流频率下的输出电流设定电路输出的电压信号，微处理器向IGBT逆变单元输出封锁信号驱动IGBT逆变单元停止运行，当电流整流调理电路输出的电压信号等于或者小于在相同电流频率下的输出电流设定电路输出的电压信号，IGBT逆变单元正常运行。
如图12所示，所述的电流整流调理电路包括若干路独立的电流整流调理电路单元，每相电流信号分别连接一个电流整流调理电路单元，每个电流整流调理电路单元包括电流调理电路、精密整流电路和电压滤波电路，电流调理电路的输入端与电流检测电路的输出端连接，电流调理电路的输出端通过精密整流 电路与电压滤波电路连接，其中电流调理电路包括电压基准电路和加法器电路。
如图13所示，电流调理电路把电流传感器输出的W相电流信号转换成-1.2V至+1.2V电压，电流调理电路由电压基准电路和加法器电路组成，电压基准电路包括电阻R103、R113、R114、VR3，电容C20，加法器电路包括电阻R54、R55、R57、R59、R136，比较器IC9B。
W相电流为0时，电流传感器输出电流为12mA。经过R139转换成+1.8V电压后与电压基准电路输出的－1.8V进行加法运算，加法器电路输出零电压。
W相电流最大时，电流传感器输出电流为20mA。经过R139转换成+3V电压后与电压基准电路输出的－1.8V进行加法运算，加法器电路输出+1.2V电压。
W相电流最小时，电流传感器输出电流为4mA。经过R139转换成+0.6V电压后与电压基准电路输出的－1.8V进行加法运算，加法器电路输出-1.2V电压。
精密整流电路把电流调理电路输出的交流电压整定为直流输出电压，精密整流电路包括电阻R53、R56、R58、R60，二极管D3，比较器IC9A、IC10B。
电流调理电路输出的交流电压在正半波时，IC10B第6脚为正电压，IC10B第7脚输出负电压，D3反向截止，IC10B第6脚的电压跟随电流调理电路的输出电压，IC9A为电压跟随器输出正电压。
电流调理电路输出的交流电压在负半波时，IC10B第6脚为负电压，IC10B第7脚输出正电压，D3导通，IC10B第6脚的电压跟随IC10B第5脚的电压，IC9A为反向放大器输出正电压。
电压滤波电路把精密整流电路的输出电压整定为平顺的直流输出电压，电压滤波电路包括电阻R102、R40，电容C19、C59，比较器IC10A。
精密整流电路的输出电压通过R102、C19滤波后由IC10A电压跟随，再经过R140、C59滤波后输出平顺的直流电压。电压滤波电路把经过整流调理之后的直流电压输出到电压比较电路与输出电流设定电路输出的电压信号进行电流过流控制。
U、V两相电流信号的整流调理电路与上述W相的整流调理电路相同，在此 不再赘述。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电动汽车IGBT过流保护方法，包括电机单体和电机控制器，其中电机单体包括定子组件、转子组件和机壳组件，电机控制器包括控制盒和安装在控制盒里面的控制线路板，控制线路板上设置有电源单元、微处理器、IGBT逆变单元和电流检测电路，电源单元的输出端为电机控制器各部分电路供电，电流检测电路检测定子组件上线圈绕组各相电流信号并送到微处理器，微处理器控制IGBT逆变电路驱动定子组件上线圈绕组通电或者断电，其特征在于：它包括如下步骤：
A)电流检测电路检测定子组件上线圈绕组，获得各相电流信号；
B)把至少一相电流信号转换成方波信号，并把方波信号转换成随电流频率变化的初始电压信号；
C)对初始电压信号进行限制处理，获得与电流频率相关的最终电压信号；
D)把各相电流信号经调理整流后的电压信号与在相同电流频率下的最终电压信号进行比较，将比较结果输出到微处理器，微处理器控制IGBT逆变单元的运行；当各相电流信号经调理整流后的电压信号大于在相同电流频率下的最终电压信号，微处理器将输出封锁信号驱动IGBT逆变单元停止运行，当各相电流信号经调理整流后的电压信号等于或者小于在相同电流频率下的最终电压信号，IGBT逆变单元正常运行。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车IGBT过流保护方法，其特征在于：所述的限制处理是指对初始电压信号给定最小电压值和限定最大电压值，当电流频率小于最小电流频率，初始电压信号等于最小电压值，当电流频率大于最大电流频率，初始电压信号等于最大电压值。
3.根据权利要求1或2所述的一种电动汽车IGBT过流保护方法，其特征在于：最终电压信号由一条斜线和两条横直线组成，斜线连接在两条横直线之间。
4.一种应用权利要求1至3任何一项所述的电动汽车IGBT过流保护方法的一种电动汽车IGBT过流保护电路，包括电机单体和电机控制器，其中电机单体包括定子组件、转子组件和机壳组件，电机控制器包括控制盒和安装在控制盒里面的控制线路板，控制线路板上设置有电源单元、微处理器、IGBT逆变单元、电流检测电路和IGBT过流保护电路，电源单元的输出端为电机控制器各部分电路供电，电流检测电路检测定子组件上线圈绕组各相电流信号并送到微处理器，微处理器控制IGBT逆变电路驱动定子组件上线圈绕组通电或者断电，其特征在于：所述的IGBT过流保护电路包括电流整流调理电路、同步电流跟随电路和电压比较电路，其中同步电流跟随电路包括电流信号频率电压转换电路、最小电流给定电路、最大输出电流限定电路和输出电流设定电路，电流检测电路检测定子组件上线圈绕组各相电流信号并送到电流整流调理电路和电流信号频率电压转换电路，电流信号频率电压转换电路把电流检测电路输出的至少一相电流信号转换成随电流频率变化的电压信号，电流信号频率电压转换电路、最小电流给定电路和最大输出电流限定电路的输出端与输出电流设定电路连接，输出电流设定电路通过最小电流给定电路和最大输出电流限定电路对电流信号频率电压转换电路输出的电压信号进行限制处理，电流整流调理电路和输出电流设定电路的输出端与电压比较电路连接，电压比较电路把从电流整流调理电路输出的电压信号与输出电流设定电路输出的电压信号进行比较并将比较结果输出到微处理器，通过微处理器控制IGBT逆变单元。
5.根据权利要求4所述的一种电动汽车IGBT过流保护电路，其特征在于：通过最小电流给定电路给电流信号频率电压转换电路输出的电压信号给定最小电压值，通过最大输出电流限定电路给电流信号频率电压转换电路输出的电压信号限定最大电压值。
6.根据权利要求5所述的一种电动汽车IGBT过流保护电路，其特征在于：当电流整流调理电路输出的电压信号大于在相同电流频率下的输出电流设定电路输出的电压信号，微处理器向IGBT逆变单元输出封锁信号驱动IGBT逆变单元停止运行，当电流整流调理电路输出的电压信号等于或者小于在相同电流频率下的输出电流设定电路输出的电压信号，IGBT逆变单元正常运行。
7.根据权利要求4或5或6所述的一种电动汽车IGBT过流保护电路，其特征在于：所述的电流整流调理电路包括若干路独立的电流整流调理电路单元，每相电流信号分别连接一个电流整流调理电路单元，每个电流整流调理电路单元包括电流调理电路、精密整流电路和电压滤波电路，电流调理电路的输入端与电流检测电路的输出端连接，电流调理电路的输出端通过精密整流电路与电压滤波电路连接，其中电流调理电路包括电压基准电路和加法器电路。
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