CN201903575U - 直流电流检测电路及应用该电路的变频空调器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流电流检测电路及应用该电路的变频空调器，包括集成运放、连接在集成运放的输出端与反相输入端之间的反馈网络、以及用于对待检测的直流电流进行取样的电流取样电阻；所述电流取样电阻的个数与待检测的直流电流的路数相等，将待检测的直流电流转换为采样电压通过加法器进行叠加后，输出至所述集成运放的同相输入端，所述集成运放通过其输出端输出用于反映待检测直流电流大小的电压信号。采用本实用新型检测输出的电压信号反映的是实时的输入电流值，通过检测输出的电压值，可以间接地计算出输入的电流值。通过设定不同的输出电压保护值，当检测电路输出的电压值超过保护值时进行保护处理，可以达到对输入电流保护的目的。

Description

直流电流检测电路及应用该电路的变频空调器

技术领域

本实用新型属于检测电路技术领域，具体地说，是涉及一种用于检测直流电流大小的测试电路以及应用该直流电流检测电路设计的变频空调器。

背景技术

对于目前的空调系统，普遍采用直流互感器等元件来检测电控系统中的交流电流，并通过对交流电流的检测来完成对空调系统的控制以及对空调系统的过电流保护功能。

而对于变频式空调系统来说，为了适应其电控系统中逆变器的工作要求，需要设计将交流电源整流成直流电源的整流过程，然后通过逆变器将整流生成的直流电源逆变成用于控制室外压缩机运行的交流电源输出。对直流电流进行检测，以用于空调系统的控制或者用于过电流保护，会更加准确、更加直接地反应空调系统的负载情况。但是，目前并没有对于变频空调上直流电流检测的合适方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种直流电流检测电路，根据检测到的电流大小可以用于后续电路的保护及控制。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种直流电流检测电路，包括集成运放、连接在集成运放的输出端与反相输入端之间的反馈网络、以及用于对待检测的直流电流进行取样的电流取样电阻；所述电流取样电阻的个数与待检测的直流电流的路数相等，将待检测的直流电流转换为采样电压通过加法器进行叠加后，输出至所述集成运放的同相输入端，所述集成运放通过其输出端输出用于反映待检测直流电流大小的电压信号。

进一步的，在所述加法器中设置有与所述电流取样电阻相同数目的配置电阻，连接在电流取样电阻与集成运放的同相输入端之间，对电流取样电阻上的采样电压进行叠加。

又进一步的，所述电流取样电阻和配置电阻均包括两个或者三个，且各个电流取样电阻的阻值相等，各个配置电阻的阻值相等。

优选的，所述集成运放的同相输入端通过滤波电容接地。

再进一步的，在所述反馈网络中包含有两个分压电阻和一个电容，所述集成运放的反相输入端一方面通过第一分压电阻接地，另一方面通过第二分压电阻和所述电容组成的并联支路连接所述集成运放的输出端。

其中，所述电容优选采用电容值小于10nF的小电容进行反馈网络的设计，在稳定集成运放输出的同时，尽量减小对输入信号的延迟作用。

基于上述直流电流检测电路结构，本实用新型又提供了一种采用所述直流电流检测电路设计的变频空调器，用于对变频空调器中的逆变器进行过电流保护，包括压缩机和与所述压缩机相连接、为压缩机提供交流电源的逆变器，在所述逆变器中包含有由多对高侧切换元件和低侧切换元件组成的桥接电路以及用于控制所述切换元件通断的驱动电路；其中，通过所述低侧切换元件输出的多路电流各自通过一个电流取样电阻进行取样后，转换为采样电压输出至加法器进行叠加，然后输出至一集成运放的同相输入端；所述集成运放的反相输入端通过反馈网络连接集成运放的输出端，通过集成运放输出的电压信号反馈至所述的逆变器，所述逆变器在所述电压信号的幅值超过设定值时，通过驱动电路控制所述切换元件停止逆变输出，以进一步起到保护后级压缩机的目的。

进一步的，所述切换元件为IGBT，且包括三对，将输入到逆变器的直流母线电压逆变成三相交流电压输出至所述的压缩机；其中，通过三路低侧IGBT的源极输出的三路电流对应传输至三个电流取样电阻进行电流取样。

再进一步的，在所述加法器中设置有与所述电流取样电阻相同数目的配置电阻，连接在电流取样电阻与集成运放的同相输入端之间，对电流取样电阻上的采样电压进行叠加，并且各个电流取样电阻的阻值相等，各个配置电阻的阻值相等。

更进一步的，在所述反馈网络中包含有两个分压电阻和一个电容，所述集成运放的反相输入端一方面通过第一分压电阻接地，另一方面通过第二分压电阻和所述电容组成的并联支路连接所述集成运放的输出端。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：采用本实用新型的直流电流检测电路检测输出的电压信号反映的是实时的输入电流值，通过检测输出的电压值，可以间接地计算出输入的电流值。通过设定不同的输出电压保护值，当检测电路输出的电压值超过保护值时进行保护处理，可以达到对输入电流保护的目的。将所述直流电流检测电路应用于变频空调器中，用于对输入到逆变器的直流母线电流进行检测，当检测到直流母线电流过高时，输出信号控制逆变器停止逆变输出，从而起到对逆变器以及后级压缩机的过流保护作用。

附图说明

图1是本实用新型所提出的直流电流检测电路的一种实施例的原理图；

图2是将图1所示直流电流检测电路应用于变频空调器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地描述。

实施例一，本实施例的直流电流检测电路包括集成运放IC1、电流取样电阻R和反馈网络等主要组成部分，如图1所示。其中，电流取样电阻R接收待检测的直流电流，取样后转换为直流采样电压输出至集成运放IC1的同相输入端+；集成运放IC1的反相输入端一通过反馈网络连接集成运放IC1的输出端，通过集成运放IC1的输出端输出可以反映出待检测的直流电流大小的电压信号Vo，以提供给后续电路使用。

在本实施例中，所述电流取样电阻R根据需要输入的待检测直流电流的路数进行适应性配置，即通过一个电流取样电阻R对一路直流电流进行取样。若输入三路直流电流I1、I2、I3，则需要同时设置三个电流取样电阻R分别进行电流取样，如图1所示。将各个电流取样电阻R转换生成的采样电压(比如图1中的V1、V2、V3)通过加法器进行叠加后，输出至所述集成运放IC1的同相输入端+。

作为所述加法器的其中一种优选电路设计方式，可以采用由多路配置电阻R3连接在电流取样电阻R与集成运放IC1的同相输入端+之间的方式连接实现，如图1所示。其中，加法器中设置的配置电阻R3的数目应与电流取样电阻R的数目一致，即配置电阻R3应与电流取样电阻R成对出现，且一路配置电阻R3连接在一路电流取样电阻R与集成运放IC1的同相输入端+之间。

作为本实施例的一种优选设计方案，各个电流取样电阻R的阻值应该相等，各个配置电阻R3的阻值也应该相等。本实施例的直流电流检测电路是对流过电流取样电阻R的总电流I进行检测。使用三对电流取样电阻R和配置电阻R3代表着对三个直流电流之和进行检测，即I＝I1+I2+I3；使用两对R、R3代表着对两个直流电流之和进行检测，即I＝I1+I2；使用一对R、R3代表着对一个直流电流进行检测，即I＝I1。图1示出了三个电流取样电阻R和配置电阻R3成对出现的电路组建结构，当然，本实施例也适用于一对或两对R和R3成对出现的情况。采用图1所示的电路结构最多可以检测三路输入电流，最少检测一路输入电流。

在本实施例中，分压电阻R1、R2和电容C1构成集成运放IC1的反馈网络，如图1所示。其中，集成运放IC1的反相输入端-一方面通过第一分压电阻R1接地，另一方面通过第二分压电阻R2连接集成运放IC1的输出端，所述电容C1并联在第二分压电阻R2的两端，对通过集成运放IC1输出的电压信号起稳定作用。

下面对图1中电路实现的直流电流检测方法进行理论推导：

①V₊＝V_-(利用集成运放IC1的虚短特性可知)；

②V₁＝I₁R；V₂＝I₂R；V₃＝I₃R；

③ $\frac{V_1-V_{+}}{R_3}+\frac{V_2-V_{+}}{R_3}+\frac{V_3-V_{+}}{R_3}=0$ (利用集成运放IC1的虚断特性可知)；

④ $Z_2=\frac{R_2\×\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1}}{R_2+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1}};$ 其中，R₂表示第二分压电阻R2的阻抗；

表示电容C1的阻抗；Z₂表示第二分压电阻R2与电容C1的并联阻抗；

⑤ $\frac{V_O-V_{-}}{Z_2}=\frac{V_{-}}{R_1}$ (利用集成运放IC1的虚断特性可知)；

由③整理得：

⑥ $V_{+}=\frac{1}{3}(V_1+V_2+V_3);$

将①和②代入⑥得：

⑦ $V_{-}=\frac{R}{3}(I_1+I_2+I_3);$

由④整理得：

⑧ $Z_2=\frac{R_2}{1+j{\mathrm{WC}}_1{R}_2};$

由⑤整理得：

⑨ $V_O=(1+\frac{Z_2}{R_1})V_{-};$

将⑦和⑧代入⑨整理得：

⑩ $V_O=\frac{R}{3}(1+\frac{R_2}{R_1}\left(\frac{1}{1+j{\mathrm{WC}}_1{R}_2}\right))(I_1+I_2+I_3)$

$=\frac{R}{3}(1+\frac{R_2}{R_1}\left(\frac{1}{1+j{\mathrm{WC}}_1{R}_2}\right))I$

$=\mathrm{KI}$ 设反馈系统 $K=\frac{R}{3}(1+\frac{R_2}{R_1}\left(\frac{1}{1+{\mathrm{jWC}}_1{R}_2}\right)).$

其中，公式⑩是集成运放IC1输出电压Vo的表达式，表示运放输出电压Vo和输入总电流I的关系。由此可见：通过检测集成运放IC1输出的电压值Vo即可计算出输入的总电流I，且该输出电压值Vo反映的是实时的输入电流值I。由此一来，通过设定不同的电压保护值，当输出电压Vo达到保护值时进行保护处理，即可达到限制输入电流I大小，实现过流保护的设计目的。

为了进一步稳定输出，在本实施例的直流电流检测电路中还可以进一步设计滤波电路，如图1所示。例如可以在集成运放IC1的同相输入端+连接接地的滤波电容C1，与加法器中的配置电阻R3构成RC低通滤波器，对输入的采样电压V+起到滤波作用。当然，本实施例不局限于必须使用滤波电容C3，在不需要进行滤波处理时可以去掉电容C3。其次，可以在集成运放IC1的输出端进一步串联电阻R4，并通过所述电阻R4连接另一端接地的滤波电容C2，通过电阻R4和电容C2构成RC低通滤波器，以对通过集成运放IC1输出的电压信号Vo起到滤波作用。同样的，本实施例不局限于必须使用电阻R4和电容C2或者二者的组合，不需要滤波处理时可以去掉。当然，也可以采用其它电路形式的低通滤波电路连接在集成运放IC1的输出端上，以滤除高频干扰信号。

另外，本实施例采用分压电阻R1、R2和电容C1构成集成运放IC1的反馈网络，由公式⑩的反馈系统

可以看出，这是一种比较复杂的运算电路，既有比例运算又有积分运算。由于使用电容C1，使得反馈系数K中多了积分算子

因此使用电容C1可以使得这种直流检测方法更加稳定，对于高频干扰信号有滤除的作用。但是，由第二分压电阻R2和电容C1构成的低通滤波器对输入信号有一定的延迟作用，可以使得输出的电压信号Vo相对输入电流I产生滞后。因此，在实际应用时应尽量选用电容值较小的电容C1构建集成运放IC1的反馈网络。本实施例优选采用电容值小于10nF的小电容应用在所述的反馈网络中。

当然，本实施例不局限于必须使用电容C1，当高频干扰信号不强时可以去掉。去掉电容C1后，反馈系数K发生变化，即

需要说明的是，图1中的电阻符号代表电路中此处有电阻，但一个电阻符号并不代表此处只有一个电阻，也可以代表多个电阻的串并联组合。图1中的电容符号代表电路中此处有电容，但一个电容符号并不代表此处只有一个电容，也可以代表多个电容的串并联组合。

下面对本实施例所提出的电流检测电路在变频空调器中的应用进行阐述。

参见图2所示，在变频空调系统中由于需要对室外压缩机M的工作频率进行调节，因此需要设计逆变器将系统中的直流母线电压逆变成具有一定频率的交流电压，输出至压缩机M的供电端，以驱动压缩机M运行。由于直流母线电流的大小可以更加准确和直接地反映出压缩机M的真实运行状况，因此，本实施例采用直流电流检测电路对空调系统中的直流母线电流进行检测，以起到过电流保护的作用。

具体来讲，目前的逆变器一般都是采用由多对高侧切换元件(比如T1、T3、T5)和低侧切换元件(比如T2、T4、T6)组成的桥接电路以及用于控制所述切换元件通断的驱动电路组建而成，如图2所示的智能功率模块IPM。其中，切换元件可以选用绝缘栅双极性晶体管IGBT等具有开关作用且支持大电流输出的元器件实现。若要求输出单相交流电压，则可以采用四路IGBT组建桥接电路；若要求输出三相交流电压，则可以采用六路IGBT组建桥接电路。对于目前的空调系统来说，由于其压缩机M一般要求输入三相交流供电，因此应采用六路IGBT来组建逆变器IPM中的桥接电路，如图2中的T1～T6。其中，T1、T3、T5是高侧IGBT，其漏极连接直流母线电压(由逆变器IPM的P端引入)，源极连接低侧IGBT(T2、T4、T6)的漏极，并与逆变器IPM的三相交流电压输出端U、V、W对应连接。通过低侧IGBT(T2、T4、T6)的源极输出的电流在某一时刻的累加值，即为该时刻直流母线电流的值。驱动电路输出不同占空比的PWM信号至IGBT(T1～T6)的栅极，控制IGBT的通断时序，以将直流母线电压逆变成不同频率的交流电压输出至后级压缩机M。

为了实现对空调母线电流的过电流保护，采用图1所示的电流检测电路对通过逆变器IPM的低侧切换元件输出的电流进行取样检测，就图2所示的三相逆变电路来说，可以具体采用三个电流取样电阻R分别对通过三路低侧I GBT(T2、T4、T6)的源极输出的电流进行取样，转换为采样电压后，输出至加法器进行叠加。所述加法器同样可以采用配置电阻R3连接在取样电阻R与集成运放IC1的同相输入端+的方式组建实现，其中，配置电阻R3的数目应与取样电阻R的数目相等。通过加法器累加输出的电压值V+即反映了直流母线电流的采样电压值。同样的，在集成运放IC1的输出端与反相输入端一之间也可以连接由分压电阻R1、R2和电容C1组成的反馈网络。将通过集成运放IC1输出的电压信号Vo反馈至逆变器IPM，比如逆变器IPM的保护动作电压设定端CIN/CSC，如图2所示，当电压信号Vo的幅值超过设定值时，即IPM中设定的保护电压值时，认为直流母线电流过大，IPM中的过电流保护器输出信号至驱动电路，通知驱动电路停止输出PWM信号，以控制各路IGBT断开，停止逆变输出过程，以对逆变器IPM起到过电流保护的作用。另一方面，由于此时逆变器IPM的交流输出端U、V、W没有电压输出，因此可以进一步起到保护后级压缩机M的目的。

当然，对于仅要求输出单相交流电压的逆变器来说，可以在直流电流检测电路中仅设置两个电流取样电阻R和两个配置电阻R3，完成对母线电流的采样累加过程，本实施例在此不再进行详细阐述。

同样的，在所述电流检测电路中也可以进一步在集成运放IC1的同相输入端+连接滤波电容C3，在集成运放IC1的输出端连接由电阻R4和电容C2组成的低通滤波器，以滤除线路中的高频干扰信号，稳定电路输出。

当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流电流检测电路，其特征在于：包括集成运放、连接在集成运放的输出端与反相输入端之间的反馈网络、以及用于对待检测的直流电流进行取样的电流取样电阻；所述电流取样电阻的个数与待检测的直流电流的路数相等，将待检测的直流电流转换为采样电压通过加法器进行叠加后，输出至所述集成运放的同相输入端，所述集成运放通过其输出端输出用于反映待检测直流电流大小的电压信号。

2.根据权利要求1所述的直流电流检测电路，其特征在于：在所述加法器中设置有与所述电流取样电阻相同数目的配置电阻，连接在电流取样电阻与集成运放的同相输入端之间，对电流取样电阻上的采样电压进行叠加。

3.根据权利要求2所述的直流电流检测电路，其特征在于：所述电流取样电阻和配置电阻均包括两个或者三个，且各个电流取样电阻的阻值相等，各个配置电阻的阻值相等。

4.根据权利要求3所述的直流电流检测电路，其特征在于：所述集成运放的同相输入端通过滤波电容接地。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的直流电流检测电路，其特征在于：在所述反馈网络中包含有两个分压电阻和一个电容，所述集成运放的反相输入端一方面通过第一分压电阻接地，另一方面通过第二分压电阻和所述电容组成的并联支路连接所述集成运放的输出端。

6.根据权利要求5所述的直流电流检测电路，其特征在于：所述电容的电容值小于10nF。

7.一种变频空调器，包括压缩机和与所述压缩机相连接、为压缩机提供交流电源的逆变器，在所述逆变器中包含有由多对高侧切换元件和低侧切换元件组成的桥接电路以及用于控制所述切换元件通断的驱动电路；其特征在于：通过所述低侧切换元件输出的多路电流各自通过一个电流取样电阻进行取样后，转换为采样电压输出至加法器进行叠加，然后输出至一集成运放的同相输入端；所述集成运放的反相输入端通过反馈网络连接集成运放的输出端，通过集成运放输出的电压信号反馈至所述的逆变器，所述逆变器在所述电压信号的幅值超过设定值时，通过驱动电路控制所述切换元件停止逆变输出。

8.根据权利要求7所述的变频空调器，其特征在于：所述切换元件为IGBT，且包括三对，将输入到逆变器的直流母线电压逆变成三相交流电压输出至所述的压缩机；其中，通过三路低侧IGBT的源极输出的三路电流对应传输至三个电流取样电阻进行电流取样。

9.根据权利要求7所述的变频空调器，其特征在于：在所述加法器中设置有与所述电流取样电阻相同数目的配置电阻，连接在电流取样电阻与集成运放的同相输入端之间，对电流取样电阻上的采样电压进行叠加，并且各个电流取样电阻的阻值相等，各个配置电阻的阻值相等。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的变频空调器，其特征在于：在所述反馈网络中包含有两个分压电阻和一个电容，所述集成运放的反相输入端一方面通过第一分压电阻接地，另一方面通过第二分压电阻和所述电容组成的并联支路连接所述集成运放的输出端。

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