CN110233470A - 变频器 - Google Patents

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CN110233470A CN201910487075.XA CN201910487075A CN110233470A CN 110233470 A CN110233470 A CN 110233470A CN 201910487075 A CN201910487075 A CN 201910487075A CN 110233470 A CN110233470 A CN 110233470A
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Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种变频器，所述采样电路向隔离转换电路输入电压信号V1；所述隔离转换电路对电压信号V1进行隔离、放大后，向比较电路输入电压信号V4；所述比较电路判断电压信号V4和正阈值电压UH、负阈值电压UL的关系，正阈值电压UH＞负阈值电压UL，并向保持电路输入电压信号V6；所述保持电路向处理器CPU输入电压信号V9；所述变频器发生短路故障时，电压信号V4＞正阈值电压UH或＜负阈值电压UL，使电压信号V9发生电平转换后并保持时间t，t＞0，则处理器CPU控制IGBT电路关断；本发明的变频器，其通过保持电路，保证在变频器发生短路故障时处理器CPU完全关闭IGBT电路。

Description

变频器
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种变频器。
背景技术
变频器是把工频电源(50Hz/60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行设备。随着变频器技术的越发成熟，可靠的保护功能成为变频器的核心竞争力。
目前市场上传统的小功率变频器的输出短路保护方法：主要是通过变频器输出相的电流大小来实现变频器输出端相对相或相对地的短路保护(电路原理示意图见图1、图2、图3)，该方法存在以下不足：当外部干扰或IGBT驱动电路异常等原因时造成IGBT上下桥臂同时导通而发生上下桥臂短路时，则无法实现保护，最终会导致IGBT严重烧毁。
目前市场上传统中功率变频器的输出短路保护方法，除采用图1、图2、图3中的短路保护方法外，一般都增加对每相的下桥臂采用自带短路保护功能的驱动光耦来实现对上下桥臂短路保护，但是成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种变频器，其通过保持电路，保证在变频器发生短路故障时处理器CPU完全关闭IGBT电路。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种变频器，其包括IGBT电路2a；还包括依次相连的采样电路1、隔离转换电路2、比较电路3、保持电路4和处理器CPU，处理器CPU与IGBT电路2a相连；所述采样电路1向隔离转换电路2输入电压信号V1；所述隔离转换电路2对电压信号V1进行隔离、放大后，向比较电路3输入电压信号V4；所述比较电路3判断电压信号V4和正阈值电压UH、负阈值电压UL的关系，正阈值电压UH＞负阈值电压UL，并向保持电路4输入电压信号V6；所述保持电路4向处理器CPU输入电压信号V9；
所述变频器发生短路故障时，电压信号V4＞正阈值电压UH或＜负阈值电压UL，使电压信号V9发生电平转换后并保持时间t，t＞0，则处理器CPU控制IGBT电路2a关断。
优选的，还包括电解电容组1a，电解电容组1a的正极、负极分别与变频器的正极直流母线、负极直流母线相连；所述采样电路1包括设置在负极直流母线上且串接在电解电容组1a和IGBT电路2a之间的mΩ级的采样电阻R1，采样电路1向隔离转换电路2输入电压信号V1。
优选的，所述变频器无短路故障时，负阈值电压UL≤电压信号V4≤正阈值电压UH，电压信号V6为高电平，电压信号V9为高电平；所述变频器发生短路故障时，电压信号V6由高电平转为低电平，使电压信号V9由高电平转为低电平且在时间t内，电压信号V9持续为低电平，t≥10μs。
优选的，所述保持电路4与处理器CPU的中断引脚相连，处理器CPU的中断设置为下降沿有效；所述电压信号V9由高电平转换为低电平时，处理器CPU控制IGBT电路关断。
优选的，所述隔离转换电路2包括光电耦合器U1和运算放大器U2，采样电阻R1与电解电容组1a的负极之间的节点，通过依次串接的电阻R4、电容C6与光电耦合器U1的反相输入端相连，电阻R4与电容C6之间的节点与光电耦合器U1的同相输入端相连，采样电阻R1与IGBT电路2a之间的节点与光电耦合器U1的反相输入端相连，光电耦合器U1的输出端正极、输出端负极分别与运算放大器U2的同相输入端、反相输入端相连，运算放大器U2的输出端与比较电路3相连。
优选的，所述光电耦合器U1的输出端正极通过电阻R7与运算放大器U2的同相输入端相连，光电耦合器U1的输出端负极通过电阻R8与运算放大器U2的反向输入端相连，电阻R7＝电阻R8；所述运算放大器U2的同相输入端通过电阻R9与接地GND相连，电容C16与电阻R9并联，运算放大器U2的反向输入端通过电阻R12与运算放大器U2的输出端相连，电容C17与电阻R12并联，电阻R9＝电阻R12；所述运算放大器U2的输出端通过依次串联的电阻R13、电阻R16与+5V电源相连，电阻R13＝电阻R16，电阻R13和电阻R16之间的节点与比较电路3相连。
优选的，所述隔离转换电路2还包括供电电路，供电电路包括电阻R2、稳压二极管ZD3和电容C4，N+15V电源通过电阻R2与稳压二极管ZD3的阴极相连，负极直流母线与稳压二极管ZD3的阳极相连，电容C4与稳压二极管ZD3并联，稳压二极管ZD3的阴极、阳极分别与光电耦合器U1的第1脚、第4脚相连，为光电耦合器U1的输入端提供工作电源；所述N+15V电源和负极直流母线之间还串接有电容C1；+5V电源、接地GND分别与光电耦合器U1的第8脚、第5脚相连，为光电耦合器U1的输出端提供工作电源，光电耦合器U1的第8脚还通过电容C37与接地GND相连。
优选的，所述比较电路3包括比较器U3，比较器U3包括比较器U3A和比较器U3B，比较器U3A的正脚与正阈值电压UH发生电路31相连，比较器U3B的负脚与负阈值电压UL发生电路32相连，比较器U3A的负脚与比较器U3B的正脚相连后，与隔离转换电路2相连，比较器U3A的输出端和比较器U3B的输出端相连后，与保持电路4相连。
优选的，所述正阈值电压UH发生电路31包括依次串接在+5V电源和接地GND之间的电阻R22和电阻R19，电阻R22和电阻R19之间的节点与比较器U3A的正脚相连；所述负阈值电压UL发生电路32包括依次串接在+5V电源和接地GND之间的电阻R20和电阻R21，电阻R20和电阻R21之间的节点与比较器U3B的负脚相连。
优选的，所述比较器U3通过电阻R18与隔离转换电路2相连，电阻R18和比较器U3之间的节点通过电容C21接地，且与电压钳位电路33相连，电压钳位电路33包括由二极管D1A和二极管D1B组成的二极管组D1，二极管D1A的阴极与+5V电源相连，阳极与二极管D1B的阴极相连，二极管D1B的阳极与接地GND相连。
优选的，所述比较器U3和保持电路4之间的节点，通过电阻R25与+5V电源相连；+15V电源、接地GND分别与比较器U3A相连，为比较器U3提供工作电源，比较器U3A与+15V电源之间的节点通过电容C24与接地GND相连。
优选的，所述保持电路4包括施密特触发器和充放电电路40，充放电电路40与施密特触发器相连，充放电电路40包括电容C27，电压信号V6由高电平转为低电平时，电容C27开始放电，当电容C27两端的电压UC27＜负阈值电压VT-时，施密特触发器向处理器CPU输入的电压信号V9由高电平转为低电平，且在时间t内电压信号V9持续为低电平，t≥10μs，处理器CPU控制IGBT电路2a关断。
优选的，所述处理器CPU控制IGBT电路2a关断后，采样电阻R1无电流通过，则负阈值电压UL≤电压信号V4≤正阈值电压UH，电压信号V6由低电平转为高电平，电容C27开始充电，当电容C27两端的电压UC27＞正阈值电压VT+时，施密特触发器向处理器CPU输出的电压信号V9由低电平转为高电平。
优选的，所述施密特触发器包括施密特触发反相器U4A、施密特触发反相器U4D、施密特触发反相器U4E以及施密特触发反相器U4F，充放电电路40包括电容C27、电阻R27、二极管组D2和电阻R29，比较电路3与施密特触发反相器U4A的输入端相连，施密特触发反相器U4A的输出端与施密特触发反相器U4E输入端相连，施密特触发反相器U4D的输出端通过依次串接的二极管组D2、电阻R29与施密特触发反相器U4E的输入端相连，施密特触发反相器U4E与电阻R29之间的节点通过电容C27与接地GND相连，且通过电阻R27与施密特触发反相器U4D的输出端相连，二极管组D2包括二极管D2A和二极管D2B，二极管D2A的阳极与二极管D2B的阳极相连后，与电阻R29相连，二极管D2A的阴极和二极管D2B的阴极相连后，与施密特触发反相器U4D的输出端相连，施密特触发反相器U4E的输出端与施密特触发反相器U4F的输入端相连，施密特触发反相器U4F的输出端与处理器CPU相连。
优选的，所述保持电路4还包括电阻R26、电容C25、电阻R30、电容C29，比较电路3通过电阻R26与施密特触发反相器U4A的输入端相连，电阻R26与施密特触发反相器U4A之间的节点通过电容C25与接地GND相连，施密特触发反相器U4F的输出端通过电阻R30与处理器CPU相连，电阻R30与处理器CPU之间的节点通过电容C29与接地GND相连。
优选的，所述施密特触发反相器U4A还分别与+5V电源、接地GND相连。
本发明变频器，当其IGBT电路2a发生短路故障时，采样电路1向隔离转换电路2输出电压信号V1，电压信号V1经过隔离转换电路2、比较电路3和保持电路4的处理，最终由保持电路4向处理器CPU输入电压信号V9，而且在变频器发生短路故障时，电压信号V9发生电平转换并保持时间t，t＞0，确保处理器CPU使IGBT电路2a被完全关断。
另外，所述采样电路1包括采样电阻R1，采样电阻R1为mΩ级电阻，设置在变压器的负极直流母线上且串接在电解电容组1a和IGBT电路2a之间，采样电阻R1对负极直流母线的电流进行采样，当当变频器的IGBT电路2a发生IGBT上下桥臂短路、变频器的输出端发生相对相短路、变频器的输出端发生相对地短路时，采样电阻R1上均产生瞬时短路电压，即电压信号V1，使本发明的采样电路1能够检测变频器的各种类型的短路故障，尤其是IGBT上下桥臂短路故障。
附图说明
图1是现有技术的小功率变频器的输出电流检测结构示意图，其使用霍尔电流传感器检测V相、W相的输出电流；
图2是现有技术的小功率变频器的输出电流检测结构示意图，其使用霍尔电流传感器检测U相、V相的输出电流；
图3是现有技术的小功率变频器的输出电流检测结构示意图，其使用霍尔电流传感器检测U相、V相、W相的输出电流；
图4是本发明采样电路、隔离转换电路的结构示意图，至少示出了采样电路与变频器的连接关系；
图5是本发明比较电路的结构示意图；
图6是本发明保持电路的结构示意图；
图7是本发明IGBT电路发生IGBT上下桥臂短路时，电压信号V7、电压信号V8和电压信号V9的逻辑时序图；
图8是本发明变频器的模块结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图4-7给出的实施例，进一步说明本发明的变频器的具体实施方式。本发明的变频器不限于以下实施例的描述。
本发明变频器，其包括IGBT电路2a；还包括依次相连的采样电路1、隔离转换电路2、比较电路3、保护电路4和处理器CPU，处理器CPU与IGBT电路2a相连；所述采样电路1向隔离转换电路2输入电压信号V1；所述隔离转换电路2对电压信号V1进行隔离、放大后，向比较电路3输入电压信号V4，；所述比较电路3判断电压信号V4和正阈值电压UH、负阈值电压UL的关系，正阈值电压UH＞负阈值电压UL，并向保持电路4输入电压信号V6；所述保持电路4向处理器CPU输入电压信号V9；
所述变频器发生短路故障时，电压信号V4＞正阈值电压UH或＜负阈值电压UL，使电压信号V9发生电平转换后并保持时间t，t＞0，则处理器CPU控制IGBT电路2a关断。
本发明变频器，当其IGBT电路2a发生短路故障时，采样电路1向隔离转换电路2输出电压信号V1，电压信号V1经过隔离转换电路2、比较电路3和保持电路4的处理，最终由保持电路4向处理器CPU输入电压信号V9，而且在变频器发生短路故障时，使电压信号V9发生电平转换后并保持时间t，t≥0，确保处理器CPU使IGBT电路2a被完全关断。
优选的，如图1所示，所述变频器还包括电解电容组1a，电解电容组1a的正极、负极分别与变频器的正极直流母线、负极直流母线相连；所述采样电路1包括设置在负极直流母线上且串接在电解电容组1a和IGBT电路2a之间的mΩ级的采样电阻R1，采样电路1向隔离转换电路2输入电压信号V1。所述采样电路1包括采样电阻R1，采样电阻R1为mΩ级电阻，设置在变压器的负极直流母线上且串接在电解电容组1a和IGBT电路2a之间，采样电阻R1对负极直流母线的电流进行采样，当变频器的IGBT电路2a发生IGBT上下桥臂短路、变频器的输出端发生相对相短路、变频器的输出端发生相对地短路时，采样电阻R1上均产生瞬时短路电压，即电压信号V1，使本发明的采样电路1能够检测变频器的各种类型的短路故障，尤其是IGBT上下桥臂短路故障。
需要指出的，还可以通过在变频器的输出端的U相、V相加装霍尔电流传感器，或在变频器的输出端的U相、W相加装霍尔电流传感器，进行电流检测，各相的霍尔电流传感器分别采集相应相的电流，依据欧姆定律，即电压＝电流×电阻，就能得到相应的电压信号。
需要指出的是，所述“电压信号V9发生电平转换”指的是电压信号V9由高电平转为低电平，由电压信号V9由低电平转为高电平。
优选的，所述变频器无短路故障时，负阈值电压UL≤电压信号V4≤正阈值电压UH，电压信号V6为高电平，电压信号V9为高电平；所述变频器发生短路故障时，电压信号V6由高电平转为低电平，使电压信号V9由高电平转为低电平且在时间t内，电压信号V9持续为低电平，t≥10μs。需要指出的，所述t的取值可根据实际需要，例如根据处理器CPU的型号、IGBT电路2a的型号/规格，进行设定，以确保IGBT电路的信号被完全关断。
优选的，所述保持电路4与处理器CPU的中断引脚相连，处理器CPU的中断设置为下降沿有效；所述电压信号V9由高电平转为低电平时，处理器CPU控制IGBT电路关断。
优选的，如图4所示，所述隔离转换电路2包括光电耦合器U1和运算放大器U2，采样电阻R1与电解电容组1a的负极之间的节点，通过依次串接的电阻R4、电容C6与光电耦合器U1的同相输入端相连，采样电阻R1与IGBT电路2a的节点与光电耦合器U1的反向输入端相连，光电耦合器U1的输出端正极、输出端负极分别与运算放大器U2的同相输入端、反向输入端相连，运算放大器U2的输出端与比较电路3相连。
优选的，如图5所示，所述比较电路包括比较器U3，比较器U3包括比较器U3A和比较器U3B，比较器U3A的正极与正阈值电压UH发生电路31相连，比较器U3B的负脚与负阈值电压UL发生电路32相连，比较器U3A的负脚与比较器U3B的正脚相连后，与隔离转换电路2相连，比较器U3A的输出端和比较器U3B的输出端相连后，与保持电路4相连。
优选的，如图6所示，所述保持电路4包括施密特触发器和充放电电路40，充放电电路40与施密特触发器相连，充放电电路40包括电容C27，电压信号V6由高电平转为低电平时，电容C27开始放电，当电容C27两端的电压UC27＜负阈值电压VT-时，施密特触发器向处理器CPU输入的电压信号V9由高电平转为低电平，且在时间t内电压信号V9持续为低电平，t≥10μs，处理器CPU控制IGBT电路2a关断。进一步的，如图4-6所示，所述处理器CPU控制IGBT电路2a关断后，采样电阻R1无电路通过，则负阈值电压UL≤电压信号V4≤正阈值电压UH，电压信号V6由低电平转为高电平，电容C27开始充电，当电容C27两端的电压UC27＞正阈值电压VT+时，施密特触发器向处理器CPU输出的电压信号V9由低电平转为高电平。所述施密特触发器包括施密特触发反相器U4A、施密特触发反相器U4D、施密特触发反相器U4E以及施密特触发反相器U4F，充放电电路40包括电容C27、电阻R27、二极管组D2和电阻R29，比较电路3与施密特触发反相器U4A的输入端相连向其输入电压信号V6，施密特触发反相器U4A的输出端与施密特触发反相器U4E输入端相连，施密特触发反相器U4D通过依次串接的二极管组D2、电阻R29与施密特触发反相器U4E的输入端相连，施密特触发反相器U4E与电阻R29之间的节点通过电容C27与接地GND相连，且通过电阻R27与施密特触发反相器U4D的输出端相连，二极管组D2包括二极管D2A和二极管D2B，二极管D2A的阳极与二极管D2B的阳极相连后，与电阻R29相连，二极管D2A和二极管D2B的阴极相连后，与施密特触发反相器U4D的输出端相连，施密特触发反相器U4E的输出端与施密特触发反相器U4F的输入端相连，施密特触发反相器U4F的输出端与处理器CPU相连。
需要指出的是，所述负阈值电压VT-即施密特触发器的负阈值电压，正阈值电压VT+为施密特触发器资料中给出的值。例如，+25°条件下，所述负阈值电压VT-＝1.4V，所述正阈值电压VT+＝2.38V。进一步的，所述施密特触发反相器U4A、施密特触发反相器U4D、施密特触发反相器U4E和施密特触发反相器U4F的型号均为74HC14。
如图4-7所示，本发明变频器，其采样电路1通过采样电阻R1采集变频器的负极直流母线的电流信号并生成电压信号V1，输入隔离转换电路2，隔离转换电路2通过光电耦合器U1、运算放大器U2对电压信号V2进行隔离、放大，向比较电路3输入电压信号V4，比较电路3通过比较器U3判断电压信号V4与正阈值电压UH、负阈值电压UL的关系，即判断三者的大小关系，然后比较电路3向保持电路4输入电压信号V6，电压信号V6经过施密特触发反相器U4A、施密特触发反相器U4D后，向充放电电路40输入电压信号V7，电压信号V7与电压信号V6同电平，即电压信号V6、V7同时为高电平或低电平，充放电电路40输出电压信号V8，电压信号V8依次通过施密特触发反相器U4E、施密特触发反相器U4F后，向处理器CPU输入电压信号V9；所述变频器发生短路故障时，电压信号V4＞正阈值电压UH或＜负阈值电压UL，电压信号V6由高电平转为低电平，电压信号V7由高电平转为低电平，电容C27开始放电，当电容C27两端的电压UC27(即电压信号V8)＜负阈值电压VT-时，电压信号V9由高电平变为低电平，并且在时间t(即图7中时刻t1-时刻t2之间的时间)内，电压信号V9保持为低电平，处理器CPU控制IGBT电路2a关断，IGBT电路2a关断后，采样电阻R1内无电流通过，电压信号V6由低电平转为高电平，电压信号V7由低电平转为高电平，电容C27开始充电，当电压UC27(即电压信号V8)＞正阈值电压VT+时，施密特触发器向处理器CPU输出的电压信号V9由低电平转为高电平。
如图4-6、8所示，为本发明变频器的一种实施方式。
本发明的变频器，能实现对于变频器的各种类型的短路故障的保护，包括IGBT上下桥臂短路、变频器的输出端的相对相短路、变频器的输出端的相对地短路。
如图4所示，所述变频器包括电解电容组1a和IGBT电路2a，电解电容组1a的正极、负极分别与变频器的正极直流母线、负极直流母线相连；所述IGBT电路2a包括U相IGBT电路、V相IGBT电路和W相IGBT电路，各相IGBT电路的IGBT上桥的集电极均与正极直流母线相连，各相IGBT电路的IGBT下桥的发射极均与负极直流母线相连，每相IGBT电路的IGBT上桥的发射极与IGBT下桥的集电极相连。
优选的，如图4所示，所述电解电容组1a包括依次串接在正极直流母线、负极直流母线之间的电解电容E1、电解电容E2。
如图8所示，本发明的变频器还包括依次相连的采样电路1、隔离转换电路2、比较电路3、保持电路4和处理器CPU，处理器CPU与IGBT电路2a相连，控制IGBT电路2a的导通/关断。
需要指出的是，所述处理器CPU可以是变频器的固有处理器。
优选的，所述保持电路4与处理器CPU的中断引脚相连，处理器CPU的中断设置为下降沿有效；所述电压信号V9由高电平转为低电平时，处理器CPU控制IGBT电路关断。
如图4所示，为所述采样电路1的一个实施例。
所述采样电路1包括采样电阻R1，采样电阻R1为mΩ级采样电阻，采样电阻R1设置在负极直流母线上且串接在电解电容组1a和IGBT电路2a之间，采样电阻R1对负极直流母线中流过的电流进行采样，并输出电压信号V1，电压信号V1＝R1×I1，I1为负极直流母线中流过的电流。
需要指出的是，所述采样电阻R1也可以设置在正极直流母线上且串接在电解电容组1a和IGBT电路2a之间，但是必须新增一路电源为隔离光耦供电。
如图4所示，为所述隔离转换电路2的一个实施例。
所述隔离转换电路2包括光电耦合器U1和运算放大器U2，采样电阻R1与电解电容组1a的负极之间的节点，通过依次串接的电阻R4、电容C6与光电耦合器U1的反相输入端相连，电阻R4与电容C6之间的节点，与光电耦合器U1的同相输入端相连，采样电阻R1与IGBT电路2a之间的节点，与光电耦合器U1的反相输入端相连，光电耦合器U1的输出端正极、输出端负极分别与运算放大器U2的同相输入端、反向输入端相连，运算放大器U2的输出端与比较电路3相连。
优选的，如图4所示，所述光电耦合器U1的输出端正极通过电阻R7与运算放大器U2的同相输入端相连，光电耦合器U1的输出端负极通过电阻R8与运算放大器U2的反向输入端相连，电阻R7＝电阻R8；所述运算放大器U2的同相输入端通过电阻R9与接地GND相连，电容C16与电阻R9并联，运算放大器U2的反向输入端通过电阻R12与运算放大器U2的输出端相连，电容C17与电阻R12并联，电阻R9＝电阻R12；所述运算放大器U2的输出端通过依次串联的电阻R13、电阻R16与+5V电源相连，电阻R13＝电阻R16，电阻R13和电阻R16之间的节点，与比较电路3相连。所述电阻13、电阻R16构成电压抬升电路。
优选的，如图4所示，所述隔离转换电路2还包括供电电路，供电电路包括电阻R2、稳压二极管ZD3和电容C4，N+15V电源通过电阻R2与稳压二极管ZD3的阴极相连，负极直流母线与稳压二极管ZD3的阳极相连，电容C4与稳压二极管ZD3并联，稳压二极管ZD3的阴极、阳极分别与光电耦合器U1的第1脚、第4脚相连，为光电耦合器的输入端提供工作电源；所述N+15电源和负极直流母线之间还串接有电容C1；+5V电源、接地GND分别与光电耦合器U1的第8脚、第5脚相连，为光电耦合器U1的输出端提供工作电源，光电耦合器U1的第8脚还通过电容C37与接地GND相连。所述N+15V电源还为IGBT电路2a的IGBT下桥臂提供驱动正电源。
需要指出的是，所述N+15V电源指的是比负极直流母线的电压值高出+15V的电压电源。
具体的，如图4所述，所述光电耦合器U1包括第1脚、第2脚、第3脚、第4脚、第5脚、第6脚、第7脚和第8脚，第1脚和第4脚与供电电路相连，为光电耦合器U1的输入端的电源端子，第2脚和第3脚分别与光电耦合器U1的同相输入端和反相输入端，第8脚和第5脚为光电耦合器U1的输出端的电源端子，第7脚和第6脚分别为光电耦合器U1的正极输出端和负极输出端。进一步的，所述光电耦合器U1为精密隔离转换光耦，光电耦合器U1可以是型号为ACPL-C790、C79A、C790B、7840、7847、1200的精密隔离光耦。如图4所示，所述运算放大器包括第5脚、第6脚、第7脚，第5脚为同相输入端，第6脚为反向输入端，第7脚为输出端。
以下为所述隔离转换电路2的工作原理：
所述电阻R4、电容C6组成RC低通滤波电路，对采样电路1输出的电压信号V1进行滤波处理，得到电压信号V2输入光电耦合器U1的第2脚，光电耦合器U1的第3脚与负极直流母线相连，经过光电耦合器U1内部的∑-Δ模数转换器后输出差分信号至光电耦合器U1的第6脚、第7脚，光电耦合器U1的第6脚、第7脚的信号分别通过电阻R7、电阻R8输入运算放大器U2的第5脚、第6脚，运算放大器U2的第7脚输出电压信号V3，电压信号V3经过电压抬升电路后，输出电压信号V4；
所述电压信号V3＝V2×Kgain×R12÷R8，其中Kgain为光电耦合器U1的增益(以型号为ACPL-C790的光电耦合器U1为例，其增益为8.2)，则V3＝V1×8.2×R12÷R8，如图5所示，由于电压信号V4经过由电阻R18、电容C21组成的RC低通滤波电路输入到比较电路3的比较器U3，另外比较器U3的输入阻抗很大，而且电阻R13、电阻R16的阻值相等，故电阻R13、电阻R16组成了电压抬升电路，由于5-V4＝V4-V3，得出电压信号V4＝(5+V3)÷2＝2.5+V3÷2，所以电压信号＝2.5+V1×4.1×R12÷R8。
如图5所示，为所述比较电路3的一个实施例。
如图5所示，所述比较电路3包括比较器U3，比较器U3包括比较器U3A和比较器U3B，比较器U3A的正脚与正阈值电压UH发生电路31相连，比较器U3B的负脚与负阈值电压UL发生电路32相连，比较器U3A的负脚与比较器U3B的正脚相连后，与隔离转换电路2相连，比较器U3A的输出端和比较器U3B的输出端相连后，与保持电路4相连。
优选的，如图5所示，所述正阈值电压UH发生电路31包括依次串接在+5V电源和接地GND之间的电阻R22和电阻R19，电阻R22和电阻R19之间的节点与比较器U3A的正脚相连；所述负阈值电压UL发生电路32包括依次串接在+5V电源和接地GND之间的电阻R20和电阻R21，电阻R2O和电阻R21之间的节点与比较器U3B的负脚相连。
优选的，如图5所示，所述比较器U3通过电阻R18与隔离转换电路2相连，电阻R18和比较器U3之间的节点通过电容C21接地，且与电压钳位电路33相连，电压钳位电路33包括由二极管D1A和二极管D1B组成的二极管组D1，二极管D1A的阴极与+5V电源相连，阳极与二极管D1B的阴极相连，二极管D1B的阳极与接地GND相连。所述电阻R18和电容C21组成RC低通滤波电路。所述电压钳位电路33能防止变频器发生短路故障时，高电压进入比较器U3，造成比较器U3损坏的情况发生。
优选的，如图5所示，所述比较器U3和保持电路4之间的节点，通过电阻R25与+5V电源相连；+15V电源、接地GND分别与比较器U3A相连，为比较器U3提供工作电源，比较器U3A与+15V电源之间的节点通过电容C24与接地GND相连。
优选的，所述比较器U3的型号为LM293或LM393。
具体的，如图5所示，所述比较器U3A包括第1脚、第2脚、第3脚、第4脚和第8脚，第1脚为输出端、第2脚为负脚、第3脚为正脚、第8脚和第4脚为电源端子。所述比较器U3B包括第5脚、第6脚、第7脚，第5脚为正脚，第6脚为负脚，第7脚为输出端。
以下为所述比较电路3的工作原理：
所述比较器U3的正阈值电压UH＝5×R19÷(R19+R22)，负阈值电压UL＝5×R21÷(R21+R20)。需要指出的是，所述正阈值电压UH的调整可以通过调整R19、R22的阻值实现，负阈值电压UL的调整可以通过调整R21、R20的阻值实现。优选的，通过调整电阻R19、电阻R21的阻值，使正阈值电压UH为4.54V，通过调整电阻R21、电阻R20的阻值，使负阈值电压UL为0.45V。
所述电压信号V4经过由电阻R18、电容C21组成的RC低通滤波电路后，输出电压信号V5，电压信号V5输入比较器U3，比较器U3输出电压信号V6，当电压信号V5＞正阈值电压UH或＜负阈值电压UL时，电压信号V6为低电平，当负阈值电压UL≤电压信号V5≤正阈值电压UH时，电压信号V6为高电平。
如图6所示，为所述保持电路4的一个实施例。
如图6所示，所述保持电路4包括施密特触发器和充放电电路40，充放电电路40与施密特触发器相连，充放电电路40包括电容C27，电压信号V6由高电平转为低电平时，电容C27开始放电，当电容C27两端的电压UC2＜负阈值电压VT-时，施密特触发器向处理器CPU输入的电压信号V9由高电平转为低电平，且在时间t内电压信号V9持续为低电平，t≥10μs，处理器CPU控制IGBT电路2a关断。
优选的，所述处理器CPU控制IGBT电路2a关断后，采样电阻R1无电流通过，则负阈值电压UL≤电压信号V4≤正阈值电压UH，电压信号V6由低电平转为高电平，电容C27开始充电，当电容C27两端的电压UC27＞正阈值电压VT+时，施密特触发器向处理器CPU输出的电压信号V9由低电平转为高电平。
优选的，如图7所示，所述施密特触发器包括施密特触发反相器U4A、施密特触发反相器U4D、施密特触发反相器U4E以及施密特触发反相器U4F，充放电电路40包括电容C27、电阻R27、二极管组D2和电阻R29，比较电路3与施密特触发反相器U4A的输入端相连,施密特触发反相器U4A的输出端与施密特触发反相器U4D的输入端相连，施密特触发反相器U4D的输出端通过依次串接的二极管组D2、电阻R29与施密特触发反相器U4E的输入端相连，施密特触发反相器U4E与电阻R29之间的节点，通过电容C27与接地GND相连，且通过电阻R27与施密特触发反相器U4D的输出端相连，二极管D2包括二极管D2A和二极管D2B，二极管D2A的阳极与二极管D2B的阳极相连后，与电阻R29相连，二极管D2A的阴极和二极管D2B的阴极相连后，与施密特触发反相器U4D的输出端相连，施密特触发反相器U4E的输出端与施密特触发反相器U4F的输入端相连，施密特触发反相器U4F的输出端与处理器CPU相连。
需要指出的是，所述电容C27充电时，其两端的电压UC27，由电阻R27和电容C27决定，电容C27放电时，其两端的电压UC27，由电阻R29和电容C27决定。
需要指出的是，所述负阈值电压VT-即施密特触发器的负阈值电压，正阈值电压VT+为施密特触发器资料(施密特触发器的预置数据)中给出的值。例如，+25°条件下，所述负阈值电压VT-＝1.4V，所述正阈值电压VT+＝2.38V。进一步的，所述施密特触发反相器U4A、施密特触发反相器U4D、施密特触发反相器U4E和施密特触发反相器U4F的型号均为74HC14。
优选的，所述施密特触发器包括施密特触发反相器U4A、施密特触发反相器U4B、施密特触发反相器U4C、施密特触发反相器U4D、施密特触发反相器U4E和施密特触发反相器U4F，六个施密特触发反相器的型号均为74HC14，在本发明的保持电路中，所述施密特触发反相器U4B和施密特触发反相器U4C未投入使用。
优选的，如图7所示，所述保持电路4还包括电阻R26、电容C25、电阻R30、电容C29，比较电路3通过电阻R26与施密特触发反相器U4A的输入端相连，电阻R26与施密特触发反相器U4A之间的节点通过电容C25与接地GND相连，施密特触发反相器U4F的输出端通过电阻R30与处理器CPU相连，电阻R30与处理器CPU之间的节点通过电容C29与接地GND相连。所述电阻R26和电容C25组成低通滤波电路，电阻R30和电容C29组成低通滤波电路。
优选的，如图7所示，施密特触发反相器U4A还分别与+5V电源、接地GND相连，为施密特触发器提供工作电源。
具体的，如图6所示，所述施密特触发器包括第1脚、第2脚、第8脚、第9脚、第10脚、第44脚、第12脚和第13脚，第1脚、第2脚分别为施密特触发反相器U4A的输入端、输出端，第9脚、第8脚分别为施密特触发反相器U4D的输入端、输出端，第11脚、第10脚分别为施密特触发反相器U4E的输入端、输出端、第13脚和第12脚分别为施密特触发反相器U4F的输入端、输出端。
以下为所述保持电路4的工作原理：
如图6所示，所述电压信号V6经过由电阻R26、电容C27组成的低通滤波电路，施密特触发反相器U4A以及施密特触发反相器U4D后，滤出杂波信号，输出清晰无抖动的电压信号V7，电压信号V7和电压信号V6为同电平信号，即电压信号V7和电压信号V6同时为高电平或低电平；所述变频器发生短路故障(包括IGBT上下桥臂短路故障)时，依据公式V4＝2.5+V1×4.1×R12÷R8、V1＝R1×I1，得出V4＝2.5+R1×I1×4.1×R12÷R8，此时I1为短路电流，一般情况下为IGBT电路2a的额定电流值的2-4倍，此时电压信号V4将＞正阈值电压UH(例如4.54V)或＜负阈值电压UL(例如0.45V)，电压信号V6、电压信号V7由高电平转为低电平(对应图7中的t0时刻)，电容C27开始放电，电容C27两端的电压UC27＝电压信号V8＝5×e-t/τ，其中t表示放电时间，τ表示电容C27的充放电常数，τ在数值上等于C27×(R29//R27)，由于电阻R27的阻值＞＞电阻R29的阻值，忽略二极管组D2的管压降，则τ≈C27×R29，电压信号V8的值快速下降，当电压信号V8＜负阈值电压VT-时，施密特触发反相器U4E的输出端(施密特触发器的第10脚)变为高电平，施密特触发反相器U4F的输出端(施密特触发器的第12脚)变为低电平，经过由电阻R30、电容C29组成的低通滤波电路后，输出电压信号V9至处理器CPU的中断引脚，而且电压信号V9在时间t内持续为低电平，t≥10μs，处理器CPU的中断设置为下降沿有效，在中断服务程序中第一时间关断所有IGBT的驱动信号，则采样电路1的采样电阻R1基本无电流通过，电压信号V6、电压信号V7又变成高电平(对应图7中的t1时刻)，则电压信号V7通过电阻R27对电容C27充电，当电容C27两端的电压UC27＝电压信号V8＝5-5×e-t/τ,t表示充电时间，τ表示电容C27的充放电常数，当电压UC27＞正阈值电压UH时(对应图7中的t2时刻)，施密特触发反相器U4E的输出端变为低电平，施密特触发反相器U4F的输出端变为高电平，经过由电阻R30、电容C29组成的低通滤波电路后，输出电压信号V9，电压信号V9为高电平，整个短路保护过程结束。
需要指出的是，结合图6和7，当施密特触发器的第12脚变为低电平时，电压信号V9会出现一定时间的滞后才会变为低电平，具体滞后的时间与R30×C29的乘积相关，乘积越大滞后的时间越长。进一步的，如图7所示，在t0-t1的时间段内，电压信号V9的状态时不稳定的，可能是高电平也可能是低电平，而图7中，t0-t1的时间段内电压信号V9为低电平。
所述保持电路4实现了在变频器发生短路故障时，电压信号V9在时间t内持续为低电平(即负脉冲信号)，由于处理器CPU进入中断需要1-2μs，完全关闭IGBT驱动也需要2-5μs，再预留一点时间，对应图7中，t0至t2之间的时间要大于10μs，通过选用合适的电阻R27、电阻R29和电容C27即可实现，因此保持电路4保证了电压信号V9为低电平期间，IGBT驱动被完全关断，实现了变频器的短路保护，尤其能实现IGBT上下桥臂短路保护。进一步的，所述IGBT驱动指的是IGBT电路的信号。
需要指出的，所述处理器CPU进入中断需要1-2μs的时间，在此时间内，电容C27会继续放电，当处理器CPU进入中断后，电容C27则开始充电。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种变频器，其包括IGBT电路(2a)；其特征在于：还包括依次相连的采样电路(1)、隔离转换电路(2)、比较电路(3)、保持电路(4)和处理器CPU，处理器CPU与IGBT电路(2a)相连；所述采样电路(1)向隔离转换电路(2)输入电压信号V1；所述隔离转换电路(2)对电压信号V1进行隔离、放大后，向比较电路(3)输入电压信号V4；所述比较电路(3)判断电压信号V4和正阈值电压UH、负阈值电压UL的关系，正阈值电压UH＞负阈值电压UL，并向保持电路(4)输入电压信号V6；所述保持电路(4)向处理器CPU输入电压信号V9；
所述变频器发生短路故障时，电压信号V4＞正阈值电压UH或＜负阈值电压UL，使电压信号V9发生电平转换后并保持时间t，t＞0，则处理器CPU控制IGBT电路(2a)关断。
2.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于：还包括电解电容组(1a)，电解电容组(1a)的正极、负极分别与变频器的正极直流母线、负极直流母线相连；所述采样电路(1)包括设置在负极直流母线上且串接在电解电容组(1a)和IGBT电路(2a)之间的mΩ级的采样电阻R1，采样电路(1)向隔离转换电路(2)输入电压信号V1。
3.根据权利要求2所述的变频器，其特征在于：所述变频器无短路故障时，负阈值电压UL≤电压信号V4≤正阈值电压UH，电压信号V6为高电平，电压信号V9为高电平；所述变频器发生短路故障时，电压信号V6由高电平转为低电平，使电压信号V9由高电平转为低电平且在时间t内，电压信号V9持续为低电平，t≥10μs。
4.根据权利要求2所述的变频器，其特征在于：所述保持电路(4)与处理器CPU的中断引脚相连，处理器CPU的中断设置为下降沿有效；所述电压信号V9由高电平转换为低电平时，处理器CPU控制IGBT电路关断。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的变频器，其特征在于：所述隔离转换电路(2)包括光电耦合器U1和运算放大器U2，采样电阻R1与电解电容组(1a)的负极之间的节点，通过依次串接的电阻R4、电容C6与光电耦合器U1的反相输入端相连，电阻R4与电容C6之间的节点与光电耦合器U1的同相输入端相连，采样电阻R1与IGBT电路(2a)之间的节点与光电耦合器U1的反相输入端相连，光电耦合器U1的输出端正极、输出端负极分别与运算放大器U2的同相输入端、反相输入端相连，运算放大器U2的输出端与比较电路(3)相连。
6.根据权利要求5所述的变频器，其特征在于：所述光电耦合器U1的输出端正极通过电阻R7与运算放大器U2的同相输入端相连，光电耦合器U1的输出端负极通过电阻R8与运算放大器U2的反向输入端相连，电阻R7＝电阻R8；所述运算放大器U2的同相输入端通过电阻R9与接地GND相连，电容C16与电阻R9并联，运算放大器U2的反向输入端通过电阻R12与运算放大器U2的输出端相连，电容C17与电阻R12并联，电阻R9＝电阻R12；所述运算放大器U2的输出端通过依次串联的电阻R13、电阻R16与+5V电源相连，电阻R13＝电阻R16，电阻R13和电阻R16之间的节点与比较电路(3)相连。
7.根据权利要求6所述的变频器，其特征在于：所述隔离转换电路(2)还包括供电电路，供电电路包括电阻R2、稳压二极管ZD3和电容C4，N+15V电源通过电阻R2与稳压二极管ZD3的阴极相连，负极直流母线与稳压二极管ZD3的阳极相连，电容C4与稳压二极管ZD3并联，稳压二极管ZD3的阴极、阳极分别与光电耦合器U1的第1脚、第4脚相连，为光电耦合器U1的输入端提供工作电源；所述N+15V电源和负极直流母线之间还串接有电容C1；+5V电源、接地GND分别与光电耦合器U1的第8脚、第5脚相连，为光电耦合器U1的输出端提供工作电源，光电耦合器U1的第8脚还通过电容C37与接地GND相连。
8.根据权利要求2-4任意一项所述的变频器，其特征在于：所述比较电路(3)包括比较器U3，比较器U3包括比较器U3A和比较器U3B，比较器U3A的正脚与正阈值电压UH发生电路(31)相连，比较器U3B的负脚与负阈值电压UL发生电路(32)相连，比较器U3A的负脚与比较器U3B的正脚相连后，与隔离转换电路(2)相连，比较器U3A的输出端和比较器U3B的输出端相连后，与保持电路(4)相连。
9.根据权利要求8所述的变频器，其特征在于：所述正阈值电压UH发生电路(31)包括依次串接在+5V电源和接地GND之间的电阻R22和电阻R19，电阻R22和电阻R19之间的节点与比较器U3A的正脚相连；所述负阈值电压UL发生电路(32)包括依次串接在+5V电源和接地GND之间的电阻R20和电阻R21，电阻R20和电阻R21之间的节点与比较器U3B的负脚相连。
10.根据权利要求8所述的变频器，其特征在于：所述比较器U3通过电阻R18与隔离转换电路(2)相连，电阻R18和比较器U3之间的节点通过电容C21接地，且与电压钳位电路(33)相连，电压钳位电路(33)包括由二极管D1A和二极管D1B组成的二极管组D1，二极管D1A的阴极与+5V电源相连，阳极与二极管D1B的阴极相连，二极管D1B的阳极与接地GND相连。
所述比较器U3和保持电路(4)之间的节点，通过电阻R25与+5V电源相连；+15V电源、接地GND分别与比较器U3A相连，为比较器U3提供工作电源，比较器U3A与+15V电源之间的节点通过电容C24与接地GND相连。
所述保持电路(4)包括施密特触发器和充放电电路(40)，充放电电路(40)与施密特触发器相连，充放电电路(40)包括电容C27，电压信号V6由高电平转为低电平时，电容C27开始放电，当电容C27两端的电压UC2＜负阈值电压VT-时，施密特触发器向处理器CPU输入的电压信号V9由高电平转为低电平，且在时间t内电压信号V9持续为低电平，t≥10μs，处理器CPU控制IGBT电路(2a)关断。
所述处理器CPU控制IGBT电路(2a)关断后，采样电阻R1无电流通过，则负阈值电压UL≤电压信号V4≤正阈值电压UH，电压信号V6由低电平转为高电平，电容C27开始充电，当电容C27两端的电压UC27＞正阈值电压VT+时，施密特触发器向处理器CPU输出的电压信号V9由低电平转为高电平。
所述施密特触发器包括施密特触发反相器U4A、施密特触发反相器U4D、施密特触发反相器U4E以及施密特触发反相器U4F，充放电电路(40)包括电容C27、电阻R27、二极管组D2和电阻R29，比较电路(3)与施密特触发反相器U4A的输入端相连，施密特触发反相器U4A的输出端与施密特触发反相器U4E输入端相连，施密特触发反相器U4D的输出端通过依次串接的二极管组D2、电阻R29与施密特触发反相器U4E的输入端相连，施密特触发反相器U4E与电阻R29之间的节点通过电容C27与接地GND相连，且通过电阻R27与施密特触发反相器U4D的输出端相连，二极管组D2包括二极管D2A和二极管D2B，二极管D2A的阳极与二极管D2B的阳极相连后，与电阻R29相连，二极管D2A的阴极和二极管D2B的阴极相连后，与施密特触发反相器U4D的输出端相连，施密特触发反相器U4E的输出端与施密特触发反相器U4F的输入端相连，施密特触发反相器U4F的输出端与处理器CPU相连。
所述保持电路(4)还包括电阻R26、电容C25、电阻R30、电容C29，比较电路(3)通过电阻R26与施密特触发反相器U4A的输入端相连，电阻R26与施密特触发反相器U4A之间的节点通过电容C25与接地GND相连，施密特触发反相器U4F的输出端通过电阻R30与处理器CPU相连，电阻R30与处理器CPU之间的节点通过电容C29与接地GND相连。
所述施密特触发反相器U4A还分别与+5V电源、接地GND相连。
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