CN109672433B - 一种具有短路保护的igbt高压直流固态继电器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有短路保护的IGBT高压直流固态继电器电路。本发明电路包括光隔式高压直流IGBT开关电路、直流短路与过载测控电路。具体包括光耦IC1、比较器IC2、电流传感器SC1、驱动三极管VT1、恒流三极管VT2、IGBT管VT3、晶闸管VT4、稳压管DW1、左二极管D1、右二极管D2、电感L1、稳压电容C1、保护电容C2、驱动电阻R1、恒流电阻R2等。本发明以IBGT管、逆阻型晶闸管、小电感、电流传感器、电压比较器等为主的电路方案，能完全地满足对高压直流固态继电器电路中的短路或过流故障进行可靠的实时保护要求。该电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。

Description

一种具有短路保护的IGBT高压直流固态继电器电路

技术领域

本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种具有短路保护的IGBT高压直流固态继电器电路，适用于高压直流供电或驱动电路中的无触点开关控制的应用场合。

背景技术

无触点式固态继电器由于其具有无机械触点、响应迅速、寿命长等优点而得到日益广泛的应用。但以IGBT为功率控制器件的高压直流固态继电器目前尚缺乏具有可靠的自我保护功能的产品，特别是发生负载短路或过载时无法自我保护，在一些相关的技术报道中尽管有设置电流检测与关断电路，但对于突然发生的短路或过载故障，这些电路无法进行及时保护而导致损坏，主要问题在于现有的基于IGBT的直流固态继电器本身电路中对电流突变无抑制能力。因此，如何设计一种能可靠进行短路与过载保护、电路简单、易于产品化的高压直流固态继电器方案，是本发明的出发点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种具有短路保护的IGBT直流固态继电器电路。该电路由光隔式高压直流IGBT驱动电路、直流短路与过载测控电路组成，其核心是以一只IGBT为功率控制器件，串接小电感以抑制电流突变，配置电流传感器，并以逆阻型晶闸管为保护控制器件，该电路在发生短路或过载时能可靠进行关断保护。

本发明电路包括光隔式高压直流IGBT开关电路、直流短路与过载测控电路。

光隔式直流IGBT开关电路包括光耦IC1、驱动三极管VT1、恒流三极管VT2、IGBT管VT3、稳压管DW1、二极管D1、电感L1、稳压电容C1、保护电容C2、驱动电阻R1、恒流电阻R2、上分压电阻R3、下分压电阻R4、稳压电阻R5、保护电阻R6、负载Load，正驱动端IN+与驱动电阻R1的一端、光耦IC1发光管的阳极连接，驱动电阻R1的另一端与驱动三极管VT1的基极、恒流三极管VT2的集电极连接，光耦IC1发光管的阴极与驱动三极管VT1的集电极连接，驱动三极管VT1的射极与恒流三极管VT2的基极、恒流电阻R2的一端连接，恒流电阻R2的另一端与恒流三极管VT2的射极、负驱动端IN-端连接，光耦IC1的输出集电极与稳压电阻R5一端、稳压管DW1的阴极、稳压电容C1的一端、辅助电源端+E1端连接，稳压电阻R5另一端与右二极管D2的阴极、电路辅负载供电端+E端、负载Load的正端+端连接，光耦IC1的输出射极与上分压电阻R3的一端连接，上分压电阻R3的另一端与下分压电阻R4的一端、IGBT管VT3的栅极、晶闸管VT4的阳极连接，IGBT管VT3的漏极与保护电阻R6的一端、电感L1的一端、左二极管D1的阳极连接，保护电阻R6的另一端与保护电容C2的一端连接，左二极管D1的阴极与电感L1的另一端、右二极管D2的阳极连接后穿过电流传感器SC1的检测孔后再与负载Load的负端-端连接，下分压电阻R4的另一端、稳压管DW1的阳极、稳压电容C1的另一端、晶闸管VT4的阴极、IGBT管VT3的源极、保护电容C2的另一端均接地；

直流短路与过载测控电路包括电流传感器SC1、比较器IC2、晶闸管VT4、门极电阻R7、滞环电阻R8、上拉电阻R9、滤波电阻R10、正端电阻R11、负端电阻R12、上偏压电阻R13、下偏压电阻R14、滤波电容C3，电流传感器SC1的供电端VCC端与辅助电源端+E1端连接，电流传感器SC1的地端GND端接地，电流传感器SC1的输出端OUT端与滤波电阻R10的一端连接，滤波电阻R10的另一端与滤波电容C3的一端、正端电阻R11的一端连接，滤波电容C3的另一端接地，正端电阻R11的另一端与滞环电阻R8的一端、比较器IC2的正输入端I+端连接，滞环电阻R8的另一端与比较器IC2的输出端OUT端、门极电阻R7的一端、上拉电阻R9的一端连接，门极电阻R7的另一端与晶闸管VT4的门极连接，比较器IC2的负输入端I-端与负端电阻R12的一端连接，负端电阻R12的另一端与上偏压电阻R13的一端、下偏压电阻R14的一端连接，上偏压电阻R13的另一端与辅助电源端+E1端连接，下偏压电阻R14的另一端接地，比较器IC2的正电源端V+端与辅助电源端+E1端、上拉电阻R9的另一端连接，比较器IC2的地端GND端接地。

本发明的有益效果如下：

本发明以IBGT管、逆阻型晶闸管、小电感、电流传感器、电压比较器等为主的电路方案，能完全地满足对高压直流固态继电器电路中的短路或过流故障进行可靠的实时保护要求。该电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种具有短路保护的IGBT高压直流固态继电器电路，包括光隔式高压直流IGBT开关电路、直流短路与过载测控电路。

光隔式直流IGBT开关电路包括光耦IC1、驱动三极管VT1、恒流三极管VT2、IGBT管VT3、稳压管DW1、二极管D1、电感L1、稳压电容C1、保护电容C2、驱动电阻R1、恒流电阻R2、上分压电阻R3、下分压电阻R4、稳压电阻R5、保护电阻R6、负载Load，正驱动端IN+与驱动电阻R1的一端、光耦IC1发光管的阳极连接，驱动电阻R1的另一端与驱动三极管VT1的基极、恒流三极管VT2的集电极连接，光耦IC1发光管的阴极与驱动三极管VT1的集电极连接，驱动三极管VT1的射极与恒流三极管VT2的基极、恒流电阻R2的一端连接，恒流电阻R2的另一端与恒流三极管VT2的射极、负驱动端IN-端连接，光耦IC1的输出集电极与稳压电阻R5一端、稳压管DW1的阴极、稳压电容C1的一端、辅助电源端+E1端连接，稳压电阻R5另一端与右二极管D2的阴极、电路辅负载供电端+E端、负载Load的正端+端连接，光耦IC1的输出射极与上分压电阻R3的一端连接，上分压电阻R3的另一端与下分压电阻R4的一端、IGBT管VT3的栅极、晶闸管VT4的阳极连接，IGBT管VT3的漏极与保护电阻R6的一端、电感L1的一端、左二极管D1的阳极连接，保护电阻R6的另一端与保护电容C2的一端连接，左二极管D1的阴极与电感L1的另一端、右二极管D2的阳极连接后穿过电流传感器SC1的检测孔后再与负载Load的负端-端连接，下分压电阻R4的另一端、稳压管DW1的阳极、稳压电容C1的另一端、晶闸管VT4的阴极、IGBT管VT3的源极、保护电容C2的另一端均接地；

直流短路与过载测控电路包括电流传感器SC1、比较器IC2、晶闸管VT4、门极电阻R7、滞环电阻R8、上拉电阻R9、滤波电阻R10、正端电阻R11、负端电阻R12、上偏压电阻R13、下偏压电阻R14、滤波电容C3，电流传感器SC1的供电端VCC端与辅助电源端+E1端连接，电流传感器SC1的地端GND端接地，电流传感器SC1的输出端OUT端与滤波电阻R10的一端连接，滤波电阻R10的另一端与滤波电容C3的一端、正端电阻R11的一端连接，滤波电容C3的另一端接地，正端电阻R11的另一端与滞环电阻R8的一端、比较器IC2的正输入端I+端连接，滞环电阻R8的另一端与比较器IC2的输出端OUT端、门极电阻R7的一端、上拉电阻R9的一端连接，门极电阻R7的另一端与晶闸管VT4的门极连接，比较器IC2的负输入端I-端与负端电阻R12的一端连接，负端电阻R12的另一端与上偏压电阻R13的一端、下偏压电阻R14的一端连接，上偏压电阻R13的另一端与辅助电源端+E1端连接，下偏压电阻R14的另一端接地，比较器IC2的正电源端V+端与辅助电源端+E1端、上拉电阻R9的另一端连接，比较器IC2的地端GND端接地。

本发明所使用的包括光耦IC1、比较器IC2、驱动三极管VT1、恒流三极管VT2、IBGT管VT3、晶闸管VT4、电流传感器SC1等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：光耦采用6N136，比较器采用LM311，三极管采用C9014，IBGT管采用IRG系列IBGT管，晶闸管采用KK1-2快速晶闸管，电流传感器采用AHKC系列电流传感器等。

本发明中的主要电路参数配合关系如下：

设：电流传感器SC1的输出信号为u_i＝u_i0+k_iI₀，u_i0、u_im分别为零电流信号与允许的最大输出信号(单位：V)，I₀、I_0m为被测的电流及其允许的最大值(单位：A)，k_i为变换系数(单位：V/A)，E₁为辅助电源电压(单位：V)，光耦发光侧电流为I_F(单位：A)。

式中的R₂为恒流电阻R2的阻值(单位：Ω)，R₈、R₁₀、R₁₁、R₁₃、R₁₄分别为滞环电阻R8、滤波电阻R10、正端电阻R11、上偏压电阻R13、下偏压电阻R14的阻值(单位：Ω)。

本发明工作过程如下：

(1)对直流负载的隔离驱动控制作用：本发明电路具有光电隔离功能，光耦IC1的发光控制侧为宽电压驱动的恒流电路，根据发光侧电流I_F，按式(1)配置恒流电阻R2。该电路的正驱动端IN+端接驱动电压的正端，负驱动端IN-端接驱动电压的负端。一般应用中，也可将正驱动端IN+端接上级控制电路的供电电压端，负驱动端IN-端作为上级控制电路的开关控制端，则，该控制端为高电平时光耦导通，进而使IGBT管导通给负载供电；该控制端为低电平时光耦关断，进而使IGBT管关断使负载断电。IBGT的驱动控制电源由稳压电阻R5、稳压管WD1、稳压电容C1组成的辅助电源，其电压为+E1。

(2)短路或过载保护作用：因无论发生负载短路还是过载，其保护的本质是当电流超过允许的最大值时就要关断IGBT管，为此，在本发明电路的短路或过载保护中，设置允许的电流及其最大值为I_0m，也是保护动作的阈值。同时配置了电感L1，防止电路电流瞬间突变，使得保护控制电路能及时进行有效的保护操作，并在电感上并联二极管D1作为续流通路。采用电流传感器SC1实时监测负载电流，一旦发现负载电流达到I_0m，则在式(2)、式(3)的电路参数配合下，比较器IC2即输出高电平使晶闸管VT4导通，迫使IGBT管关断，且关断后在没有进行断电重启工作前，IGBT管始终保持关断，从而对负载短路或过载都能安全、可靠地实现保护控制作用。

Claims (1)

1.一种具有短路保护的IGBT高压直流固态继电器电路,包括光隔式高压直流IGBT开关电路、直流短路与过载测控电路，其特征在于：

光隔式直流IGBT开关电路包括光耦IC1、驱动三极管VT1、恒流三极管VT2、IGBT管VT3、稳压管DW1、二极管D1、电感L1、稳压电容C1、保护电容C2、驱动电阻R1、恒流电阻R2、上分压电阻R3、下分压电阻R4、稳压电阻R5、保护电阻R6、负载Load，正驱动端IN+与驱动电阻R1的一端、光耦IC1发光管的阳极连接，驱动电阻R1的另一端与驱动三极管VT1的基极、恒流三极管VT2的集电极连接，光耦IC1发光管的阴极与驱动三极管VT1的集电极连接，驱动三极管VT1的射极与恒流三极管VT2的基极、恒流电阻R2的一端连接，恒流电阻R2的另一端与恒流三极管VT2的射极、负驱动端IN-端连接，光耦IC1的输出集电极与稳压电阻R5一端、稳压管DW1的阴极、稳压电容C1的一端、辅助电源端+E1端连接，稳压电阻R5另一端与右二极管D2的阴极、电路辅负载供电端+E端、负载Load的正端+端连接，光耦IC1的输出射极与上分压电阻R3的一端连接，上分压电阻R3的另一端与下分压电阻R4的一端、IGBT管VT3的栅极、晶闸管VT4的阳极连接，IGBT管VT3的漏极与保护电阻R6的一端、电感L1的一端、左二极管D1的阳极连接，保护电阻R6的另一端与保护电容C2的一端连接，左二极管D1的阴极与电感L1的另一端、右二极管D2的阳极连接后穿过电流传感器SC1的检测孔后再与负载Load的负端-端连接，下分压电阻R4的另一端、稳压管DW1的阳极、稳压电容C1的另一端、晶闸管VT4的阴极、IGBT管VT3的源极、保护电容C2的另一端均接地；

直流短路与过载测控电路包括电流传感器SC1、比较器IC2、晶闸管VT4、门极电阻R7、滞环电阻R8、上拉电阻R9、滤波电阻R10、正端电阻R11、负端电阻R12、上偏压电阻R13、下偏压电阻R14、滤波电容C3，电流传感器SC1的供电端VCC端与辅助电源端+E1端连接，电流传感器SC1的地端GND端接地，电流传感器SC1的输出端OUT端与滤波电阻R10的一端连接，滤波电阻R10的另一端与滤波电容C3的一端、正端电阻R11的一端连接，滤波电容C3的另一端接地，正端电阻R11的另一端与滞环电阻R8的一端、比较器IC2的正输入端I+端连接，滞环电阻R8的另一端与比较器IC2的输出端OUT端、门极电阻R7的一端、上拉电阻R9的一端连接，门极电阻R7的另一端与晶闸管VT4的门极连接，比较器IC2的负输入端I-端与负端电阻R12的一端连接，负端电阻R12的另一端与上偏压电阻R13的一端、下偏压电阻R14的一端连接，上偏压电阻R13的另一端与辅助电源端+E1端连接，下偏压电阻R14的另一端接地，比较器IC2的正电源端V+端与辅助电源端+E1端、上拉电阻R9的另一端连接，比较器IC2的地端GND端接地；

电路参数配合关系如下：

设：电流传感器SC1的输出信号为u_i＝u_i0+k_iI₀，u_i0、u_im分别为零电流信号与允许的最大输出信号，I₀、I_0m为被测的电流及其允许的最大值，k_i为变换系数，E₁为辅助电源电压，光耦发光侧电流为I_F；

式中的R₂为恒流电阻R2的阻值，R₈、R₁₀、R₁₁、R₁₃、R₁₄分别为滞环电阻R8、滤波电阻R10、正端电阻R11、上偏压电阻R13、下偏压电阻R14的阻值。

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