CN104779584A - 一种变频器检测保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频器检测保护电路，包括管压降采样单元、比较器单元、负压钳位单元、3120光耦驱动单元、参考电位单元、过流保护输出电路单元和IGBT主电路单元。管压降采样单元的输入连接到IGBT主电路单元；比较器单元的输入连接到管压降采样单元的输出；负压钳位单元的输入连接到3120驱动光耦单元的输出，该单元的输出连接到比较器单元；参考电位单元的输入连接到+15V电压源，该单元输出连接到比较器单元；过流保护输出电路单元的输入连接到比较器单元的输出。本发明通过采样IGBT管压降检测其中流过的电流，保护快速，成本低，是一种可以在工程应用上广泛推广的高效电流检测方法。

Description

一种变频器检测保护电路

技术领域

本发明涉及变频器IGBT逆变桥驱动保护领域，尤其是用于变频器IGBT器件短路保护和电流过大的一种变频器检测保护电路。

背景技术

 目前，变频器在工业控制中的应用越来越广泛，变频调速***已成为电力电子传动领域的主流调速方式；

变频器是整个交流变频调速***中的核心控制装置，其稳定性和可靠性对整个***的影响至关重要。在发生故障时，首要要做的是尽量将故障带来的损伤降到最小，避免变频器的关键元器件发生损坏。变频器自身具有各种各样的保护电路，如，过压、欠压、超温、过载、过电流、短路电流等保护功能，以保证变频器在遇到上述的异常状况时，合理地降低损失，可靠地关断IGBT器件的输出；

IGBT是全控型功率半导体器件，为电压型驱动方式，具有驱动功率小，饱和管压降低的优点，是大多数变频器三相逆变桥的首选功率器件。大多数情况下，IGBT损坏的原因主要有三种：一是IGBT退出饱和区进入放大区，使得器件开关损耗和导通损耗变大；二是IGBT发生上下桥臂直接导通，瞬间将产生极高的短路电流，使IGBT损坏；三是变频器的输出侧发生短路或电动机堵转，变频器中会流过很大的电流，从而造成电力电子功率器IGBT件损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种响应迅速，关断可靠，性价比较高的变频器的检测保护电路，实现对IGBT功率器件欠饱和区管压降的实时监测，在IGBT发生短路和过电流时可靠关断，能够有效及时地检测IGBT中流过的短路和过大电流，稳定可靠地关断电力电子器件的保护控制电路。

本发明解决其技术问题的技术方案是，一种变频器检测保护电路，包括管压降采样单元、比较器单元、负压钳位单元、3120光耦驱动单元、参考电位单元、过流保护输出电路单元和IGBT主电路单元。其中：

所述管压降采样单元的输入端连接到IGBT主电路单元，用于检测反映IGBT中流过电流的管压降；

所述比较器单元的输入端连接到管压降采样单元的输出端，用于采样到的反映IGBT管压降的电压值达到某个设定的阈值时，输出低电平电压值；

所述过流保护输出电路单元的输入端连接到比较器单元的输出端，用于在比较器单元输出低电平时，输出单元的光耦二极管导通，输出低电平保护信号；

所述负压钳位单元的输入端连接到3120驱动光耦单元，比较器单元的输入端连接到负压钳位单元的输出端，用于在IGBT关断期间，将比较器单元的反向输入端钳位在一个负电压值，避免误保护的发生；

所述参考电位单元的输入端连接到+15V电源，输出端连接到比较器单元，用于给比较器单元的同相输入端提供固定的参考电位。

所述IGBT主电路单元的输入端连接到直流母线，输出端连接到管压降采样单元，该IGBT主电路单元的上3管的集电极连接到所述管压降采样单元，该单元用于根据IGBT流过的电流值与管压降电压值成一定曲线关系的现象，检测IGBT中发生的短路和过大电流。

本发明与现有技术对比的有益效果是，本发明所述的电路过大检测保护电路直接检测功率器件管压降，响应速度更快，大多数情况下，IGBT器件的短路电流耐受时间较短，对保护电路的反映时间要求极高，短路信号更快的动作速度保证了对IGBT器件的最大限度的可靠保护，通过采样功率器件IGBT的集电极与发射极两端的管压降，实现对变频器逆变桥三个上桥臂功率IGBT管的电流采样检测，在发生上下桥臂直通短路或电流过大的情况下，可靠地关断6路PWM驱动信号，从而可靠地关断6个功率IGBT管。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1为一种变频器检测保护电路的逻辑功能框图，其中，IGBT主电路单元中的IGBT是绝缘栅双极型晶体管，3120光耦驱动单元中的驱动光耦3120是IGBT门极驱动光耦。

图2为一种变频器检测保护电路的电路图，其中，电阻R2与二极管D2串联后，接直流母线正端；电阻R5与二极管D1串联后，接驱动光耦3120的6脚。

图3为一种变频器检测保护电路的3120光耦驱动单元中，驱动光耦3120的功能框图。其中，N/C是空脚，无连接；ANODE是初级二极管阳极；CATHODE是初级二极管阴极；VO是次级推挽输出；                                                是次级电源脚；是次级参考地。

具体实施方式

如图1所示，一种变频器检测保护电路，包括管压降采样单元11、比较器单元12、负压钳位单元13、3120光耦驱动单元14、参考电位单元15、过流保护输出电路单元16和IGBT主电路单元17。其中，管压降采样单元11的输入端连接到IGBT主电路单元17的IGBT功率器件的集电极，用于检测变频器运行过程中IGBT功率器件集电极C和发射极E两端的管压降；比较器单元12的输入端连接到管压降采样单元11的输出端，用于在比较器单元12的反相输入端电位高于同相输入端的参考电位时，输出低电平，使得输出光耦导通；负压钳位单元13的输入端连接到3120光耦驱动单元14的驱动光耦3120的6脚（驱动光耦3120的功能框图如图3所示），输出端连接到比较器单元12的反相输入端，用于在IGBT关断期间，将比较器单元12的反相输入端钳位在一个固定的负电位；参考电位单元15的输入端连接到+15V电源，输出端连接到比较器单元12的同相输入端，用于给比较器单元12的同相输入端提供固定的参考电位；3120光耦驱动单元14的输入端连接到变频器6路PWM驱动信号，输出端连接到IGBT主电路单元17的6个IGBT功率器件，在本实施例中，3120光耦驱动单元14电路用于实现6路PWM驱动信号的互锁、放大和隔离，驱动光耦3120的6脚输出+15VS时，对应的IGBT开通，驱动光耦3120的6脚输出-9.1V时，IGBT则可靠关断；IGBT主电路单元17的输入端连接到直流高压母线主电路，输出端连接到三相交流感应电机，该IGBT主电路单元17的上3管的集电极连接到所述管压降采样单11的输入端，在本实施例中，当IGBT管中流过的增大时，IGBT的管压降会按照一定的曲线上升；过流保护输出电路单元16的输入端连接到比较器单元12的输出端，用于实现比较器单元12输出低电平时，过流保护输出电路单元16的光耦的二极管导通，比较器单元12输出高电平时，过流保护输出电路单元16的光耦的二极管关断，以此使得过流保护输出电路单元16输出高低电平信号。上述电路在IGBT功率器件中发生电流短路或电流过大情形时，会输出低电平信号，低电平信号接在后级的封锁电路中，快速地封锁6路PWM驱动信号，可靠地保护IGBT管不受损坏。

如图2所示，管压降采样单元11包括第二二极管D2、第二电阻R2、第一电阻R1、第一稳压管Z1、第一电容C1、第二电容C2。电阻R1接在+15V电源和电容C2之间；稳压管Z1与电容C2并联，连接到参考地VHE；二极管D2的负极连接到直流母线正端（即IGBT管集电极），电阻R2的一端连接到二极管D2的正极，另一端连接到稳压管Z1的负极。IGBT导通期间，+15V通过电阻R2给电容C2充电，同时+15V通过电阻R1、电阻R2、二极管D2、IGBT集电极，发射极回路放电。IGBT正常导通期间，管压降按照与电流的比例关系在一个合理的曲线上，当发生短路或电流过大时，电流突变，管压降突然升高，导致稳压管Z1负极的电位升高。

比较器单元12包括第三电阻R3、第四电阻R4、第六电阻R6、第九电阻R9、第二比较器单元U2-A、第三电容C3、第四电容C4，在实施例中，电阻R3、电阻R4与电阻R6串联，电阻R4与电阻R6的连接点连接到比较器U2-A的反相输入端，电阻R9接在+15V与比较器U2-A的1脚之间，作为OC门上拉电阻。当IGBT中电流增大，稳压管Z1负极的电位上升，比较器U2-A反相输入端2脚的电位随之上升，其幅值超过比较器U2-A同相输入端3脚的对应某个电流值的电压值后，比较器U2-A翻转，1脚输出低电平。

负压钳位单元13包括第一二极管D1，第五电阻R5，在实施例中，二极管D1的负极连接到驱动光耦3120的6脚，电阻R5与D1串联，连接到比较器U2-A反相输入端2脚。在IGBT关断期间，驱动光耦3120的6脚输出负电压-9.1V，通过二极管D1、电阻R5将比较器U2-A的2脚钳位在一个特定的负电位。

参考电位单元15包括电压基准芯片U1、第七电阻R7、第一电解电容CE1，在实施例中，电阻R7的一端接在+15V，一端接在电解电容CE1的正极，电压基准芯片U1的1脚和3脚接在一起，连接到电解电容CE1正极，电解电容CE1的负极和电压基准U1的2脚接在一起，连接到参考地VHE（参考地是IGBT的发射极）。+15V通过限流电阻R7加到电压基准芯片U1上，电压基准U1产生非常准确的参考电压（如2.5V），连接到比较器U2-A的正相输入端。

过流保护输出电路单元16包括第十电阻R10、第一高速光耦PC1、第8电阻R8、第五电容C5、第六电容C6，在实施例中，高速光耦PC1的2脚连接到比较器U2-A的输出1脚，电阻R10的一端连接到+15V，另一端连接到高速光耦PC1的1脚，+5V连接到高速光耦PC1的6脚，高速光耦PC1的5脚通过电阻R8连接到信号参考地，高速光耦PC1的4脚是信号输出端，并联电容C5连接到参考地。当比较器U2-A的1脚输出高电平时，高速光耦PC1的二极管截止，高速光耦PC1的4脚位高电平，无信号输出；当比较器U2-A的1脚输出低电平，高速光耦PC1的二极管导通，高速光耦PC1的4脚输出低电平，输出短路或过电流保护信号。

图3所示，光耦合器3120的6脚是，当初级二极管导通时，输出被内部推挽电路上拉到接近的高电平，当初级二极管截止时，被内部的推挽电路下拉到参考地。

在上述电路中，IGBT主电路单元的上三桥臂IGBT的集电极连接在一起，作为管压降采样单元11的采样原点，电容C2是采样单元的关键器件，IGBT关断期间，电容C2两端的压降为负，此时采样电路不检测IGBT管压降，过流保护输出单元16不会输出低电平的保护信号，IGBT导通期间，C2两端的压降反映IGBT中电流变化情况，当桥臂短路或过电流的情况发生，及时地通过光耦输出电路输出低电平保护信号，从而迅速地执行下一步关断IGBT器件的动作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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研发人员在本发明公开的技术范围内，所能轻易得到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。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 (4)

1.一种变频器检测保护电路，包括管压降采样单元、比较器单元、负压钳位单元、参考电位单元、过流保护输出电路单元、3120光耦驱动单元和IGBT主电路单元，其特征在于， 

所述管压降采样单元的输入端连接到IGBT主电路单元，用于检测反映IGBT中流过电流的管压降；

所述比较器单元的输入端连接到管压降采样单元的输出端，用于采样到的反映IGBT管压降的电压值达到某个设定的阈值时，输出低电平电压值；

所述过流保护输出电路单元的输入端连接到比较器单元的输出端，用于在比较器单元输出低电平时，输出单元的光耦二极管导通，输出低电平保护信号；

所述负压钳位单元的输入端连接到3120驱动光耦单元，比较器单元的输入端连接到负压钳位单元的输出端，用于在IGBT关断期间，将比较器单元的反向输入端钳位在一个负电压值，避免误保护的发生；

所述参考电位单元的输入端连接到+15V电源，输出端连接到比较器单元，用于给比较器单元的同相输入端提供固定的参考电位；

所述IGBT主电路单元的输入端连接到直流母线，输出端连接到管压降采样单元，该单元用于根据IGBT流过的电流值与管压降电压值成一定曲线关系的现象，检测IGBT中发生的短路和过大电流。

2.根据权利要求1所述的变频器检测保护电路，其特征在于，3120驱动单元光耦输出高电平时，IGBT导通，3120光耦驱动单元输出负电平时，IGBT关断。

3.根据权利要求1所述的变频器检测保护电路，其特征在于，所述管压降采样单元包括第一电阻R1、第二电容C2、第二二极管D2、第二电阻R2、第一稳压管Z1，+15V电源通过第一电阻R1、第二电容C2组成充电回路。

4.根据权利要求1所述的变频器检测保护电路，其特征在于， 所述过流保护输出电路单元包括高速光耦，高速光耦的二极管根据比较器输出的高低电平关断和导通。