CN103545792A - 基于acs710的变频器过流保护电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ACS710的变频器过流保护电路及方法，该电路包括变频器、故障上拉电阻、使能上拉电阻、用于将芯片过流故障脚的下拉电压与参考电压值进行比较的第一比较器、用于对过流进行电平翻转保护的第二比较器、第十一电阻、第四电容、三极管、稳压管和硬件封锁子电路。本发明ACS710霍尔的过流故障脚的过流信号设计一种硬件过流保护电路，使得变频器的输出增加一级短路优先保护电路，此电路保护信号不经过CPU处理直接送至硬件封锁子电路将驱动PWM信号屏蔽，该电路的延时只有ACS710的故障检测延时和第二比较器的翻转延时，整个电路的延时响应时间在5us以内，彻底排除了传统电路的短路保护不及时的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种基于ACS710的变频器过流保护电路及方法。
背景技术
现阶段，变频器行业内小功率机器短路过流保护常使用以下两种方案；方案1：电流检测电路做电流检测与短路保护；电流信号经检测器件（霍尔、电流检测电阻等）之后加放大电路与滤波电路再送与CPU处理。电流检测器件、放大电路、滤波电路和CPU处理皆不可避免存在延时，特别是小功率机器放大倍数较大和滤波效果要求较高时，此方案电路的响应时间在10us以上。逆变器输出短路时，瞬间电流是IGBT标称额定电流的数倍乃至数十倍，IBGT耐十倍额定电流的能力在10us以内,这导致变频器在短路时IGBT极易失效。方案2：母线上增加电流检测电路；此方案效果明显，但是需要增加线性光耦做隔离，与小功率机器体积小、成本低的发展趋势有违。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种结构简单、设计合理、可靠性高、成本低及工作效率高的基于ACS710的变频器过流保护电路及方法。
为实现上述目的，本发明提供一种基于ACS710的变频器过流保护电路，包括连接变频器的过流检测芯片、故障上拉电阻、使能上拉电阻、用于将芯片过流故障脚的下拉电压与参考电压值进行比较的第一比较器、用于对过流进行电平翻转保护的第二比较器、第十一电阻、第四电容、三极管、稳压管和硬件封锁子电路；所述故障上拉电阻与芯片过流故障脚连接且将其上拉，所述使能上拉电阻与芯片过流使能脚连接且将其上拉，且所述芯片过流故障脚与第一比较器的同相输入端连接，所述第一比较器的反相输入端连接参考电压源且其输出端与第二比较器的同相输入端连接，所述第二比较器的输出端连接SC信号；所述芯片过流使能脚连接三极管的发射极，所述第十一电阻与第四电容并联，且第四电容并接在SC信号与地之间，所述三极管的集电极接地，且所述第十一电阻和第四电容的公共端通过稳压管与三极管的基极连接，所述SC信号与硬件封锁子电路连接。
其中，所述电路还包括为芯片过流使能脚滤波的第一电容、为芯片过流故障脚设置延时时间的第二电容和为变频器设置过流点电阻的第二电阻及第四电阻；所述第一电容的一端分别与第一电阻和芯片过流使能脚连接，所述第一电容的另一端接地，所述第二电容的一端分别与第三电阻和芯片过流故障脚连接，所述第二电容的另一端接地，所述第二电阻和第四电阻串联且其公共端与过流检测芯片连接。
其中，所述电路还包括连接在第一比较器反相输入端与参考电压源之间的第七电阻，所述第七电阻还通过第十五电阻接地，且所述第一比较器的输出端通过第五电阻与第二比较器的同相输入端连接。
其中，所述电路还包括用于保护第二比较器的***子电路，所述***子电路包括第六电阻、第八电阻和将SC信号嵌位在0-5V之间的第一二极管及第二二极管，所述第二比较器的反相输入端通过第六电阻与第八电阻连接，且所述第六电阻和第八电阻的公共端连接第二比较器的输出端，所述第一二极管和第二二极管串联，且第一二极管和第二二极管的公共端与第二比较器的输出端连接，所述第二二极管的正极接地。
其中，所述电路还包括与第四电容并联的第十电阻，所述第十电阻的一端连接稳压管，所述第十电阻的另一端接地。
为实现上述目的，本发明还提供一种基于ACS710的变频器过流保护方法，包括以下步骤：
步骤A、利用过流检测芯片ACS710检测变频器的输出电流，输出过流时，芯片过流故障脚输出电压；
步骤B、过流检测芯片ACS710内部电流源开始下拉芯片过流故障脚的电压，下拉至保护电压设定值，比较器翻转，SC信号转为低电平；
步骤C、SC信号触发硬件封锁子电路将PWM驱动屏蔽；
步骤E、变频器输出短路解除，芯片过流故障脚开始充电复位；
步骤F、变频器进行正常工作。
其中，在所述步骤E之前还包括一步骤D，所述步骤D为：变频器输出短路未解除，芯片过流使能脚进行下拉至变频器输出短路解除。
其中，所述步骤B中过流检测芯片ACS710内部电流源的下拉能力为3mA, 保护电压设定值为2V。
与现有技术相比，本发明提供的基于ACS710的变频器过流保护电路及方法, 具有以下有益效果：
1）过流检测芯片ACS710内部电流源开始下拉芯片过流故障脚的电压，下拉至保护电压设定值时，比较器翻转，SC信号转为低电平，SC信号低电平触发硬件封锁子电路将PWM驱动屏蔽，实现短路优先保护，且芯片过流使能脚也被下拉至低电平直至变频器输出短路解除；同时，输出短路解除后变频器还可进行正常复位；
2）该发明巧妙的运用了ACS710霍尔的过流故障脚的过流信号设计一种硬件过流保护电路，使得变频器的输出增加一级短路优先保护电路，此电路保护信号不经过CPU处理直接送至硬件封锁子电路将驱动PWM信号屏蔽，该电路的延时只有ACS710的故障输出延时和第二比较器的翻转延时，比较器响应时间基本都在数十至数百纳秒之间，ACS710的故障输出延时在2-4us内，因此整个电路的延时响应时间在5us以内，彻底排除了传统电路的短路保护不及时的缺点，大大提高了IGBT的可靠性；
3）电路检测到过流故障信号之后实现1ms延时时间，然后给ACS710发送使能信号，大大提高了变频器工作的稳定性，且具有结构简单、设计合理、成本低、工作稳定、可靠性高及速度快等特点。
附图说明
图1为本发明的基于ACS710的变频器过流保护电路的工作原理图；
图2为本发明的基于ACS710的变频器过流保护方法的工作流程图；
图3为传统技术应用于AC70E系列小功率机器的测试波形图；
图4为本发明应用于AC70E系列小功率机器的测试波形图。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
请参阅图1，本发明的基于ACS710的变频器过流保护电路，包括连接变频器的过流检测芯片U2、故障上拉电阻R3、使能上拉电阻R1、用于将芯片过流故障脚的下拉电压与参考电压值进行比较的第一比较器U1-A、用于对过流进行电平翻转保护的第二比较器U1-B、第十一电阻R11、第四电容C4、三极管Q4、稳压管Z3和硬件封锁子电路(图未示)；故障上拉电阻R3与芯片过流故障脚FAULT连接且将其上拉，使能上拉电阻R1与芯片过流使能脚FAULT--EN连接且将其上拉，且芯片过流故障脚FAULT与第一比较器U1-A的同相输入端连接，第一比较器U1-A的反相输入端连接参考电压源VREF且其输出端与第二比较器U1-B的同相输入端连接，第二比较器U1-B的输出端连接SC信号；芯片过流使能脚FAULT--EN连接三极管Q4的发射极，第十一电阻R11与第四电容C4并联，且第四电容C4并接在SC信号与地GND之间，三极管Q4的集电极接地GND，且第十一电阻R11和第四电容C4的公共端通过稳压管Z3与三极管Q4的基极连接， SC信号与硬件封锁子电路连接。
请进一步参阅图2，本发明还提供一种基于ACS710的变频器过流保护方法，包括以下步骤：
S1、利用过流检测芯片ACS710 检测变频器的输出电流，输出过流时，芯片过流故障脚输出电压。
S2、过流检测芯片ACS710 内部电流源开始下拉芯片过流故障脚的电压，下拉至保护电压设定值，该保护电压设定值为2V，比较器翻转，SC信号转为低电平。
S3、SC信号触发硬件封锁子电路将PWM驱动屏蔽，从而实现短路优先保护。
S4、检测变频器输出短路是否解除，如果变频器输出短路解除，则开始执行步骤S5，如果未解除，则执行步骤S6：芯片过流使能脚进行下拉至变频器输出短路解除后，开始执行步骤S7。
S6、变频器输出短路解除，芯片过流故障脚开始充电复位；
S7、变频器进行正常工作。
依据本发明提供的基于ACS710的变频器过流保护方法，对本发明的电路工作流程方法进行详细描述：
第一步，利用过流检测芯片ACS710 U2检测变频器的输出电流，输出过流时，芯片过流故障脚FAULT输出电压。
第二步，过流检测芯片ACS710 U2内部电流源开始下拉芯片过流故障脚FAULT的电压，并将下拉的电压与第一比较器U1-A中参考电压源VREF的参考电压进行比较，当下拉至保护电压设定值时，即与参考电压相同时，第二比较器U1-B输出电平由高电平翻转为低电平，SC信号转为低电平，下拉电流的能力为3mA，保护电压设定值为2V。
第三步，SC信号低电平触发硬件封锁子电路将PWM驱动屏蔽，从而实现短路优先保护。
第四步、上述第三步中的SC信号跳变为低电平后，三极管Q4导通,芯片过流使能脚FAULT--EN下拉至低电平；在该步骤的具体工作为SC信号跳变为低电平之后第四电容C4经过第十一电阻R11放电，放电至Vc=5-VZ3-Vf后三极管Q4导通，使芯片过流使能脚FAULT--EN下拉至低电平，在这里VZ3为稳压管Z3的击穿电压，Vf为三极管Q4的PN结压降。
第五步、变频器输出短路是否解除，如果变频器输出短路解除，则开始执行步骤第八步，如果未解除，则执行第六步：芯片过流故障脚FAULT为低电平，SC信号为低电平，由三极管对芯片过流使能脚FAULT--EN进行下拉至变频器输出短路解除后，开始执行步骤第七步。
第七步、芯片过流故障脚FAULT开始充电复位，为3mA的电流源对其进行充电。
第八步、芯片过流故障脚FAULT电压高于保护电压设定值后，第二比较器U1-B的输出低电平翻转为高电平，SC信号为5V，硬件封锁子电路触发电平无效，变频器进行正常工作。
第九步、SC信号通过第十一电阻R11向第四电容C4充电，第四电容C4充电至Vc=5-VZ3-Vf后，三极管Q4截至，芯片过流使能脚FAULT--EN上拉至5V。
在本实施例中，电路还包括为芯片过流使能脚FAULT--EN滤波的第一电容C1、为芯片过流故障脚FAULT设置延时时间的第二电容C2和为变频器设置过流点电阻的第二电阻R2及第四电阻R4；第一电容C1的一端分别与第一电阻R1和芯片过流使能脚FAULT--EN连接，第一电容C1的另一端接地GND，第二电容C2的一端分别与第三电阻R3和芯片过流故障脚FAULT连接，第二电容C2的另一端接地GND，第二电阻R2和第四电阻R4串联且其公共端与过流检测芯片U2连接。第二电容C2的延时计算公式：Tr=C2*(VCC-2)/3mA，第二电阻R2和第四电阻R4的过流点设置电阻为VOC:0.25VCC-0.4VCC。
在本实施例中，电路还包括连接在第一比较器U1-A反相输入端与参考电压源VREF之间的第七电阻R7，第七电阻R7还通过第十五电阻R15接地GND，且第一比较器U1-A的输出端通过第五电阻R5与第二比较器U1-B的同相输入端连接。电路还包括用于保护第二比较器U1-B的***子电路，***子电路包括第六电阻R6、第八电阻R8和将SC信号嵌位在0-5V之间的第一二极管D1及第二二极管D2，第二比较器U1-B的反相输入端通过第六电阻R6与第八电阻R8连接，且第六电阻R6和第八电阻R8的公共端连接第二比较器U1-B的输出端，第一二极管D1和第二二极管D2串联，且第一二极管D1和第二二极管D2的公共端与第二比较器U1-B的输出端连接，第二二极管D2的正极接地GND。电路还包括与第四电容C4并联的第十电阻R10，第十电阻R10的一端连接稳压管Z3，第十电阻R10的另一端接地GND。第八电阻R8和第一二极管D1的负极均连接5V电压，该第十电阻R10和稳压管Z3可有效的保持三极管Q4的电压，可防止出现击穿现象。
请进一步参阅图3-4，图3为传统方案的测试结果，A通道为SC硬件封锁信号，B通道为短路电流信号，从图中可知短路延时12.1us。图4为本方案电路之后的测试结果，C通道为SC硬件封锁信号,D通道为短路电流信号，从图中可知短路延时3.22us。从测试结果可以看出，本方案的短路响应时间相当短，只有3.22us，在逆变器输出相间短路或相对大地短路时能有效的保护IGBT，大大提高了变频器的可靠性。
本发明提供的基于ACS710的变频器过流保护电路及方法, 具有以下优势：
1）利用过流检测芯片ACS710 U2 检测变频器的输出电流，输出过流时，芯片过流故障脚FAULT输出电压，SC信号低电平触发硬件封锁子电路将PWM驱动屏蔽，实现短路优先保护，且芯片过流使能脚FAULT--EN也被下拉至低电平直至变频器输出短路解除；同时，输出短路解除后变频器还可进行正常复位。
2）该发明巧妙的运用了ACS710霍尔的过流故障脚的过流信号设计一种硬件过流保护电路，使得变频器的输出增加一级短路优先保护电路，此电路保护信号不经过CPU处理直接送至硬件封锁子电路将驱动PWM信号屏蔽，该电路的延时只有ACS710的故障输出延时和第二比较器的翻转延时，比较器响应时间基本都在数十至数百纳秒之间，ACS710故障输出延时在2-4us内，因此整个电路的延时响应时间在5us以内，彻底排除了传统电路的短路保护不及时的缺点，大大提高了IGBT的可靠性；
3）电路检测到过流故障信号之后实现1ms延时时间，然后给ACS710发送使能信号，大大提高了变频器工作的稳定性，且具有结构简单、设计合理、成本低、工作稳定、可靠性高及速度快等特点。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于ACS710的变频器过流保护电路，其特征在于，包括连接变频器的过流检测芯片、故障上拉电阻、使能上拉电阻、用于将芯片过流故障脚的下拉电压与参考电压值进行比较的第一比较器、用于对过流进行电平翻转保护的第二比较器、第十一电阻、第四电容、三极管、稳压管和硬件封锁子电路；所述故障上拉电阻与芯片过流故障脚连接且将其上拉，所述使能上拉电阻与芯片过流使能脚连接且将其上拉，且所述芯片过流故障脚与第一比较器的同相输入端连接，所述第一比较器的反相输入端连接参考电压源且其输出端与第二比较器的同相输入端连接，所述第二比较器的输出端连接SC信号；所述芯片过流使能脚连接三极管的发射极，所述第十一电阻与第四电容并联，且第四电容并接在SC信号与地之间，所述三极管的集电极接地，且所述第十一电阻和第四电容的公共端通过稳压管与三极管的基极连接，所述SC信号与硬件封锁子电路连接。
2.根据权利要求1所述的基于ACS710的变频器过流保护电路，其特征在于，所述电路还包括为芯片过流使能脚滤波的第一电容、为芯片过流故障脚设置延时时间的第二电容和为变频器设置过流点电阻的第二电阻及第四电阻；所述第一电容的一端分别与第一电阻和芯片过流使能脚连接，所述第一电容的另一端接地，所述第二电容的一端分别与第三电阻和芯片过流故障脚连接，所述第二电容的另一端接地，所述第二电阻和第四电阻串联且其公共端与过流检测芯片连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于ACS710的变频器过流保护电路，其特征在于，所述电路还包括连接在第一比较器反相输入端与参考电压源之间的第七电阻，所述第七电阻还通过第十五电阻接地，且所述第一比较器的输出端通过第五电阻与第二比较器的同相输入端连接。
4.根据权利要求3所述的基于ACS710的变频器过流保护电路，其特征在于，所述电路还包括用于保护第二比较器的***子电路，所述***子电路包括第六电阻、第八电阻和将SC信号嵌位在0-5V之间的第一二极管及第二二极管，所述第二比较器的反相输入端通过第六电阻与第八电阻连接，且所述第六电阻和第八电阻的公共端连接第二比较器的输出端，所述第一二极管和第二二极管串联，且第一二极管和第二二极管的公共端与第二比较器的输出端连接，所述第二二极管的正极接地。
5.根据权利要求4所述的基于ACS710的变频器过流保护电路，其特征在于，所述电路还包括与第四电容并联的第十电阻，所述第十电阻的一端连接稳压管，所述第十电阻的另一端接地。
6.一种基于ACS710的变频器过流保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、利用过流检测芯片ACS710检测变频器的输出电流，输出过流时，芯片过流故障脚输出电压；
步骤B、过流检测芯片ACS710内部电流源开始下拉芯片过流故障脚的电压，下拉至保护电压设定值，比较器翻转，SC信号转为低电平；
步骤C、SC信号触发硬件封锁子电路将PWM驱动屏蔽；
步骤E、变频器输出短路解除，芯片过流故障脚开始充电复位；
步骤F、变频器进行正常工作。
7.根据权利要求6所述的基于ACS710的变频器过流保护方法，其特征在于，在所述步骤E之前还包括一步骤D，所述步骤D为：变频器输出短路未解除，芯片过流使能脚进行下拉至变频器输出短路解除。
8.根据权利要求6所述的基于ACS710的变频器过流保护方法，其特征在于，所述步骤B中过流检测芯片ACS710内部电流源的下拉能力为3mA, 保护电压设定值为2V。
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