CN110034669A - 一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,包括:母线电流检测与过流故障判断单元、保护与释放延时控制单元、过流保护单元。母线电流检测与过流故障判断单元中,母线电流检测电阻串联在母线正端进线,将电流转化为电阻两端的电压降信号,通过分压与滤波电路,将母线电流检测电阻两端各自相对于信号地的电压分别转换为比较电路正、反相输入电压,由滞环比较电路输出过流判断电平信号;过流判断电平信号送至保护与释放延时控制单元中,产生过流保护电平信号;过流保护电平信号送至桥臂开关管驱动级,可在发生母线过电流故障时,封锁开关管驱动脉冲电平,实现过电流保护效果。本发明采用简单、可靠的分立元器件,在低压直流母线正输入端采集电流信号,通过合理的保护与释放延时控制,可有效解决低压驱动电路桥臂因短路或过流故障而导致的开关管损伤失效问题。

Description

一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路
技术领域
本发明涉及一种母线短路故障保护电路,属于低电压伺服控制领域,适用于航天器执行机构等需要在辐照等恶劣环境中长期工作的伺服驱动控制器。
背景技术
已有的电机功率驱动电路中,主要采用以下三种方式之一实现短路或过流故障保护:
(1)MOSFET等功率器件采用专用的集成驱动与保护模块,在模块中采用的短路或过流故障保护电路,一般通过检测开关器件处于导通状态时,其集-射极(或:漏-源极)间的电压差,来间接获取器件流过电流的幅值信息,并基于该电压差判断器件是否处于正常工作状态、或已处于短路或过流故障状态;
(2)在逆变器直流母线上(正端或地端),通过电流霍尔传感器等,直接采集母线电流值,并通过硬件电路或软件,判断开关器件的工作状态,决策是否采取相应的保护动作;
(3)对于中、小容量的电机驱动控制装置,在逆变器直流母线的地端串接采样电阻,检测该电阻两端电压差以获得母线电流信息,并以此决策是否采取相应的保护动作。
以上三种方法中:
第一种方法通过开关器件集-射极(或:漏-源极)间的电压差,来间接获取器件流过电流的幅值信息,其对电流幅值判断的精确性受到器件特性的影响,也受到环境温度等因素的影响。
第二种方法可以直接、准确、及时地采集电流信息,并对器件的工作状态进行准确判断。但是,相较于电阻、电容、二极管等分立器件,在空间环境等恶劣环境应用中,电流霍尔传感器在成本、可靠性、温度、辐照、力学条件适应性方面均不占优势。
第三种方法也可以直接、准确、及时地采集电流信息,并对器件的工作状态进行准确判断。但是,为实现对各相桥臂的下开关管的基-射极电压(或栅-源极电压)的可靠控制,为桥臂下开关管的驱动电路提供隔离的直流偏置电压是一个有效措施,以避免电流采样电阻两端的电压降对开关管驱动脉冲电平的影响。
发明内容
本发明克服现有技术的不足,提出了一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路。解决了空间环境等恶劣工作环境下的准确判断母线过电流故障,与合理设置保护与释放延迟时间的难题。
本发明的技术解决方案是:一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,包括:母线电流检测与过流故障判断单元、保护与释放延时控制单元、过流保护单元;母线电流检测与过流故障判断单元接收母线电流,完成电流到电压的转换后,对电压信号进行分压、滤波,再经过滞环比较得到过流故障判断电平信号至保护与释放延时控制单元;保护与释放延时控制单元接收过流故障判断电平信号,对该信号进行延时处理,得到过流保护电平信号至过流保护单元;过流保护单元对过流保护电平信号与来自外部控制器桥臂开关管的驱动脉冲电平比较后,得到桥臂开关管驱动脉冲电平给外部桥臂开关管。
所述母线电流检测与过流故障判断单元包括串联在低压母线正端进线上的母线电流检测电阻、分压、滤波与滞环比较电路;母线电流检测电阻将母线正端电流转换为母线电流检测电阻两端的电压降,通过分压与滤波电路,将母线电流检测电阻两端各自相对于信号地的电压分别转换为滞环比较电路正、反相输入电压,由滞环比较电路输出过流故障判断电平信号。
所述母线电流检测与过流故障判断单元具体包括:电阻R101、R102、R103、R104、R105、R122、R111,电容C53、C54,第一比较器U5;电阻R101为母线电流检测电阻,串联接入母线正端;电阻R102、R103、R104、R105、R122、R111,电容C53、C54,第一比较器U5分别组成分压电路、滤波电路、滞环比较电路;电阻R102一端与电阻R101接到母线正端的一端相连,电阻R102另一端与电阻R104一端相连,并且都连至第一比较器U5的正相输入端;电阻R104的另一端连至信号地,电容C53与电阻R104并联;电阻R103一端与电流检测电阻R101的另一端相连,电阻R103的另一端与电阻R105的一端相连,并且都连至第一比较器U5的反相输入端;电阻R122的一端与电阻R105的另一端相连,电阻R122的另一端接至信号地;电容C54的一端接至第一比较器U5的反相输入端,另一端与信号地相连;电阻R111一端与第一比较器U5的正相输入端相连,另一端与第一比较器U5的输出端相连。
所述电阻R101阻值范围在0.1Ω~0.5Ω之间,功率范围为2W~4W。
所述电阻R102~R105、R122用于设置电流比较阈值,满足:
其中Vdc为母线电压,idc(th)为预设的电流阈值。
所述电阻R102和R103的阻值相等,阻值范围在10KΩ~100KΩ之间;R104和R105的阻值相等,阻值范围在1KΩ~20KΩ之间;R122的阻值范围在100Ω~1KΩ之间;R102~R105和R122的阻值保证第一比较器U5的正相输入端和反相输入端相对于信号地的电压均不超出第一比较器U5的正、负偏置电压范围。
所述保护与释放延时控制单元,通过过流保护与释放延时控制电路,输出过流保护电平信号。
所述保护与释放延时控制单元具体包括:电阻R115、R124、R117,电容C57,二极管D22,稳压二极管D23;第一比较器U5输出端输出的过流故障判断电平信号送入电阻R115的一端,电阻R115的另一端与电阻R124的一端、电阻R117的一端、以及二极管D22的正端相连,二极管D22的负端与电阻R117的另一端、稳压二极管D23的负端、电容C57的一端相连,电阻R124的另一端接至偏置电压Vcc,稳压二极管D23的正端和电容C57的另一端连至信号地。
所述电阻R115、R124、R117的阻值和C57电容值满足:
5微秒<R124·C57<30微秒
5毫秒<(R115+R117)·C57<50毫秒。
所述过流保护单元通过桥臂开关管驱动与过流保护电路,输出桥臂开关管驱动脉冲电平。
所述过流保护单元具体包括:电阻R96、R97、R98、R99、R106、R107和第二比较器U4h、第三比较器U4l;电阻R98的一端和电阻R96的一端相连,接入来自控制器的桥臂上开关管驱动脉冲电平,电阻R98的另一端接至第二比较器U4h的正相输入端,电阻R96的另一端接至信号地;过流保护电平信号接至第二比较器U4h的反相输入端;电阻R106的一端接至第二比较器U4h的输出端,电阻R106的另一端接至偏置电压Vcc;第二比较器U4h的输出端输出桥臂上开关管基极驱动电平;电阻R99的一端和电阻R97的一端相连,接入来自控制器的桥臂下开关管驱动脉冲电平,电阻R99的另一端接至第三比较器U4l的正相输入端,电阻R97的另一端接至信号地;过流保护电平信号接至第三比较器U4l的反相输入端;电阻R107的一端接至第三比较器U4l的输出端,电阻R107的另一端接至偏置电压Vcc;第三比较器U4l的输出端输出桥臂下开关管基极驱动电平。
本发明与现有技术相比的优点在于:
其一、本发明通过在直流母线正输入端加装电流检测电阻,直接采集电流值,与在母线地端回线上串联检测电阻的传统方法比较,本发明中的检测电阻电压降不会影响下桥臂开关管驱动脉冲电压信号的可靠性和准确性,不会影响其导通和关断过程。与采用电流霍尔传感器采集电流信号的传统方法比较,本发明所提出的方案在力学振动、高低温、真空与辐照等恶劣环境下的适应能力具有明显优势,在成本、可靠性等方面也具有明显优势;
其二、本发明仅通过电阻、电容、比较器构成比较电路,即可以设置过电流阈值。与传统的基于电平比较的过电流判断电路方案相比较,本发明所设计的电路更加简单、可靠,过电流故障判断准确。与基于处理器或FPGA的软件过流保护方案相比较,其响应更迅速及时、可靠性更高;
其三、本发明仅通过电阻、电容、二极管、比较器等分立器件,可以设置与桥臂开关管特性相适应的保护响应延迟时间,以及保护释放延迟时间。设置简单、可靠。
附图说明
图1为本发明低压直流母线桥臂短路故障保护电路的组成原理框图;
图2为本发明低压直流母线桥臂短路故障保护电路中的母线电流检测与过流故障判断单元、保护与释放延时控制单元的电路示意图;
图3为本发明低压直流母线桥臂短路故障保护电路中的过流保护单元的电路示意图;
图4为本发明低压直流母线桥臂短路故障保护电路中的母线电流、过流保护电平信号GIO、桥臂开关管驱动脉冲等关键信号的示意图。
具体实施方式
本发明一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,包括母线电流检测与过流故障判断单元、保护与释放延时控制单元、过流保护单元;母线电流检测与过流故障判断单元接收母线电流,完成电流到电压的转换后,对电压信号进行分压、滤波,再经过滞缓比较得到过流故障判断电平信号至保护与释放延时控制单元;保护与释放延时控制单元接收过流故障判断电平信号,对该信号进行延时处理,得到过流保护电平信号至过流保护单元;过流保护单元对过流保护电平信号与来自外部控制器桥臂开关管的驱动脉冲电平比较后,得到桥臂开关管驱动脉冲电平给外部桥臂开关管其中:
母线电流检测与过流故障判断单元:包含串联在低压母线正端进线上的母线电流检测电阻、分压、滤波与滞环比较电路。母线电流检测电阻将母线正端电流转换为母线电流检测电阻两端的电压降,通过分压与滤波电路,将母线电流检测电阻两端各自相对于信号地的电压分别转换为滞环比较电路正、反相输入电压,由滞环比较电路输出过流判断电平信号。
保护与释放延时控制单元:包含过流保护与释放延时控制电路,该单元的输入为过流故障判断电平信号,输出为过流保护电平信号。如果传来的过流判断电平信号为“正常无过流”,则该单元输出的过流保护电平信号GIO高于1V且低于4V,一般可设为2.4V恒定电平,对桥臂开关管的正常导通、关断动作无影响;如果传来的过流判断电平信号为“过流”,则过流保护电平信号GIO约在10~20微秒的延迟后升高至5V以上,使桥臂开关管进入封锁关断状态,阻止电流的升高;如果传来的过流判断电平信号从“过流”状态变为“正常无过流”状态,则过流保护电平信号GIO约在10~20毫秒的延迟后恢复至约2.4V,控制器向各桥臂开关管发出的控制信号可正常送至开关管的基极,恢复正常的驱动控制。
过流保护单元:过流保护电平信号GIO送入该单元后,通过比较器电路,与控制器送来的各桥臂开关管的脉冲宽度调制电平信号进行比较。各桥臂开关管的脉冲宽度调制电平信号低电平约0V,高电平约5V。比较器的输出电平用于控制各开关管的导通与关断。
本发明具体组成由母线电流检测与过流故障判断单元、保护与释放延时控制单元、过流保护单元,如图1所示。母线电流检测与过流故障判断单元中,母线电流检测电阻串联在母线正端进线,将电流转化为电阻两端的电压降信号,通过分压、滤波电路,将母线电流检测电阻两端各自相对于信号地的电压分别转换为比较电路正、反相输入电压,由滞环比较电路输出过流判断电平信号;过流判断电平信号送至保护与释放延时控制单元中,产生过流保护电平信号;过流保护电平信号送至桥臂开关管驱动级,可在开关管正常开关动作的同时,封锁开关管驱动脉冲电平,实现过电流保护效果。
如图2所示,本发明短路故障保护电路由电阻R101、R102、R103、R104、R105、R122、R111、R115、R124、R117、R96、R97、R98、R99、R106、R107,电容C53、C54、C57,二极管D22,稳压二极管D23,第一比较器U5,第二比较器U4h,第三比较器U4l组成。
母线电流检测与过流故障判断单元中,R101为母线电流检测电阻,串联接入母线正端。电阻R102、R103、R104、R105、R122、R111,电容C53、C54,第一比较器U5组成分压、滤波与滞环比较电路。电阻R102一端与R101接到母线正端的一端相连,R102另一端与R104一端相连,并且都连至第一比较器U5的正相输入端,R104的另一端连至信号地,电容C53与R104并联。R103一端与电流检测电阻R101的另一端相连,R103的另一端与R105的一端相连,并且都连至第一比较器U5的反相输入端。R122的一端与R105的另一端相连,R122的另一端接至信号地。电容C54的一端接至第一比较器U5的反相输入端,另一端与信号地相连。R111一端与第一比较器U5的正相输入端相连,另一端与第一比较器U5的输出端相连。
电阻R101阻值范围在0.1Ω~0.5Ω之间,功率范围在2W~4W之间;R102~R105、R122用于设置电流比较阈值,如(1)式所示:
Vdc为母线电压,idc(th)为预设的电流阈值。R102和R103的阻值相等,阻值范围在10KΩ~100KΩ之间。R104和R105的阻值相等,阻值范围在1KΩ~20KΩ之间。R122的阻值范围在100Ω~1KΩ之间。R102~R105和R122的阻值保证第一比较器U5的正相输入端和反相输入端相对于信号地的电压均不超出第一比较器U5的正、负偏置电压范围。
保护与释放延时控制单元中,第一比较器U5输出端输出的过流故障判断电平信号送入R115的一端,R115的另一端与R124的一端、R117的一端、以及二极管D22的正端相连,D22的负端与电阻R117的另一端、稳压二极管D23的负端、电容C57的一端相连,电阻R124的另一端接至偏置电压Vcc,稳压二极管D23的正端和电容C57的另一端连至信号地。
R115、R124、R117阻值和C57电容值同时满足(2)、(3)、(4)式:
5微秒<R124·C57<30微秒 (3)
5毫秒<(R115+R117)·C57<50毫秒 (4)
过流保护单元中,R98的一端和R96的一端相连,接入来自控制器的桥臂上开关管驱动脉冲电平,R98的另一端接至第二比较器U4h的正相输入端,R96的另一端接至信号地。过流保护电平信号接至第二比较器U4h的反相输入端。R106的一端接至第二比较器U4h的输出端,R106的另一端接至偏置电压Vcc。第二比较器U4h的输出端输出桥臂上开关管基极驱动电平。R99的一端和R97的一端相连,接入来自控制器的桥臂下开关管驱动脉冲电平,R99的另一端接至第三比较器U4l的正相输入端,R97的另一端接至信号地。过流保护电平信号接至第三比较器U4l的反相输入端。R107的一端接至第三比较器U4l的输出端,R107的另一端接至偏置电压Vcc。第三比较器U4l的输出端输出桥臂下开关管基极驱动电平。
本发明低压直流母线桥臂短路故障保护电路的工作机理如下:
(1)初次上电后,电流检测电阻R101流过的电流为零,第一比较器U5反相输入端电压高于正相输入端电压,其内部输出三极管处于导通状态,偏置电压Vcc通过R124、R115和第一比较器U5内部的输出三极管的集电极与发射极,形成流通到信号地的电流回路,使二极管D22正端得到2.4V电压。进而,通过D22、C57,维持过流保护电平信号GIO约为2.4V;
(2)母线未出现过电流的正常工作状态,电流检测电阻R101流过电流的幅值远小于设定阈值idc(th),见附图4中的曲线1中的t0时刻之前的母线电流曲线。则第一比较器U5的反相输入端电压仍高于正相输入端电压,过流保护电平信号GIO仍约为2.4V,见附图4中的曲线2中的t0时刻之前的过流保护电平信号GIO。由于图3中的来自控制器的A相桥臂上、下开关管驱动脉冲电平M_GPWM_AH_OUT、M_GPWM_AL_OUT的幅度为0V或5V,则经过第二比较器U4h和第三比较器U4l,与过流保护电平信号GIO比较后,桥臂上、下开关管都能正常工作,见附图4中的曲线3中的t0时刻之前的桥臂开关管驱动脉冲信号曲线;
(3)若母线电流检测电阻R101流过电流的幅值超过设定阈值idc(th),见附图4中的曲线1中的t0时刻的母线电流,则第一比较器U5反相输入端电压降至低于正相输入端电压,其内部输出三极管关断。偏置电压Vcc将通过R124、D22、C57形成流通到信号地的回路,而由于为第一比较器U5构成正反馈的电阻R111阻值(一般范围为100KΩ~2MΩ)远大于R115、R124,R111对D22正端电压的影响可以忽略不计。因此,电容C57两端电压迅速升高,其电压上升快慢取决于R124、C57时间常数(约为10~20微秒),见附图4中的曲线2中的t0至t1区间的过流保护电平信号GIO。过流保护电平信号GIO将被最终钳制在稳压二极管D23击穿电压,满足第二比较器U4反相输入端电平限幅要求,见附图4中的曲线2中的t1至t2区间出现的过流保护电平信号GIO平台。图3所示的桥臂电路上、下开关管的驱动脉冲被强制为低电平,各开关管进入关断状态,避免母线电流的升高,实现过电流保护效果,见附图4中的曲线3中的t0至t3区间的桥臂开关管驱动脉冲信号曲线;
(4)若母线电流检测电阻R101流过电流降低到设定阈值idc(th)之下,见附图4中的曲线1中的t2至t3区间的母线电流,则第一比较器U5内部输出三极管再次进入导通状态,二极管D22正端电压将立刻恢复到正常值2.4V。由于二极管D22的反向阻止作用,电容C57中存储的电荷须通过电阻R117(阻值范围510KΩ~5.1MΩ)释放,过流保护电平信号GIO的电压下降快慢由R117、C57决定,其时间常数变化范围约为10~20毫秒,见附图4中的曲线2中的t2至t3区间出现的过流保护电平信号GIO曲线。当GIO电压在t3时刻降低到5V以下时,控制器对桥臂上、下开关管的控制作用恢复。
从以上介绍可知:
(1)调整电阻R102~R105、R122的阻值,可改变电流保护阈值的设置;
(2)调整电阻R124的阻值、电容C57的电容值,可实现对保护动作延迟时间的调整;
(3)调整电阻R117的阻值、电容C57的电容值、稳压二极管D23的击穿电压值,可实现对保护释放延迟时间的调整;
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于包括:母线电流检测与过流故障判断单元、保护与释放延时控制单元、过流保护单元;母线电流检测与过流故障判断单元接收母线电流,完成电流到电压的转换后,对电压信号进行分压、滤波,再经过滞环比较得到过流故障判断电平信号至保护与释放延时控制单元;保护与释放延时控制单元接收过流故障判断电平信号,对该信号进行延时处理,得到过流保护电平信号至过流保护单元;过流保护单元对过流保护电平信号与来自外部控制器桥臂开关管的驱动脉冲电平比较后,得到桥臂开关管驱动脉冲电平给外部桥臂开关管。
2.根据权利要求1所述的一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于:所述母线电流检测与过流故障判断单元包括串联在低压母线正端进线上的母线电流检测电阻、分压、滤波与滞环比较电路;母线电流检测电阻将母线正端电流转换为母线电流检测电阻两端的电压降,通过分压与滤波电路,将母线电流检测电阻两端各自相对于信号地的电压分别转换为滞环比较电路正、反相输入电压,由滞环比较电路输出过流故障判断电平信号。
3.根据权利要求2所述的一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于:所述母线电流检测与过流故障判断单元具体包括:电阻R101、R102、R103、R104、R105、R122、R111,电容C53、C54,第一比较器U5;电阻R101为母线电流检测电阻,串联接入母线正端;电阻R102、R103、R104、R105、R122、R111,电容C53、C54,第一比较器U5分别组成分压电路、滤波电路、滞环比较电路;电阻R102一端与电阻R101接到母线正端的一端相连,电阻R102另一端与电阻R104一端相连,并且都连至第一比较器U5的正相输入端;电阻R104的另一端连至信号地,电容C53与电阻R104并联;电阻R103一端与电流检测电阻R101的另一端相连,电阻R103的另一端与电阻R105的一端相连,并且都连至第一比较器U5的反相输入端;电阻R122的一端与电阻R105的另一端相连,电阻R122的另一端接至信号地;电容C54的一端接至第一比较器U5的反相输入端,另一端与信号地相连;电阻R111一端与第一比较器U5的正相输入端相连,另一端与第一比较器U5的输出端相连。
4.根据权利要求3所述的一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于:所述电阻R101阻值范围在0.1Ω~0.5Ω之间,功率范围为2W~4W。
5.根据权利要求3所述的一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于:所述电阻R102~R105、R122用于设置电流比较阈值,满足:
其中Vdc为母线电压,idc(th)为预设的电流阈值。
6.根据权利要求3所述的一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于:所述电阻R102和R103的阻值相等,阻值范围在10KΩ~100KΩ之间;R104和R105的阻值相等,阻值范围在1KΩ~20KΩ之间;R122的阻值范围在100Ω~1KΩ之间;R102~R105和R122的阻值保证第一比较器U5的正相输入端和反相输入端相对于信号地的电压均不超出第一比较器U5的正、负偏置电压范围。
7.根据权利要求1所述的一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于:所述保护与释放延时控制单元,通过过流保护与释放延时控制电路,输出过流保护电平信号。
8.根据权利要求7所述的一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于:所述保护与释放延时控制单元具体包括:电阻R115、R124、R117,电容C57,二极管D22,稳压二极管D23;第一比较器U5输出端输出的过流故障判断电平信号送入电阻R115的一端,电阻R115的另一端与电阻R124的一端、电阻R117的一端、以及二极管D22的正端相连,二极管D22的负端与电阻R117的另一端、稳压二极管D23的负端、电容C57的一端相连,电阻R124的另一端接至偏置电压Vcc,稳压二极管D23的正端和电容C57的另一端连至信号地。
9.根据权利要求8所述的一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于:所述电阻R115、R124、R117的阻值和C57电容值满足:
5微秒<R124·C57<30微秒
5毫秒<(R115+R117)·C57<50毫秒。
10.根据权利要求1所述的一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于:所述过流保护单元通过桥臂开关管驱动与过流保护电路,输出桥臂开关管驱动脉冲电平。
11.根据权利要求10所述的一种低压直流母线桥臂短路故障保护电路,其特征在于:所述过流保护单元具体包括:电阻R96、R97、R98、R99、R106、R107和第二比较器U4h、第三比较器U4l;电阻R98的一端和电阻R96的一端相连,接入来自控制器的桥臂上开关管驱动脉冲电平,电阻R98的另一端接至第二比较器U4h的正相输入端,电阻R96的另一端接至信号地;过流保护电平信号接至第二比较器U4h的反相输入端;电阻R106的一端接至第二比较器U4h的输出端,电阻R106的另一端接至偏置电压Vcc;第二比较器U4h的输出端输出桥臂上开关管基极驱动电平;电阻R99的一端和电阻R97的一端相连,接入来自控制器的桥臂下开关管驱动脉冲电平,电阻R99的另一端接至第三比较器U4l的正相输入端,电阻R97的另一端接至信号地;过流保护电平信号接至第三比较器U4l的反相输入端;电阻R107的一端接至第三比较器U4l的输出端,电阻R107的另一端接至偏置电压Vcc;第三比较器U4l的输出端输出桥臂下开关管基极驱动电平。
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