CN109687396B - 一种igbt短路保护电路及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT短路保护电路，该保护电路设于主回路整流滤波单元、主回路泄放逆变单元和微处理器模块之间，所述保护电路包括硬件保护单元和三态缓冲器信号处理单元；所述硬件保护单元耦接主回路整流滤波单元、微处理器模块、三态缓冲器信号处理单元、主回路泄放逆变单元；所述三态缓冲器信号处理单元耦接微处理器模块、硬件保护单元、主回路泄放逆变单元。本发明采用的一种IGBT短路保护电路及其实现方法成本低廉、电路设计及调试简单、抗干扰能力强，可以同时实现伺服驱动器桥臂直通短路、输出相间短路、输出对地短路保护功能，且在伺服驱动器设备之外的电路设计中，都可以灵活运用，实现其保护效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT短路保护电路，具体涉及一种用于伺服驱动器桥臂直通短路、输出相间短路、输出对地短路时，对伺服驱动器IGBT的保护电路及其实现方式。
背景技术
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出，能够跟随输入量的变化而变化的自动控制系统。伺服系统主要包括永磁同步电机和伺服驱动器两部分。伺服系统目前已广泛用于人民生产过程，大大的提高了劳动生产效率，创造了不可估量的经济效益。
但是伺服系统在恶劣的工况及复杂的电磁环境下，伺服系统中的伺服驱动器容易发生IGBT桥臂直通短路、输出相间短路、输出对地短路的故障，如果伺服驱动器没有及时保护并停止工作，将产生伺服驱动器部件损坏、电击等风险，可能造成严重的人民财产和生命损失。
目前常用的一项技术是通过检测每个IGBT在各自开通时的导通压降VCE(sat)，从而判断是否发生短路故障。尽管该项技术能够同时实现伺服驱动器桥臂直通短路、输出相间短路、输出对地短路时对IGBT的短路保护功能，并且已经从分立元器件组合电路方案发展为驱动芯片集成电路方案，但是此技术最大的缺点在于：1、成本高；2、电路设计复杂且调试困难；3、容易受温度、强电磁干扰、IGBT开关特性等因素影响误触发保护功能。
另一项技术是通过检流电阻采集伺服驱动器直流母线负极的电流信号，经滤波、放大、比较、隔离等电路判断是否发生短路故障。相比上述技术，该项技术成本有所降低、电路有所简化，但缺少输出对地短路保护功能。虽然一般可以通过附加霍尔传感器采集伺服驱动器直流母线正极电流信号，从而补充输出对地短路保护功能，但是又带来成本、设计复杂度上升的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本、简单、可靠的伺服驱动器IGBT短路保护电路及其实现方法，通过检流电阻分别采集伺服驱动器直流母线正极和直流母线负极的电流信号，经滤波、隔离电路判断是否发生短路故障，同时实现伺服驱动器桥臂直通短路、输出相间短路、输出对地短路时对IGBT的短路保护功能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种IGBT短路保护电路，所述保护电路设于主回路整流滤波单元、主回路泄放逆变单元和微处理器模块之间，其特征在于：
所述保护电路包括硬件保护单元和三态缓冲器信号处理单元；所述硬件保护单元耦接主回路整流滤波单元、微处理器模块、三态缓冲器信号处理单元、主回路泄放逆变单元；所述三态缓冲器信号处理单元耦接微处理器模块、硬件保护单元、主回路泄放逆变单元；
硬件保护单元的输入端通过直流母线正极、直流母线负极与主回路整流滤波单元、主回路泄放逆变单元相连，输出端与三态缓冲器信号处理单元、微处理器模块相连；
三态缓冲器信号处理单元的输入端与微处理器模块相连，输出端与主回路泄放逆变单元相连；
硬件保护单元中：光电耦合器OP1的阳极与二极管D1的阴极相连，光电耦合器OP1的阴极与二极管D1的阳极相连，电阻R1与二极管D1并联，电容C1与二极管D1并联，电阻R3的一端与二极管D1的阴极相连，电阻R3的另一端与电阻RS1的1号端相连，电阻RS1的2号端与二极管D1的阳极相连，电阻RS1串联入直流母线正极中，电阻RS1的1号端与所述主回路整流滤波单元耦接，电阻RS1的2号端与所述主回路泄放逆变单元耦接；光电耦合器OP2的阳极与二极管D2的阴极相连，光电耦合器OP2的阴极与二极管D2的阳极相连，电阻R2与二极管D2并联，电容C2与二极管D2并联，电阻R4的一端与二极管D2的阴极相连，电阻R4的另一端与电阻RS2的1号端相连，电阻RS2的2号端与二极管D2的阳极相连，电阻RS2串联入直流母线负极中，电阻RS2的1号端与所述主回路整流滤波单元耦接，电阻RS2的2号端与所述主回路泄放逆变单元耦接；电阻R5的一端与电容C3的一端相连，电阻R5的另一端接电源VCC，电容C3的另一端接地GND，光电耦合器OP1的集电极与电阻R5的一端、电容C3的一端相连，光电耦合器OP1的发射极与地GND相连，光电耦合器OP2的集电极与电阻R5的一端、电容C3的一端相连，光电耦合器OP2的发射极与地GND相连，电阻R5、电容C3的公共端与所述微处理器模块耦接，电阻R5、电容C3的公共端与所述三态缓冲器信号处理单元耦接。
三态缓冲器信号处理单元包含三态缓冲器电路。
本发明还提供了上述保护电路的实现方法，包括以下步骤：
步骤一，硬件保护单元检测主回路直流母线正极和主回路直流母线负极的电流状态，发送使能/报警信号至微处理器模块和三态缓冲器信号处理单元；
步骤二，微处理器模块根据接收的使能/报警信号判断是否发送控制信号至三态缓冲器信号处理单元；
步骤三，三态缓冲器信号处理单元根据接收的使能/报警信号和控制信号，发送对应的驱动信号至主回路泄放逆变单元。
其中，上述使能/报警信号为高电平信号或低电平信号，控制信号为高低占空比电平信号、高电平信号、低电平信号或高阻态，驱动信号为高低占空比电平信号、高电平信号、低电平信号或高阻态。
本发明通过检流电阻分别采集伺服驱动器直流母线正极和直流母线负极的电流信号，经滤波、隔离电路判断是否发生短路故障，同时实现伺服驱动器桥臂直通短路、输出相间短路、输出对地短路时对IGBT的短路保护功能。
当伺服驱动器出现桥臂直通短路、输出相间短路、输出对地短路故障时，三态缓冲器信号处理单元立即发送给主回路泄放逆变单元的驱动信号置为高阻态，从而使IGBT立即停止工作，起到IGBT短路保护作用。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明可以同时实现桥臂直通短路、输出相间短路、输出对地短路保护功能，且成本低廉、电路设计及调试简单、抗干扰能力强；
2、本发明所述装置结构简单、效果明显、可靠性高，在伺服驱动器设备之外的电路设计中，都可以灵活运用，实现其保护效果。
附图说明
图1为本发明保护电路的结构示意图；
图2为图1中硬件保护单元的电路图；
图3为本发明保护电路用于伺服驱动器实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图1为本发明所述的一种IGBT短路保护电路的结构框图，该保护电路设于主回路整流滤波单元、主回路泄放逆变单元和微处理器模块之间，包括硬件保护单元和三态缓冲器信号处理单元。并且，微处理器模块耦接三态缓冲器信号处理单元、硬件保护单元；三态缓冲器信号处理单元耦接微处理器模块、硬件保护单元、主回路泄放逆变单元；主回路泄放逆变单元耦接硬件保护单元、主回路泄放逆变单元；硬件保护单元耦接主回路整流滤波单元、微处理器模块、三态缓冲器信号处理单元、主回路泄放逆变单元；主回路整流滤波单元耦接硬件保护单元。
其中：微处理器模块为包含中央处理单元（CPU）的微处理器（MCU）、单片机、数字信号处理器（DSP）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）或可编程控制器（PLC）的电路模块；三态缓冲器信号处理单元包含三态缓冲器的电路模块；结合图2，硬件保护单元由电阻R1、R2、R3、R4、R5、RS1、RS2，电容C1、C2、C3，二极管D1、D2，以及光电耦合器OP1、OP2构成，各组成相互关系是：OP1的阳极与D1的阴极相连，OP1的阴极与D1的阳极相连，R1与D1并联，C1与D1并联，R3的一端与D1的阴极相连，R3的另一端与RS1的1号端相连，RS1的2号端与D1的阳极相连，RS1串联入直流母线正极中，RS1的1号端与所述主回路整流滤波单元耦接，RS1的2号端与所述主回路泄放逆变单元耦接；OP2的阳极与D2的阴极相连，OP2的阴极与D2的阳极相连，R2与D2并联，C2与D2并联，R4的一端与D2的阴极相连，R4的另一端与RS2的1号端相连，RS2的2号端与D2的阳极相连，RS2串联入直流母线负极中，RS2的1号端与所述主回路整流滤波单元耦接，RS2的2号端与所述主回路泄放逆变单元耦接；R5的一端与C3的一端相连，R5的另一端接电源VCC，C3的另一端接地GND，OP1的集电极与R5的一端、C3的一端相连，OP1的发射极与地GND相连，OP2的集电极与R5的一端、C3的一端相连，OP2的发射极与地GND相连，R5、C3的公共端与所述微处理器模块耦接，R5、C3的公共端与所述三态缓冲器信号处理单元耦接。
上述保护电路，其工作实现方法是：
步骤一，硬件保护单元检测主回路直流母线正极和主回路直流母线负极的电流状态，发送使能/报警信号EN/ALM至微处理器模块和三态缓冲器信号处理单元；
步骤二，微处理器模块根据接收的使能/报警信号EN/ALM判断是否发送控制信号Control至三态缓冲器信号处理单元；
步骤三，三态缓冲器信号处理单元根据接收的使能/报警信号EN/ALM和控制信号Control，发送对应的驱动信号Drive至主回路泄放逆变单元。
通常，上述使能/报警信号EN/ALM为高电平信号或低电平信号，控制信号Control为高低占空比电平信号、高电平信号、低电平信号或高阻态，驱动信号Drive为高低占空比电平信号、高电平信号、低电平信号或高阻态
具体情况如下：
为了对本发明的目的、技术特征及优点更加清楚的理解，现结合图3实施例示意图对本发明进行进一步详细说明。应当理解。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
所述直流母线正极上的电流在RS1上产生电压，伺服驱动器正常工作时，电流小于短路保护临界值I sc1 ，则OP1原边输入电压值小于光耦导通阈值电压V F ，光耦副边三极管截止，所述硬件保护单元输出使能/报警信号EN/ALM为低电平；当发生桥臂直通短路、输出相间短路或输出对地短路故障时，电流超过短路保护临界值I sc1 ，则OP1原边输入电压值达到光耦导通阈值电压V F ，光耦副边三极管导通，所述硬件保护单元输出使能/报警信号EN/ALM为低电平；进一步的，D1对OP1起防反向电压保护的作用，C1起滤波抗干扰的作用，R1、R3起调整I sc1 值的作用；通常的，I sc1 可以设定在伺服驱动器额定输出电流峰值的4倍和IGBT额定电流的2倍之间，既能够可靠的触发使能/报警信号EN/ALM，又给输出电流过载时留出足够余量避免误触发；进一步的，I sc1 、V F 、RS1、R1、R3的关系为：
所述直流母线负极上的电流在RS2上产生电压，伺服驱动器正常工作时，电流小于短路保护临界值I sc2 ，则OP2原边输入电压值小于光耦导通阈值电压V F ，光耦副边三极管截止，所述硬件保护单元输出使能/报警信号EN/ALM为低电平；当发生桥臂直通短路、输出相间短路或输出对地短路故障时，电流超过短路保护临界值I sc2 ，则OP2原边输入电压值达到光耦导通阈值电压V F ，光耦副边三极管导通，所述硬件保护单元输出使能/报警信号EN/ALM为低电平；进一步的，D2对OP2起防反向电压保护的作用，C2起滤波抗干扰的作用，R2、R4起调整I sc2 值的作用；通常的，I sc2 可以设定在伺服驱动器额定输出电流峰值的4倍和IGBT额定电流的2倍之间，既能够可靠的触发使能/报警信号EN/ALM，又给输出电流过载时留出足够余量避免误触发；进一步的，I sc2 、V F 、RS2、R2、R4的关系为：
当所述硬件保护单元输出使能/报警信号EN/ALM为高电平时，即所述伺服驱动器处于正常工作状态；所述微处理器模块接收使能/报警信号EN/ALM并判断后，正常发送控制信号Control至所述三态缓冲器信号处理单元，控制信号Control为高电平、低电平或高低占空比电平信号；所述三态缓冲器信号处理单元接收并处理使能/报警信号EN/ALM，并经所述三态缓冲器信号处理单元中的三态缓冲器接收判断后，所述三态缓冲器信号处理单元将接收到的控制信号Control转换为驱动信号Drive并发送至所述主回路泄放逆变单元，控制所述主回路泄放逆变单元中的IGBT开通或关断，驱动信号Drive为高电平、低电平或高低占空比电平信号。
当所述硬件保护单元输出使能/报警信号EN/ALM为低电平时，即所述伺服驱动器进入桥臂直通短路、输出相间短路或输出对地短路故障状态；此时所述微处理器模块仍然正常发送控制信号Control至所述三态缓冲器信号处理单元，控制信号Control为高电平、低电平或高低占空比电平信号；所述三态缓冲器信号处理单元接收并处理使能/报警信号EN/ALM，并经所述三态缓冲器信号处理单元中的三态缓冲器接收判断后，所述三态缓冲器信号处理单元将驱动信号Drive立即置为高阻态信号并发送至所述主回路泄放逆变单元，控制所述主回路泄放逆变单元中的IGBT停止工作，起到短路保护作用；所述微处理器模块接收使能/报警信号EN/ALM并判断后，将控制信号Control置为高阻态信号，停止向所述三态缓冲器信号处理单元发送控制信号Control，进一步起到短路保护作用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易联想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种IGBT短路保护电路，所述保护电路设于主回路整流滤波单元、主回路泄放逆变单元和微处理器模块之间，其特征在于：
所述保护电路包括硬件保护单元和三态缓冲器信号处理单元；所述硬件保护单元耦接主回路整流滤波单元、微处理器模块、三态缓冲器信号处理单元、主回路泄放逆变单元；所述三态缓冲器信号处理单元耦接微处理器模块、硬件保护单元、主回路泄放逆变单元；
所述硬件保护单元中：
光电耦合器OP1的阳极与二极管D1的阴极相连，所述光电耦合器OP1的阴极与所述二极管D1的阳极相连，电阻R1与所述二极管D1并联，电容C1与所述二极管D1并联，电阻R3的一端与所述二极管D1的阴极相连，所述电阻R3的另一端与电阻RS1的1号端相连，所述电阻RS1的2号端与所述二极管D1的阳极相连，所述电阻RS1串联入直流母线正极中，所述电阻RS1的1号端与所述主回路整流滤波单元耦接，所述电阻RS1的2号端与所述主回路泄放逆变单元耦接；
光电耦合器OP2的阳极与二极管D2的阴极相连，所述光电耦合器OP2的阴极与所述二极管D2的阳极相连，电阻R2与所述二极管D2并联，电容C2与所述二极管D2并联，电阻R4的一端与所述二极管D2的阴极相连，所述电阻R4的另一端与电阻RS2的1号端相连，所述电阻RS2的2号端与所述二极管D2的阳极相连，所述电阻RS2串联入直流母线负极中，所述电阻RS2的1号端与所述主回路整流滤波单元耦接，所述电阻RS2的2号端与所述主回路泄放逆变单元耦接；
电阻R5的一端与电容C3的一端相连，所述电阻R5的另一端接电源VCC，所述电容C3的另一端接地GND，所述光电耦合器OP1的集电极与所述电阻R5的一端、所述电容C3的一端相连，所述光电耦合器OP1的发射极与所述地GND相连，所述光电耦合器OP2的集电极与所述电阻R5的一端、所述电容C3的一端相连，所述光电耦合器OP2的发射极与所述地GND相连，所述电阻R5、所述电容C3的公共端与微处理器模块耦接，所述电阻R5、电容C3的公共端与所述三态缓冲器信号处理单元耦接。
2.根据权利要求1所述的IGBT短路保护电路，其特征在于：所述三态缓冲器信号处理单元包含三态缓冲器电路。
3.根据权利要求1所述的IGBT短路保护电路，其特征在于：所述光电耦合器为普通低速光电耦合器。
4.一种权利要求1所述的IGBT短路保护电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，所述硬件保护单元检测主回路整流滤波单元直流母线正极和主回路整流滤波单元直流母线负极的电流状态，发送使能/报警信号至微处理器模块和所述三态缓冲器信号处理单元；
步骤二，所述微处理器模块根据接收的使能/报警信号判断是否发送控制信号至三态缓冲器信号处理单元；
步骤三，所述三态缓冲器信号处理单元根据接收的使能/报警信号和控制信号，发送对应的驱动信号至主回路泄放逆变单元。
5.根据权利要求4所述的IGBT短路保护电路的实现方法，其特征在于：所述使能/报警信号为高电平信号或低电平信号。
6.根据权利要求4所述的IGBT短路保护电路的实现方法，其特征在于：控制信号为高低占空比电平信号、高电平信号、低电平信号或高阻态。
7.根据权利要求4所述的IGBT短路保护电路的实现方法，其特征在于：驱动信号为高低占空比电平信号、高电平信号、低电平信号或高阻态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A IGBT Short Circuit Protection Circuit and Its Implementation Method Effective date of registration: 20221013 Granted publication date: 20191122 Pledgee: Zijin Branch of Nanjing Bank Co.,Ltd. Pledgor: NANJING SCIYON DRIVE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980018042 |