CN113381385B - 母线电流侦测及短路保护的方法及其装置 - Google Patents

母线电流侦测及短路保护的方法及其装置 Download PDF

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Abstract

一种母线电流侦测与短路保护的方法及其装置，其装置包括：一电流侦测电路用以侦测三相电流产生电压差；一开关电路连接电流侦测电路与接地端之间；及一信号处理电路用以滤除电压差的高频交流信号成分电流，留下低频信号成分电流，等效于母线电流；其中还滤除电压差的低频信号成分电流，留下高频交流信号成分电流，经积分后产生第一积分电流及电流变化率，若第一积分电流达到第一临界值，同时电流变化率达到第二临界值时判断发生短路现象，启动开关电路切断三相电流的回路，达到既侦测母线电流又做到短路保护的目的。

Description

母线电流侦测及短路保护的方法及其装置
技术领域
本发明关于一种母线电流侦测及短路保护的方法及其装置，特别是关于一种使用于电动车马达的电力转换电路，具有侦测电源侧的母线电流，以及可瞬间微短路保护的方法及其装置。
背景技术
在电动车的马达控制器应用中，一般需侦测电源侧的母线电流以作为电池保护、功率估算或马达输出功率曲线控制等目的。一般马达电力转换电路侦测电源侧的母线电流，对于瞬间的微短路现象并无法实时反应。
例如中国台湾专利第105205618号“IGBT短路检测保护电路及基于IGBT的可控整流电路”可通过二极管与源闸双极晶体管(IGBT)的汲极端，检测引脚处的电压大于一阈值电压时即表示为短路。
又如中国台湾专利第103108665号“具短路保护的桥式电路及其方法”，利用侦测单元的微光耦合器，当侦测单元侦测到电容电流比预设电流大时分析为短路。
再如图1所示，为一现有三相马达控制电路的短路保护电路，可通过侦测流经每一三相开关上臂K1～K3或下臂K4～K6的电流大小T1～T3来达到短路侦测目的。然而以上的专利技术只能做短路保护或相电流测量，无法做到短路保护兼具电源侧母线电流测量的目的。
如图2所示，现有的马达控制电路若要做到相电流侦测可由三种方式达成，方式一为线电流测量，线电流测量可利S1～S3三颗霍尔传感器(Hall Sensor)加在三相开关的输出端来测量，称为非接触式测量。方式二为接触式测量，利用R1～R3三颗分流电阻(ShuntResistor)分别加在三相开关的上臂或下臂来测量。方式三为母线电流测量，如参考文献“Single-Shunt Three-Phase Current Reconstruction Algorithm for Sensorless FOCof a PMSM”提出用单一分流电阻R4加在电源侧的接地端来达成母线电流测量与相电流侦测，但方式三必需配合脉波宽度调变(PWM)电路取样时序才可能完成，若要做短路保护，则反应的时间会太长，无法有效达到短路保护的目的。
发明内容
为解决现有无法做到既可侦测母线电流又可短路保护的缺失，本发明的目的即在于提供一种既可侦测母线电流又可实时短路保护的方法及其装置。
为达成上述目的，本发明主要技术特征在于提供一种母线电流侦测与短路保护的方法，首先侦测一三相电流，产生一电压差，接着滤除电压差的高频交流信号成分电流，留下低频信号成分电流，即等效于母线电流；同时滤除电压差的低频信号成分电流，留下高频交流信号成分电流，然后积分高频交流信号成分电流产生第一积分电流及第二积分电流，再将第一积分电流与第二积分电流相减产生一电流变化率，最后比较第一积分电流是否达到第一临界值，及比较电流变化率是否达到第二临界值，若两者同时满足时即判断为发生短路现象，切断三相电流的回路，达到既侦测母线电流又做到短路保护的目的。
为达成上述目的，本发明次要技术特征在于提供一种母线电流侦测与短路保护的装置包括：一电流侦测电路用以侦测三相电流产生电压差；一开关电路连接电流侦测电路与接地端之间；及一信号处理电路用以滤除电压差的高频交流信号成分电流，留下低频信号成分电流，等效于母线电流；其中还滤除电压差的低频信号成分电流，留下高频交流信号成分电流，经积分后产生第一积分电流及电流变化率，若第一积分电流达到第一临界值，同时电流变化率达到第二临界值时判断发生短路现象，启动开关电路切断三相电流的回路，达到既侦测母线电流又做到短路保护的目的。
为达成上述目的，本发明次要技术特征在于提供上述母线电流侦测与短路保护的装置，其中信号处理电路还包括：一低通滤波器用以滤除电压差的高频交流信号成分电流，留下低频信号成分电流。
为达成上述目的，本发明次要技术特征在于提供上述母线电流侦测与短路保护的装置，其中信号处理电路还包括：一高通滤波器用以滤除电压差的低频信号成分电流，留下高频交流信号成分电流；一第一积分器用以积分高频交流信号成分电流产生第一积分电流；一第二积分器用以积分高频交流信号成分电流产生第二积分电流；一减法器用以将第一积分电流与第二积分电流相减产生电流变化率；第一比较器用以比较第一积分电流是否达到第一临界值；一第二比较器用以比较电流变化率是否达到第二临界值；一与门用以判断当第一积分电流达到第一临界值，同时电流变化率达到第二临界值时，输出启动开关电路切断三相电流的回路。
附图说明
图1为现有三相马达控制电路的短路保护电路。
图2为现有线电流、相电流与母线电流三种电流的测量方式。
图3为本发明的电路方块示意图。
图4为本发明信号处理电路的方块示意图。
图5为本发明启动短路保护时的波形状态示意图。
图6为本发明不启动短路保护时的波形状态示意图。
附图标记说明：10-三相电力转换电路；Q1～Q6-电力开关；11-电流侦测电路；Iu,Iv,Iw-三相电力臂的电流；12-开关电路；Im-三相电流；20-信号处理电路；GND-接地端；21-低通滤波器；Idc-接地端电流；22-高通滤波器；Ic-电容器电流；23-第一积分器；Δv-电压差；24-第二积分器；I(t)-第一积分电流；25-减法器；I(t+Δt)-第二积分电流；251-减法器的一输入端；x(t)-电流变化率；252-减法器的另一输入端；V_th1-第一临界值；253-减法器的输出端；V_th2-第二临界值；26-第一比较器；Δx-电流变化量；261-第一比较器的一输入端；A、B-信号；262-第一比较器的另一输入端；263-第一比较器的输出端；27-第二比较器；271-第二比较器的一输入端；272-第二比较器的另一输入端；273-第二比较器的输出端；28-与门；281-与门的输出端。
具体实施方式
请一并参阅图3及图4所示，图3为本发明的电路方块示意图，图4为本发明信号处理电路的方块示意图。本发明主要使用在电动车直流电转交流电的三相电力转换电路10上，该三相电力转换电路10由六颗电力开关Q1～Q6组成三相电力臂，每两颗电力开关组成一相的电力臂。
本发明的短路保护装置包含一电流侦测电路11、一开关电路12及一信号处理电路20。其中该电流侦测电路11连接该三相电力臂可由一分流电阻或一电流感测元件所构成，用以侦测一三相电流Im。由图3所示可知，流经该电流侦测电路11的三相电流Im由流经三相电力臂的电流Iu,Iv,Iw组成，即三相电流Im＝f(Iu,Iv,Iw)。
而三相电流Im又分流至流经一电容器的电流Ic与流回接地端GND的电流Idc，由于流经电容器电流Ic必定为交流高频电流，而流回接地端GND的电流Idc必定为低频电流，故三相电流Im的低频成分电流即等效于流回接地端GND电流Idc，换言之，该三相电流Im的低频成分即等效于该三相电力转换电路10的母线电流，而三相电流Im的高频成分电流即等效于流经电容器电流Ic。
请一并参阅图3及图4所示，图4为本发明信号处理电路的方块示意图。其中该开关电路12可由场效晶体管(Mosfet)、继电器(Relay)或其他功率元件所构成。其中该信号处理电路20可将三相电流Im区分出低频成分电流与高频成分电流，以得到流回接地端电流Idc与电容器电流Ic，同时判断是否发生短路，若是则以该开关电路切断三相电流Im流往接地端GND的回路，达到保护的目的。
如图4所示，该信号处理电路20包括一低通滤波器21、一高通滤波器22、一第一积分器23、一第二积分器24、一减法器25、一第一比较器26、一第二比较器27及一与门28，其中该低通滤波器21及该高通滤波器22皆连接至该电流侦测电路11，该三相电流Im经该电流侦测电路11侦测后产生一电压差Δv，该电压差Δv会分成两路，一路经该低通滤波器21滤除高频交流信号成分电流，留下一低频信号成分电流，该低频信号成分电流等效于流回该接地端GND的电流Idc，换言之，该母线电流即为电压差Δv的该低频信号成分电流Idc。
其中该电压差Δv的另一路经该高通滤波器22滤除低频信号成分电流，留下一高频交流信号成分电流，该高频交流信号成分电流的大小与当时的相电流成正比。而短路现象的发生一般可从两种状况进行分析：(1)该高频信号成分电流的大小超过预期最大值；(2)短时间内该高频信号成分电流的电流变化量超过预期值，例如：(电流变化量dI)/(时间变化量dt)>X A/us,X＝数安培/微秒。
若利用状况(1)，该高频信号成分电流的大小超过预期最大值进行短路分析时，则会有反应时间不够快的问题，但若利用状况(2)，该高频信号成分电流的电流变化量超过预期值进行短路判断时，则可较快地侦测出短路现象的发生。假设流经该电流侦测电路11的该电压差Δv，其电流波形为i(t)，经积分后可用下式表示
由(1)式电流变化率x(t)可表示为：
如图4中该信号处理电路20中，该第一积分器23与该第二积分器24皆连接于该高通滤波器22，且该第二积分器24的积分时间常数比该第一积分器23大一个时间变化量Δt。因此该电压差Δv的高频信号成分电流经过该第一积分器23积分后产生一第一积分电流I(t)，再连接至该第一比较器26的一输入端261，同时连接至该减法器25的一输入端251。而该电压差Δv的高频信号成分的电流信号经过该第二积分器24积分后产生一第二积分电流I(t+Δt)，再连接至该减法器25的另一输入端252。其中该减法器25将该第一积分器电流I(t)减掉该第二积分电流I(t+Δt)，产生一电流变化率x(t)，该减法器25的输出端253连接至该第二比较器27的一输入端271。
该第一比较器26的另一输入端262可输入一第一临界值V_th1，该第一临界值V_th1代表所设定预期电流的绝对值，该预期电流可为系统欲保护的电流值。该第二比较器27的另一输入端272可输入一第二临界值V_th2，该第二临界值V_th2代表在该时间变化量Δt内的电流变化率x(t)，如(3)式所述，当该电流变化率x(t)愈大时，时间变化量Δt内所测到的电流变化量Δx也愈大。
当比较该第一积分电流I(t)是否达到该第一临界值V_th1，同时比较该电流变化率x(t)是否达到该第二临界值V_th2，若两者同时满足时即判断发生短路现象，该第一比较器26的输出端263与该第二比较器27的输出端273分别输出至该与门28的两个输入端，该与门28的输出端281输出高电位给该开关电路12，以切断三相电流Im流往接地端GND的回路，达到短路保护的目的。
请一并参阅图3及图5所示，图5为本发明启动短路保护时的波形状态示意图。本发明假设时间在0us时，有一该三相电流Im的脉冲信号流经该电流侦测电路11后，产生一该电压差Δv，其上升时间在0.8us。由图5中显示在1us时信号B变为高电位，并在1.2us时信号A亦变为高电位，此时信号A、B同时为高电位时即触发该开关电路12切断开关，以启动短路保护。
再请一并参阅图3及图6所示，图6为本发明不启动短路保护时的波形状态示意图，假设有一该三相电流Im的脉冲信号流经该电流侦测电路11后，产生一该电压差Δv，其上升时间8us。由图6中显示在3.6us时信号A变为高电位，但信号B一直维持在低电位，信号A、B无法同时为高电位时，无法触发该开关电路12，即不会启动短路保护。
由于在正常工作状态下，本发明的三相电力转换电路10的负载为马达，属于电感性负载，因此电流变化率与电感量有关，但比起短路时电流变化率要小很多。故由图6中可看出在电流变化率小的情况下，虽然三相电流Im的绝对值已达到第一临界值V_th1，但经第二积分器积分后，与第二临界值V_th2的相对差值很小，故不会触发短路保护。而由图5中看出在电流变化率大的情况下，经第二积分器后与第二临界值V_th2相对差值大，故在1.2us时即触发短路保护，反应时间短。从以上分析可知，本发明对短路保护反应时间会比单纯利用电流大小来判断短路的方法可有效缩短判断时间，对正常操作情况下也能避免误动作，增加系统可靠度。

Claims (20)

1.一种母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，使用于直流转交流的三相电力转换电路，该方法包括：
侦测一三相电流，产生一电压差；
滤除该电压差的高频交流信号成分电流，留下一低频信号成分电流，等效于该母线电流；
滤除该电压差的低频信号成分电流，留下一高频交流信号成分电流；
积分该高频交流信号成分电流，产生一第一积分电流及一第二积分电流，其中该第一积分电流由一第一积分器产生，该第二积分电流由一第二积分器产生，且该第二积分器的积分时间常数比该第一积分器大一个时间变化量；其中该第一积分电流与该第二积分电流为短时间内该高频信号成分电流的电流变化量；
该第一积分电流与该第二积分电流相减，产生一电流变化率；及
比较该第一积分电流是否达到一第一临界值，及比较该电流变化率是否达到一第二临界值，若两者同时满足时即判断为发生短路现象，切断该三相电流的回路，达到既侦测母线电流又做到短路保护的目的。
2.如权利要求1所述的母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，该三相电流由流经一三相电力臂的电流组成。
3.如权利要求2所述的母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，该三相电力臂由六颗电力开关组成，其中每两颗电力开关组成其中一相的电力臂。
4.如权利要求1所述的母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，该三相电流的低频成分电流等效于流回一接地端的电流。
5.如权利要求1所述的母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，使用一低通滤波器滤除该电压差的高频交流信号成分电流。
6.如权利要求1所述的母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，使用一高通滤波器滤除该电压差的低频信号成分电流。
7.如权利要求1所述的母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，该第一积分电流与该第二积分电流相减为使用一减法器。
8.如权利要求1所述的母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，使用一第一比较器比较该第一积分电流是否达到该第一临界值，且使用一第二比较器比较该电流变化率是否达到该第二临界值。
9.如权利要求1所述的母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，该第一临界值代表所设定预期电流的绝对值。
10.如权利要求1所述的母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，该第二临界值代表在一时间变化量内的电流变化率。
11.如权利要求1所述的母线电流侦测与短路保护的方法，其特征在于，使用一开关电路切断该三相电流的回路。
12.一种母线电流侦测与短路保护的装置，其特征在于，使用于直流转交流的三相电力转换电路，该装置包括：
一电流侦测电路，连接于一三相电力臂，用以侦测一三相电流，产生一电压差；
一开关电路，连接该电流侦测电路与一接地端之间；及
一信号处理电路，连接于该电流侦测电路及该开关电路，用以滤除该电压差的高频交流信号成分电流，留下一低频信号成分电流，等效于一母线电流；其中该信号处理电路还包括：
一高通滤波器，连接于该电流侦测电路，用以滤除该电压差的低频信号成分电流，留下该高频交流信号成分电流；
一第一积分器，连接于该高通滤波器，用以积分该高频交流信号成分电流，产生该第一积分电流；
一第二积分器，连接于该高通滤波器，用以积分该高频交流信号成分电流，产生一第二积分电流；其中该第二积分器的积分时间常数比该第一积分器大一个时间变化量，该第一积分电流与该第二积分电流为短时间内该高频信号成分电流的电流变化量；及
一减法器，连接于该第一积分器及该第二积分器，用以将该第一积分电流与该第二积分电流相减，产生该电流变化率；
其中若该第一积分电流达到一第一临界值，同时该电流变化率达到一第二临界值时判断发生短路现象，启动该开关电路切断该三相电流的回路，达到既侦测母线电流又做到短路保护的目的。
13.如权利要求12所述的母线电流侦测与短路保护的装置，其特征在于，该电流侦测电路由一分流电阻或一电流感测元件构成。
14.如权利要求12所述的母线电流侦测与短路保护的装置，其特征在于，该三相电流由流经该三相电力臂的电流组成，而该三相电力臂由六颗电力开关组成，其中每两颗电力开关组成其中一相的电力臂。
15.如权利要求12所述的母线电流侦测与短路保护的装置，其特征在于，该三相电流的低频成分电流等效于流回一接地端的电流。
16.如权利要求12所述的母线电流侦测与短路保护的装置，其特征在于，该开关电路由场效晶体管、继电器或功率元件所构成。
17.如权利要求12所述的母线电流侦测与短路保护的装置，其特征在于，该信号处理电路还包括：
一低通滤波器，连接于该电流侦测电路，用以滤除该电压差的高频交流信号成分电流，留下该低频信号成分电流。
18.如权利要求12所述的母线电流侦测与短路保护的装置，其特征在于，该信号处理电路还包括：
一第一比较器，连接于该第一积分器，用以比较该第一积分电流是否达到该第一临界值；
一第二比较器，连接于该减法器，用以比较该电流变化率是否达到该第二临界值；及
一与门，连接于该第一比较器、该第二比较器及该开关电路，用以判断当该第一积分电流达到一第一临界值，同时该电流变化率达到一第二临界值两者皆达到满足时，输出启动该开关电路，切断该三相电流的回路。
19.如权利要求12所述的母线电流侦测与短路保护的装置，其特征在于，该第一临界值代表所设定预期电流的绝对值。
20.如权利要求12所述的母线电流侦测与短路保护的装置，其特征在于，该第二临界值代表在一时间变化量内的电流变化率。
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