CN104967101B - 一种igbt逐周期限流保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT逐周期限流保护电路，包括用于检测IGBT电流信号对应的采样电压的采样电路，用于放大所述采样电压的放大电路，用于比较所述放大之后的采样电压与比较基准电压的比较电路和用于当所述放大之后的采样电压大于所述比较基准电压时关断本控制周期的IGBT驱动信号的驱动电路；该保护电路不依赖主控制板，可以实时检测每个IGBT的电流信号，并根据该电流信号在一个控制周期内对其进行过流保护，提高了IGBT控制系统的可靠性及准确度。
Description
技术领域
本发明涉及IGBT过流保护技术领域，尤其涉及一种IGBT逐周期限流保护电路。
背景技术
光伏汇流箱前级DC-DC升压部分采用IGBT将电池组串进行升压与稳压，当存在多个光伏汇流箱时，每个光伏汇流箱均需要这样的升压电路，各个电路彼此独立，IGBT的工作状态是保障这些电路正常运行的重要因素。目前，一般的控制方式是通过传感器的电流检测信号来进行IGBT的过流判断与保护，但是，当路数较多时(8路甚至更多)，想实时的对每一路流过IGBT的电流进行监控及保护，会大量占用控制器的资源及成本的大幅度上升。
一般采取用一个选通器对各路电流信号进行轮选控制，这样虽然降低了成本，但弊端是不可忽视的，检测得到的电流信号并不是实时的，以8路光伏汇流箱为例，最后一路检测得到的电流信号最大的延迟时间可以达到8个开关周期，如果发生过流现象，不能及时检测并关断驱动信号，会使电流累积变大，甚至损坏IGBT等器件，大幅度降低了控制系统的可靠性及准确度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种IGBT逐周期限流保护电路，在有多路IGBT的电路中实时检测每个IGBT的电流信号，并根据该电流信号对其进行过流保护，该保护电路可以实现在一个开关周期内对多路IGBT的电流进行有效的控制。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种IGBT逐周期限流保护电路，其特征在于，包括：用于检测IGBT电流信号对应的采样电压的采样电路，用于放大所述采样电压的放大电路，用于比较所述放大之后的采样电压与比较基准电压的比较电路和用于当所述放大之后的采样电压大于所述比较基准电压时关断本控制周期的IGBT驱动信号的驱动电路，当IGBT过流时，所述采样电路检测到本控制周期的IGBT的电流信号对应的采样电压，将所述采样电压输入所述放大电路进行放大，放大之后的采样电压大于所述比较基准电压，使得所述比较电路的输出电压为高电平，将所述输出电压接入所述驱动电路，使得所述驱动电路的PWM信号输出端锁定为低电平，关断本控制周期的IGBT。
其中，所述比较电路包括基准电压电路和信号比较电路032，其中，所述信号比较电路032包括：电阻R16，电容C11，电容C12，电容C13和型号为LM393的比较器U4A，所述电阻R16的一端接入所述放大之后的电压，另一端连接电容C12的一端和比较器U4A的引脚3，所述电容C11的一端连接基准电压的输出端和比较器U4A的引脚2，所述电容C11、电容C12的另一端和比较器U4A的引脚4接地，所述电容C13的一端接比较器U4A的引脚8和15V直流电源，另一端接地，所述比较器U4A的引脚1为所述比较电路的信号输出端。
其中，所述基准电压电路包括：分压电阻R17，分压电阻R18，分压电阻R19，电容C10和型号为TL431A的稳压管U3，所述电阻R17的一端接15V直流电源，电阻R17的另一端连接电阻R18的一端，电容C10的一端和稳压管U3的引脚3，所述电阻R18的另一端连接R19的一端和比较器U4A的引脚2，所述电容C10的一端连接所述稳压管U3的引脚1，所述电阻R19和C10的另一端，以及稳压管U3的引脚2接地，所述电阻R18与电阻R19连接的一端为比较基准电压输出端。
其中，所述检测电路包括采样电阻R，所述采样电阻R的一端连接IGBT的发射极，另一端接地，所述采样电阻R连接IGBT的一端为IGBT的电流信号对应的电压的输出端，所述采样电阻R将所述IGBT的电流信号转变为电压输出。
其中，所述放大电路包括：电阻R12，电阻R13，电阻R14，电阻R15，滤波电容C8，滤波电容C9和运算放大器，所述运算放大器为型号为LM393的集成运放U4B，所述电阻R12的一端接入所述采样电压，电阻R12的另一端连接所述集成运放U4B的引脚5、所述滤波电容C8的一端和所述电阻R14的一端，所述滤波电容C8和所述电阻R14的另一端接地，所述电阻R13的一端连接所述集成运放U4B的引脚6、所述电阻R15的一端和所述滤波电容C9的一端，所述电阻R13的另一端接地，所述电阻R15和所述滤波电容C9的另一端连接所述集成运放U4B的引脚7，所述引脚7为所述放大电路的信号输出端。
其中，所述驱动电路采用型号为HCPL-316J的光耦合驱动芯片U1，所述驱动电路04包括信号输入电路和信号输出电路和供电电路，其中，所述信号输入电路包括：电容C7，电阻R9和型号为LL4148的二极管D2，所述比较器U4A的信号输出端连接所述二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接所述电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接芯片U1的引脚14和所述电容C7的一端，电容C7的另一端接地。
其中，所述信号输出电路包括：电阻R10，电阻R11和型号为SMBJ16CA的双向二极管ZD1，所述电阻R10的一端连接所述光耦合驱动芯片U1的引脚11，电阻R10的另一端连接所述电阻R11的一端，所述双向二极管ZD1的一端和IGBT的门极，所述电阻R11和所述双向二极管ZD1的另一端接地，所述电阻R10连接R11的一端为所述光耦合驱动芯片U1的PWM信号输出端。
其中，所述供电电路包括：电阻R8，电容C5和电容C6，所述电阻R8的一端连接5V直流电源、所述电容C5的一端和所述光耦合驱动芯片U1的引脚3，所述电阻R8的另一端连接所述电容C6的一端和所述光耦合驱动芯片U1的引脚6，所述电容C6和电容C5的另外一端接地，所述光耦合驱动芯片U1的引脚2，引脚4和引脚8接地，所述光耦合驱动芯片U1的引脚12和引脚13接15V直流电源，所述光耦合驱动芯片U1的引脚9和引脚10接-15V直流电源。
其中，所述比较基准电压为2.4V，所述高电平为>7V的电压。
其中，所述放大电路的放大倍数为8.4。
本发明提供的技术方案带来的有益效果：
一种IGBT逐周期限流保护电路，包括用于检测IGBT电流信号对应的采样电压的采样电路，用于放大所述采样电压的放大电路，用于比较所述放大之后的采样电压与比较基准电压的比较电路和用于当所述放大之后的采样电压大于所述比较基准电压时关断本控制周期的IGBT驱动信号的驱动电路；当IGBT过流时，所述采样电路检测到本控制周期的IGBT的电流信号对应的采样电压，将所述采样电压输入所述放大电路进行放大，放大之后的采样电压大于所述比较基准电压，使得所述比较电路的输出电压为高电平，将所述输出电压接入所述驱动电路，使得所述驱动电路的PWM信号输出端锁定为低电平，关断本控制周期的IGBT；该保护电路不依赖主控制板，可以实时检测每个IGBT的电流信号，并根据该电流信号在一个控制周期内对其进行过流保护，提高了IGBT控制系统的可靠性及准确度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的IGBT逐周期限流保护电路的电路图。
图2是本发明实施例提供的IGBT逐周期限流保护电路的电路框图。
具体实施方式
参见图1和图2并结合具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种IGBT逐周期限流保护电路，包括用于检测IGBT电流信号对应的采样电压的采样电路01，用于放大所述采样电压的放大电路02，用于比较所述放大之后的采样电压与比较基准电压的比较电路03和用于当所述放大之后的采样电压大于所述比较基准电压时关断本控制周期的IGBT驱动信号的驱动电路04，当IGBT过流时，所述采样电路01检测到本控制周期的IGBT的电流信号对应的采样电压，将所述采样电压输入所述放大电路02进行放大，放大之后的采样电压大于所述比较基准电压，使得所述比较电路03的输出电压为高电平，将所述输出电压接入所述驱动电路04，使得所述驱动电路04的PWM信号输出端锁定为低电平，关断本控制周期的IGBT。
对于包含多路IGBT的电路，如多个光伏汇流箱的升压电路，每路IGBT彼此独立单独控制，若通过控制器(如DSP)和选通器对各路IGBT进行分时控制，由于分时响应会存在响应延时，随着IGBT路数的增多延时增大，当存在过流状况时，很可能会导致电流持续增大烧毁晶体管。
本逐周期限流保护电路对于包含多路IGBT的电路，每个IGBT对应一个控制电路，即分别对每个IGBT进行独立的控制，采样电路01检测到IGBT的电流信号对应的采样电压之后，经过放大电路02进行放大，将放大之后的采样电压与比较基准电压进行比较，当IGBT发生过流时，该放大之后的采样电压大于比较基准电压，使得比较器的输出电压为高电平，将该高电平信号输入驱动电路04，控制驱动电路04将输出电压锁定为低电平，在本控制周期内关断IGBT，此时即便选通器还未选通该IGBT的控制通道，DSP输出的控制信号还未发生变化，驱动电路04的PWM信号输出端锁定为低电平，强行关断IGBT。
上述单个光伏汇流箱的升压电路包括电容C1，电容C2，电感L，二极管D和IGBT，电容C1的一端连接输入电压的正极，电感L的一端，电容C1的另一端连接输入电压的负极，电感L的另一端连接IGBT的集电极和二极管D的阳极，IGBT的发射极连接输入电压的负极，二极管D的另一端连接电容C2的一端和输出电压的正极，电容C2的另一端连接IGBT的发射极和输出电压的负极，IGBT的门极接入PWM信号，用于驱动并控制IGBT的开与关。
在IGBT的发射极串入一个采样电阻R，将该采样电阻承担的电压作为采样信号，该采样信号与流过IGBT的电流成比例，反应了IGBT在电路中实际的电流值，对该采样信号进行监控即是对IGBT的电流进行监控，使用电阻对电流进行采样，采样准确快速成本低。
比较电路03包括基准电压电路031和信号比较电路032，其中，所述信号比较电路032包括：电阻R16，电容C11，电容C12，电容C13和型号为LM393的比较器U4A，所述电阻R16的一端接入所述放大之后的电压，另一端连接电容C12的一端和比较器U4A的引脚3，所述电容C11的一端连接基准电压的输出端和比较器U4A的引脚2，所述电容C11、电容C12的另一端和比较器U4A的引脚4接地，所述电容C13的一端接比较器U4A的引脚8和15V直流电源，另一端接地，所述比较器U4A的引脚1为所述比较电路03的信号输出端。
基准电压电路031包括：分压电阻R17，分压电阻R18，分压电阻R19，电容C10和型号为TL431A的稳压管U3，所述电阻R17的一端接15V直流电源，电阻R17的另一端连接电阻R18的一端，电容C10的一端和稳压管U3的引脚3，所述电阻R18的另一端连接R19的一端和比较器U4A的引脚2，所述电容C10的一端连接所述稳压管U3的引脚1，所述电阻R19和C10的另一端，以及稳压管U3的引脚2接地，所述电阻R18与电阻R19连接的一端为比较基准电压输出端。
该比较基准电压可以根据过流限值进行调节，本电路选取的比较基准电压为2.4V；上述IGBT的电流使用电阻进行采样，采样准确快速成本低，将IGBT的电流信号转变为采样电压之后输入到比较器U4A的同向输入端，将比较基准电压输入到比较器U4A的反向输入端，当IGBT过流时，其电流对应的采样电压经过放大电路02的处理之后大于比较基准电压，使得比较器的输出高电平，该高电平>7V，比较器的输出端连接到型号为HCPL-316J的光耦合驱动芯片U1，芯片U1的特性使得其PWM信号输出端锁定为低电平，从而关断IGBT。
检测电路包括采样电阻R，所述采样电阻R的一端连接IGBT的发射极，另一端接地，所述采样电阻R连接IGBT的一端为IGBT的电流信号对应的电压的输出端，所述采样电阻R将所述IGBT的电流信号转变为电压输出。
放大电路02包括：电阻R12，电阻R13，电阻R14，电阻R15，滤波电容C8，滤波电容C9和运算放大器，所述运算放大器为型号为LM393的集成运放U4B，所述电阻R12的一端接入所述采样电压，电阻R12的另一端连接所述集成运放U4B的引脚5、所述滤波电容C8的一端和所述电阻R14的一端，所述滤波电容C8和所述电阻R14的另一端接地，所述电阻R13的一端连接所述集成运放U4B的引脚6、所述电阻R15的一端和所述滤波电容C9的一端，所述电阻R13的另一端接地，所述电阻R15和所述滤波电容C9的另一端连接所述集成运放U4B的引脚7，所述引脚7为所述放大电路02的信号输出端。
上述放大电路02的各参数为：R12＝5.6K，R13＝5.6K，R14＝47K，R15＝47K，C8＝20pF，C9＝20pF，该放大电路02采用这些参数之后可以将上述采样电压放大8.4倍，使得当IGBT过流时，IGBT的电流对应的采样电压经过放大处理之后大于比较基准电压，比较器输出高电平，从而控制光耦合驱动芯片U1的PWM信号输出端输出低电平，迅速关断IGBT。
驱动电路04采用型号为HCPL-316J的光耦合驱动芯片U1，所述驱动电路04包括信号输入电路042和信号输出电路043和供电电路041，其中，所述信号输入电路042包括：电容C7，电阻R9和型号为LL4148的二极管D2，所述比较器U4A的信号输出端连接所述二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接所述电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接芯片U1的引脚14和所述电容C7的一端，电容C7的另一端接地。
本发明主要采用型号为HCPL-316J的光耦合驱动芯片U1的内部保护电路来实现对多路IGBT的实时控制，当U1的引脚14的输入电压超过7V时，内部保护电路开始工作，锁定输出低电平输出，关断IGBT，同时引脚6Fo输出低电平信号，表明IGBT发生故障，该保护动作完成响应时间小于5us，小于一个控制周期，可以达到快速保护的目的。
其中，芯片U1的引脚1和引脚5接入来自DSP的PWM控制信号，对IGBT的工作状况实现软件上的分时控制，本发明主要是通过硬件电路来实现IGBT逐周期的实时过流保护，在实际的控制系统中，二者同时运行，保障IGBT的正常工作状态。
信号输出电路043包括：电阻R10，电阻R11和型号为SMBJ16CA的双向二极管ZD1，所述电阻R10的一端连接所述光耦合驱动芯片U1的引脚11，电阻R10的另一端连接所述电阻R11的一端，所述双向二极管ZD1的一端和IGBT的门极，所述电阻R11和所述双向二极管ZD1的另一端接地，所述电阻R10连接R11的一端为所述光耦合驱动芯片U1的PWM信号输出端。
上述PWM信号用于驱动IGBT，当发生过电流时，该信号为低电平关断IGBT。
供电电路041包括：电阻R8，电容C5和电容C6，所述电阻R8的一端连接5V直流电源、所述电容C5的一端和所述光耦合驱动芯片U1的引脚3，所述电阻R8的另一端连接所述电容C6的一端和所述光耦合驱动芯片U1的引脚6，所述电容C6和电容C5的另外一端接地，所述光耦合驱动芯片U1的引脚2，引脚4和引脚8接地，所述光耦合驱动芯片U1的引脚12和引脚13接15V直流电源，所述光耦合驱动芯片U1的引脚9和引脚10接-15V直流电源。
上述供电电路041为芯片U1供电，以保障内部电路的正常工作状态。
综上，本发明IGBT逐周期限流保护电路，采样得到IGBT的电流信号对应的采样电压之后，对该采样电压进行放大处理，将放大之后的采样电压与预置的比较基准电压进行比较，使得比较器输出高电平，将该高电平接入型号为HCPL-316J的光耦合驱动芯片，利用该光耦合驱动芯片的特性来实现对多路IGBT的实时控制；本发明主要是通过硬件电路来实现IGBT过流保护，每路IGBT均配备这样的保护电路，可以实现在一个开关周期内对多路IGBT的电流进行有效的控制，提高了IGBT控制系统的可靠性及准确度。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种IGBT逐周期限流保护电路，其特征在于，包括：用于检测IGBT电流信号对应的采样电压的采样电路，用于放大所述采样电压的放大电路，用于比较所述放大之后的采样电压与比较基准电压的比较电路和用于当所述放大之后的采样电压大于所述比较基准电压时关断本控制周期的IGBT驱动信号的驱动电路，当IGBT过流时，所述采样电路检测到本控制周期的IGBT的电流信号对应的采样电压，将所述采样电压输入所述放大电路进行放大，放大之后的采样电压大于所述比较基准电压，使得所述比较电路的输出电压为高电平，将所述输出电压接入所述驱动电路，使得所述驱动电路的PWM信号输出端锁定为低电平，关断本控制周期的IGBT；
所述比较电路包括基准电压电路和信号比较电路032，其中，所述信号比较电路032包括：电阻R16，电容C11，电容C12，电容C13和型号为LM393的比较器U4A，所述电阻R16的一端接入所述放大之后的采样电压，另一端连接电容C12的一端和比较器U4A的引脚3，所述电容C11的一端连接基准电压的输出端和比较器U4A的引脚2，所述电容C11、电容C12的另一端和比较器U4A的引脚4接地，所述电容C13的一端接比较器U4A的引脚8和15V直流电源，另一端接地，所述比较器U4A的引脚1为所述比较电路的信号输出端；
所述基准电压电路包括：分压电阻R17，分压电阻R18，分压电阻R19，电容C10和型号为TL431A的稳压管U3，所述电阻R17的一端接15V直流电源，电阻R17的另一端连接电阻R18的一端，电容C10的一端和稳压管U3的引脚3，所述电阻R18的另一端连接R19的一端和比较器U4A的引脚2，所述电容C10的一端连接所述稳压管U3的引脚1，所述电阻R19和C10的另一端，以及稳压管U3的引脚2接地，所述电阻R18与电阻R19连接的一端为比较基准电压输出端。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述检测电路包括采样电阻R，所述采样电阻R的一端连接IGBT的发射极，另一端接地，所述采样电阻R连接IGBT的一端为IGBT的电流信号对应的电压的输出端，所述采样电阻R将所述IGBT的电流信号转变为所述采样电压输出。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述放大电路包括：电阻R12，电阻R13，电阻R14，电阻R15，滤波电容C8，滤波电容C9和运算放大器，所述运算放大器为型号为LM393的集成运放U4B，所述电阻R12的一端接入所述采样电压，电阻R12的另一端连接所述集成运放U4B的引脚5、所述滤波电容C8的一端和所述电阻R14的一端，所述滤波电容C8和所述电阻R14的另一端接地，所述电阻R13的一端连接所述集成运放U4B的引脚6、所述电阻R15的一端和所述滤波电容C9的一端，所述电阻R13的另一端接地，所述电阻R15和所述滤波电容C9的另一端连接所述集成运放U4B的引脚7，所述引脚7为所述放大电路的信号输出端。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述驱动电路采用型号为HCPL-316J的光耦合驱动芯片U1，所述驱动电路包括信号输入电路和信号输出电路和供电电路，其中，所述信号输入电路包括：电容C7，电阻R9和型号为LL4148的二极管D2，所述比较器U4A的信号输出端连接所述二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接所述电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接芯片U1的引脚14和所述电容C7的一端，电容C7的另一端接地。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述信号输出电路包括：电阻R10，电阻R11和型号为SMBJ16CA的双向二极管ZD1，所述电阻R10的一端连接所述光耦合驱动芯片U1的引脚11，电阻R10的另一端连接所述电阻R11的一端，所述双向二极管ZD1的一端和IGBT的门极，所述电阻R11和所述双向二极管ZD1的另一端接地，所述电阻R10连接R11的一端为所述光耦合驱动芯片U1的PWM信号输出端。
6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述供电电路包括：电阻R8，电容C5和电容C6，所述电阻R8的一端连接5V直流电源、所述电容C5的一端和所述光耦合驱动芯片U1的引脚3，所述电阻R8的另一端连接所述电容C6的一端和所述光耦合驱动芯片U1的引脚6，所述电容C6和电容C5的另外一端接地，所述光耦合驱动芯片U1的引脚2，引脚4和引脚8接地，所述光耦合驱动芯片U1的引脚12和引脚13接15V直流电源，所述光耦合驱动芯片U1的引脚9和引脚10接-15V直流电源。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述比较基准电压为2.4V，所述高电平为>7V的电压。
8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述放大电路的放大倍数为8.4。
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