CN105929220A - 一种过流检测电路 - Google Patents

Abstract

一种过流检测电路，用于功率模块过流检测，采用分立模拟器件构建硬件电路，包括依次连接的信号转换电路、镜像比较电路、电气隔离电路、瞬态锁存电路和报警封锁电路。本发明提供一种新型的过流检测电路，采用分立模拟器件构建硬件电路，具有可靠性高、检测精度高、反应速度快、过流报警状态锁存等特点。

Description

一种过流检测电路

技术领域

本发明属于电路技术领域，涉及电路过流保护技术，具体为一种过流检测电路。

背景技术

随着电力电子技术的发展，功率模块器件因其性能优势、控制方便等优点而被广泛地应用于交流电机变频调速装置、电动汽车、光伏逆变器、智能家用电器、不间断电源等相关产品中。功率模块器件是高频开关器件，其内部电流密度大，当发生过流或者短路故障时，功率器件中流过的电流远大于额定值，使功率模块器件管芯结温迅速升高，最终导致功率模块器件烧毁。应用表明：短路时应用功率模块器件的电力电子线路中经常发生的故障和损坏功率模块器件的主要原因之一，而且发生故障后如不进行保护，功率模块器件将严重损坏。因此，对功率模块器件的短路保护响应时间必须快，一般必须在10μs之内完成保护动作。

过流保护主要是两方面的保护工作，一方面是驱动器过载时的过流保护；另一方面是发生意外极限情况下的保护，比如驱动器输出相间短路，以及输出对地短路，又叫输出短路保护。目前对于功率模块过流检测的主要有两种方法：

一种是利用功率开光管的退饱和特性。当出现过流时，功率开关管将退出饱和区工作状态，进入放大区工作状态，管压降也增大到开关管保护阈值，此时便触发驱动电路关断开关管。依据开关管的这个特性，目前已经有很多厂家开发出集开关管驱动、过流保护，甚至驱动欠压保护功能于一体的驱动光耦。然而这种方式集驱动和保护于一体，一般需要采用高成本的驱动光耦，或者搭建复杂的模拟电路，保护相对灵敏及时，但是成本较高或者电路复杂，容易受到外界干扰影响产生误报警，例如实用新型CN202772560U所述。

另一种是通过对三相电流进行采样，并根据反馈值分别进行保护。就单独一相而言，由于电流采样值是周期性的交流信号，所以对其正负值都要进行保护，具体的做法便是用比较器电路对其正负值分别设置对称的保护点。当电流达到设定的阈值时，便触发比较器输出，该信号作为封锁开关管的触发信号，实现对开关管的保护。但是由于其利用采样电流进行保护，所以针对任何一种情况都要做正负值的保护，即需要两个比较器，或者通过整流电流对交流采样信号进行整流，但是每一相都要设计有专门的处理电路，并最终将三路信号进行运算，输出一路过流信号，这样就不可避免的使用大量的电子器件，这将占据较大的单板面积，而且可靠性不高，容易受到外界干扰，例如发明专利CN103066819A所述。针对这种情况，对电流采样点选取改为母线负侧，这样只需要一处采样点就可以对过流信号进行监测，而且采样信号只有一种极性，在不区分快速限流保护和极限保护的前提下，仅仅需要一个运放就能够实现过流的检测与保护。然而，目前现有的方案中均采用正压检测的方式，在不额外增加一路隔离电源的前提下，只能通过扩大开关管驱动回路的方式实现，这样会导致驱动回路与功率回路的耦合，影响开关管驱动的可靠性，例如实用新型CN202094613U和CN203553904U所述。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有对于功率模块过流检测成本较高或者电路复杂，易误报，可靠性不足。

本发明的技术方案为：一种过流检测电路，用于功率模块过流检测，采用分立模拟器件构建硬件电路，包括依次连接的信号转换电路、镜像比较电路、电气隔离电路、瞬态锁存电路和报警封锁电路，信号转换电路用于将被检测的电流信号线性转换为电压信号，信号转换电路的采样电阻位于直流母线负极与功率模块的负极连接处；镜像比较电路用于实现电流镜像比较，进行过流检测；电气隔离电路用于实现强电信号与弱电信号的隔离；瞬态锁存电路用于锁存瞬时的过流状态，报警封锁电路在接收到瞬态锁存电路的过流状态信号时报警，并直接封锁开关管的PWM信号。

镜像比较电路包括低通滤波电路和三极管镜像电路，低通滤波电路对输入的电流采样信号进行滤波处理，低通滤波电路中的电阻为过流门限调节电阻，通过过流门限调节电阻的设置实现不同门限的过流检测，低通滤波电路的输出输入三极管镜像电路，进行镜像比较，输出比较结果。

电气隔离电路为高速光耦，所述高速光耦开关时间小于1μs。

进一步的，瞬态锁存电路为RS触发器，采用与非门构建RS触发器，在RS触发器的输入为过流报警信号，还设计有RC低通滤波器电路，RC低通滤波器的输入为清除报警信号，并做下拉处理。

本发明具有以下有益效果：

1、在对电流采样点的设计上，与现有技术的过流检测电路的正压比较方案相比，本发明采用负压比较方案。在不额外增加一路隔离电源的前提下，能够有效减小开关管的驱动回路，避免驱动回路与功率回路的耦合，提高开关管驱动的可靠性；

2、本发明过流检测电路使用分立模拟器件实现，成本低；

3、本发明检测精度高，响应速度快，能够在5μs内检测出过流现象并封锁开关管PWM；

4、本发明电流检测电路一旦捕获到过流情况，将一直维持开关管PWM封锁的状态，直至收到清除报警信号，才能解除封锁状态，设备继续运行，能够可靠保护设备中的功率器件。

附图说明

图1为本发明过流检测电路的电路框图。

图2为信号转换电路的示意图。

图3为本发明镜像比较电路的电路图。

图4为本发明瞬态锁存电路的电路图。

具体实施方式

本发明提供一种新型的过流检测电路，采用分立模拟器件构建硬件电路，具有可靠性高、检测精度高、反应速度快、过流报警状态锁存等特点，包括依次连接的信号转换电路、镜像比较电路、电气隔离电路、瞬态锁存电路和报警封锁电路5个部分，如图1所示。

功率模块总体输出电流经信号转换电路输入本发明的过流检测电路，具体方案如下：

信号转换电路通过精密采样电阻，将作为被检对象的电流信号线性转换为电压信号，根据具体的电流测量精度会对采样电阻有不同的精度要求，一般需要使用1％及以上精度的电阻用作采样。本发明中所设计信号转换电路中的采样电阻位于直流母线负极与功率模块的负极连接处，图2中A处位置，正常工况下，电流信号从功率模块负极流向母线负极。相比于其它在功率模块每路下桥臂处分别设计采样电阻的方案，如图2中B处位置，不仅减少了采样器件的数量，降低了成本，而且避免了复杂的后级处理电路。

镜像比较电路使用2组三极管电路实现电流镜像比较功能，当输入的电流采样信号超过一定阀值后，三极管电路的电流镜像比较运算能够对外输出一定的电流信号，驱动三极管Q1开通，切换输出信号电平。具体的电路原理图如图3所示，图中R1和C1构成RC低通滤波器对输入的电流采样结果进行滤波处理，其中改变R1能够改变镜像比较电流的阈值，配合采样电阻的选型能够实现对过流保护点的门限的设置。

电气隔离电路通过高速光耦实现强电信号与弱电信号的隔离。该部分接收镜像比较电路输出的电压信号，根据不同的电压输入信号电平，在光耦副边输出相应的电平信号。

瞬态锁存电路通过RS触发器锁存瞬时的过流状态。由于保护措施的作用，过流信号一般是瞬时的脉冲，其状态难以持久，而在过流发生后，设备一般需要停机检查，不能重复启动、过流、再启动、再过流的过程，该电路的存在能够避免上述情况的发生，能够有效保护设备中的相关功率器件。具体的原理图如图4所示，本发明采用与非门构建RS触发器，清除报警信号在不使能的情况下始终保持低电平。当***出现过流现象，光耦隔离部分将会输出一个低电平信号，RS触发器能够捕获并保持该信号，维持报警过流信号始终输出高电平信号，过流检测电路处于过流报警状态，直到清除报警信号接收到低电平，即RS触发器被复位，复位整个报警回路，报警解除。由于清除报警信号对整个过流检测回路具有复位功能，因此在该信号的输入口，即RS触发器的复位口设计有RC低通滤波器电路，并做下拉处理，以防止出现误动作，提高电路的稳定性。

报警封锁电路能够在过流报警发生时，可靠地封锁开关管的PWM信号，避免开关管损坏，现有技术实现封锁开关管的电路有很多方式，本发明这里不再详述。一般而言，***出现过流情况时，设备需要尽快停机，以保护开光管和其他器件的安全，避免出现损坏。与现有技术将报警信号反馈给主控***，再由主控器停止发送PWM驱动信号不同，本发明采用硬件电路设计的方式，当出现过流情况时，过流检测回路能够从硬件方面直接封锁开关PWM信号，避免了通过控制器封锁PWM驱动信号引入的延时，

相比现有技术，本发明具有以下特点：

1)本发明新设计的分立模拟器件电路，采用负压检测的方案，能够针对瞬时过流信号进行锁存并具有硬件封锁驱动信号的功能，采样精度高、响应速度快；

2)本发明使用分立的模拟器件搭建硬件电路，相比现有过流检测电路，设计了镜像比较电路和瞬态锁存电路来进行检测和检测结果的输出，镜像比较电路中使用三极管电路实现镜像比较电路，瞬态锁存电路中使用与非门器件实现RS触发器功能，本发明不需要高成本的驱动光耦，或者搭建复杂的模拟电路，就能实现灵敏及时的保护；

3)本发明在镜像比较电路中设计有过流门限调节电阻，通过该电阻的设置能够实现不同门限的过流检测功能，灵活适用度高；

4)本发明使用负压比较的方案，过流检测的电源基准点与功率模块负极相同，相对于传统正压比较方案，能够在不额外增加一路隔离电源的前提下，有效减小开关管的驱动回路，避免驱动回路与功率回路的耦合；

5)本发明电路结构简单，其中隔离器件选用高速光耦，数字器件采用高速芯片，检测精度高，响应速度快；

6)本发明电路中的瞬态锁存电路，当检测电路捕获到过流信号，即使该过流信号持续时间很短，瞬态锁存电路也能够捕获并锁存该过流信号，并维持报警状态，直至外部电路通过报警清除信号复位检测电路；

7)本发明电路中的报警封锁电路，当瞬态锁存电路检测捕获到过流信号，报警封锁电路对外发出报警，同时，报警封锁电路同步对开关管驱动信号进行封锁处理，从硬件方面主动封锁，响应速度快。

Claims (4)

1.一种过流检测电路，用于功率模块过流检测，其特征是采用分立模拟器件构建硬件电路，包括依次连接的信号转换电路、镜像比较电路、电气隔离电路、瞬态锁存电路和报警封锁电路，信号转换电路用于将被检测的电流信号线性转换为电压信号，信号转换电路的采样电阻位于直流母线负极与功率模块的负极连接处；镜像比较电路用于实现电流镜像比较，进行过流检测；电气隔离电路用于实现强电信号与弱电信号的隔离；瞬态锁存电路用于锁存瞬时的过流状态，报警封锁电路在接收到瞬态锁存电路的过流状态信号时报警，并直接封锁开关管的PWM信号。

2.根据权利要求1所述的一种过流检测电路，其特征是镜像比较电路包括低通滤波电路和三极管镜像电路，低通滤波电路对输入的电流采样信号进行滤波处理，低通滤波电路中的电阻为过流门限调节电阻，通过过流门限调节电阻的设置实现不同门限的过流检测，低通滤波电路的输出输入三极管镜像电路，进行镜像比较，输出比较结果。

3.根据权利要求1所述的一种过流检测电路，其特征是电气隔离电路为高速光耦，所述高速光耦开关时间小于1μs。

4.根据权利要求1所述的一种过流检测电路，其特征是瞬态锁存电路为RS触发器，采用与非门构建RS触发器，在RS触发器的输入为过流报警信号，还设计有RC低通滤波器电路，RC低通滤波器的输入为清除报警信号，并做下拉处理。