CN216598976U - 智能功率模块的短路保护装置、变频器和伺服*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能功率模块的短路保护装置、变频器和伺服***，所述装置包括：短路检测电路，短路检测电路与智能功率模块的三相桥臂相连，短路检测电路检测到三相桥臂发生短路时输出短路信号；触发电路，触发电路与短路检测电路相连，触发电路接收到短路信号时关断输出至三相桥臂的六路控制信号。本实用新型的短路保护装置，在三相桥臂发生短路时，断开输出至三相桥臂的六路控制信号，以使智能功率模块中没有电流通路，及时可靠的实现了短路保护。

Description

智能功率模块的短路保护装置、变频器和伺服***

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种智能功率模块的短路保护装置、一种变频器和一种伺服***。

背景技术

智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动器件。由于具有高集成度、高可靠性等优势，智能功率模块赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动和变频家电常用的电力电子器件。

在智能功率模块运行中会出现短路的情况，为了防止短路造成的模块损坏，相关技术中在检测出智能功率模块发生短路时，只关断三相桥臂的下桥臂，这种情况下桥臂外部仍然存在电流，造成智能功率模块损坏，甚至出现安全故障。相关技术中还提出了使用控制器实现软件保护的方式，这种方式存在各种延时问题，在短路耐受能力不强的智能功率模块应用场景中并不适用，通用性较差。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种智能功率模块的短路保护装置。

本实用新型的第二个目的在于提出一种变频器。

本实用新型的第三个目的在于提出一种伺服***。

为达到上述目的，本实用新型第一方面提出了智能功率模块的短路保护装置，包括：短路检测电路，短路检测电路适于与智能功率模块的三相桥臂相连，短路检测电路检测到三相桥臂发生短路时输出短路信号；触发电路，触发电路与短路检测电路相连，触发电路接收到短路信号时关断输出至三相桥臂的六路控制信号。

根据本实用新型的智能功率模块的短路保护装置，在短路检测电路检测到三相桥臂发生短路时输出短路信号，触发电路接收到短路信号时关断输出至三相桥臂的六路控制信号。由此，该装置能够在三相桥臂发生短路时，断开输出至三相桥臂的六路控制信号，以使智能功率模块中没有电流通路，及时可靠的实现了短路保护。

另外，根据本实用新型上述的智能功率模块的短路保护装置，还可以具有如下的附加技术特征：

进一步地，上述的智能功率模块的短路保护装置，还包括设置在短路检测电路和触发电路之间的隔离电路，隔离电路分别对输出至触发电路的短路信号和输出至三相桥臂的六路控制信号进行隔离。

具体地，隔离电路包括第一高速光耦和第二高速光耦，第一高速光耦连接在短路检测电路的输出端与触发电路的输入端之间，第二高速光耦连接在触发电路的输出端与智能功率模块的控制信号输入端之间。

具体地，触发电路包括缓存电路，缓存电路通过使能端接收到短路信号时停止输出六路控制信号。

具体地，短路检测电路包括电流检测单元和比较单元，电流检测单元检测流过每相桥臂的电流以生成检测电压，比较单元对检测电压与预设基准电压进行比较，并在检测电压大于预设基准电压时生成短路信号。

具体地，比较单元设置在智能功率模块内部。

具体地，比较单元的输出端连接到智能功率模块的短路保护引脚，以向触发电路输出短路信号。

具体地，电流检测单元包括采样电阻，采样电阻的一端接地，采样电阻的另一端与比较单元的输入端相连，且三相桥臂的下桥臂连接在一起后与采样电阻的另一端相连。

为达到上述目的，本实用新型第二方面提出了一种变频器，包括：智能功率模块；上述的智能功率模块的短路保护装置，短路保护装置对智能功率模块进行短路保护。

根据本实用新型的变频器，通过上述的智能功率模块的短路保护装置，能够及时可靠的实现了短路保护，提高变频器的可靠性。

为达到上述目的，本实用新型第三方面提出的一种伺服***，包括：智能功率模块；上述的短路保护装置，短路保护装置对智能功率模块进行短路保护。

根据本实用新型的伺服***，通过上述的智能功率模块的短路保护装置，能够及时可靠的实现了短路保护，提高伺服***运行的可靠性。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例的智能功率模块的短路保护装置的方框示意图；

图2为根据本实用新型一个实施例的智能功率模块的短路保护装置的示意图；

图3为根据本实用新型一个实施例的智能功率模块的短路保护装置的方框示意图；

图4为根据本实用新型另一个实施例的智能功率模块的短路保护装置的方框示意图；

图5为根据本实用新型一个实施例的变频器的方框示意图；

图6为根据本实用新型一个实施例的伺服***的方框示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图描述本实用新型实施例提出的智能功率模块的短路保护装置、变频器和伺服***。

本申请是发明人基于以下研究做出的：

目前的IPM模块内置有保护电路，当IPM模块发生短路时，下桥臂母线采样电阻采集到一个大的电压，将此电压送入IPM模块内部，与IPM模块内部设置的参考电压进行比较，如果采样电压大于参考电压，说明IPM模块发生短路，此时IPM模块关断三相下桥臂并同时输出低电平信号。然而，在IPM模块短路时，只关断三相桥臂的下桥臂，但在实际的复杂应用环境中，还存在这种情况：当IPM模块的三相下桥臂中某一相的IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)外部发生短路时，IPM模块内部关断了下桥臂的IGBT，但IGBT外部已经短路，即使内部关断，外部的电流通路仍然存在，此时必然造成IPM模块损坏，甚至会造成一些安全事故。

另外，相关技术中还通过控制器实现软件保护，当IPM模块发生短路时，发出低电平控制信号通过光耦传输到控制器，通过软件程序判断低电平信号的电平，当低电平信号的电平发生变化时，通过控制程序关断控制器的6路PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)波输出，以实现短路保护。但是，在实际应用案例中，由于光耦延时，信号传输线路延时，软件延时等各种延时问题，通常保护延时在数微秒甚至十微秒以上，而IPM 模块的短路耐受时间通常只在几微秒，因此，软件保护方案在短路耐受能力不强的IPM模块应用场景并不适用，通用性不好。

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种智能功率模块的短路保护装置，触发电路在三相桥臂发生短路时，直接断开输出至三相桥臂的六路控制信号，以使智能功率模块中没有电流通路，及时可靠的实现了短路保护，并且使用纯电路的方式进行短路保护，可以有效避免信号延时，软件延时等问题。

图1为根据本实用新型实施例的智能功率模块的短路保护装置的方框示意图。

如图1所示，本实用新型实施例的智能功率模块的短路保护装置可包括：短路检测电路10和触发电路20。

其中，短路检测电路10适于与智能功率模块30的三相桥臂相连，短路检测电路10检测到三相桥臂发生短路时输出短路信号。触发电路20与短路检测电路10相连，触发电路20接收到短路信号时关断输出至三相桥臂的六路控制信号。可以理解的是，在IPM模块正常工作过程中，六路控制信号能经过对应的驱动电路进行驱动放大后输入到对应桥臂的IGBT管的控制极，以控制其进行开关状态切换，最终输出对应的三相驱动信号以驱动电机的正常运行。在本实用新型的一个实施例中，六路控制信号一般为PWM控制信号，在下述实施例中，均以六路信号为PWM控制信号为例进行说明。

具体地，如图2所示，IPM模块(智能功率模块30)中的三相桥臂可包括三相上桥臂和三相下桥臂，三相上桥臂和三相下桥臂分别包括三个IGBT管(如，三相上桥臂包括T1、 T2和T3，三相下桥臂包括：T4、T5和T6，其中，T1-T6为对应IGBT管的标号)，每一路 PWM控制信号的输出端连接对应的每一个IGBT的控制极，以控制其进行开关状态切换。其中，六路PWM控制信号分别与三相上桥臂中的T1、T2和T3的控制极、三相下桥臂中的T4、 T5和T6的控制极相连，三相下桥臂中的T1、T2和T3的第一端分别与供电电源的正极相连，三相上桥臂中的T1、T2和T3的第二端分别与三相下桥臂中的T4、T5和T6的第一端相连，三相下桥臂中的T4、T5和T6的第二端连接在一起，并且三相上桥臂中的T1、T2和 T3的第二端与三相下桥臂中的T4、T5和T6的第一端之间分别具有输出节点，用于驱动电机负载工作(图中未示出)。在本实用新型的一个实施例中，上述实施例中的T1-T6可以为 N型开关管，也可以为P型开关管。

短路检测电路10与IPM模块的三相桥臂相连(包括三相上桥臂和三相下桥臂)，例如，三相下桥臂中的T4、T5和T6的第二端连接在一起后再与短路检测电路10相连，当检测出电流值突然变大，超出正常工作时的阈值时，认为三相下桥臂中的IGBT出现了短路现象，此时短路检测电路10输出短路信号。触发电路20在接收到短路信号时，直接关断输出至 IPM模块的六路PWM控制信号，即立即停止向三相上桥臂和三相下桥臂输出PWM控制信号。由于三相桥臂中的6个IGBT均未接收到PWM控制信号，所以都处于关断状态，即使三相下桥臂中的IGBT已经短路不能关断，但是由于三相上桥臂的IGBT已经处于关断状态，基于三相下桥臂和三相上桥臂中IGBT的连接关系可知，在三相上桥臂处于关断的情况下，三相下桥臂中也不会有电流流过，由此实现了下桥臂短路保护。

根据本实用新型的一个实施例，如图3所示，上述的短路保护装置，还包括：隔离电路40，隔离电路40设置在触发电路20与短路检测电路10之间，隔离电路40用于对短路检测电路10输出至触发电路20的短路信号进行隔离，还用于对触发电路20输出至三相桥臂的六路控制信号进行隔离。由此可以实现信号的单相传输，使输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定。

为了解决光耦延时的问题，目前的隔离电路30采用普通的光耦隔离，该类光耦可包括三极管和驱动放大电路，由于光耦工作在线性区的响应时间有限制，所以会出现延时的情况，在本实用新型的一个实施例中，隔离电路40可包括第一高速光耦41和第二高速光耦 42，其中，第一高速光耦41连接在短路检测电路10的输出端与触发电路20的输入端之间，第二高速光耦42连接在触发电路20的输出端与智能功率模块30的控制信号输入端之间。

参见图2和图3所示，第一高速光耦41设置在触发电路20的输入端和短路检测电路10的输出端，通过使用高速光耦将短路信号传输到触发电路20的输入端，以便触发电路 20根据短路信号采取相应的措施，这样可以有效避免光耦延时，信号传输的延时等问题，提高了响应速度，可以适用在短路耐受能力不强的IPM模块的应用场景中，通用性较强。第二高速光耦42设置在智能功率模块30的控制信号输入端和触发电路20的输出端之间，可以对触发电路20发送的六路PWM控制信号进行信号隔离，同时还能在控制信号不能满足要求时，进行电平转换，例如，触发电路20提供的是3.3V供电，需要输出5V方波，此时光耦可以起到电平转换的作用。

可以理解的是，光耦的工作原理为，在光耦的输入端施加电信号使发光器件发光时，光敏器件感光而产生光电流，从而实现了电-光-电之间的转换。另外，高速光耦包括光敏二极管和放大驱动电路，普通光耦包括光耦三极管和放大驱动电路，其中，光敏二极管的响应速度是纳秒级的，而光耦三极管的响应速度是微秒级的，因此，采用高速光耦可以加快响应速度，降低延时。

在本实用新型的一个实施例中，触发电路20可以为缓存电路，缓存电路20通过使能端EN接收到短路信号时，停止输出六路控制信号。

也就是说，在IPM模块正常工作时，缓存电路的使能端EN接收到的信号为高电平信号，而在IPM模块短路时，缓存电路的使能端EN接收的信号为低电平信号，即不允许缓存电路向IPM模块输出控制信号，立即停止向IPM模块的六个IGBT的栅极输出控制信号。

在本实用新型的一个实施例中，如图4所示，短路检测电路10可包括电流检测单元11 和比较单元42，电流检测单元11检测流过每相桥臂的电流以生成检测电压，比较单元12对检测电压与预设基准电压进行比较，并在检测电压大于预设基准电压时生成短路信号。其中，比较单元12设置在智能功率模块30内部。其中，预设基准电压可根据实际情况进行标定，例如，可以为IPM模块正常工作时的电压，也可以具有一定的阈值。

参照图2和图4，在本实用新型的一个实施例中，比较单元12的输出端连接到智能功率模块30的短路保护引脚，以向触发电路20输出短路信号。

参照图2所示，在本实用新型的一个实施例中，电流检测单元11可包括采样电阻R，采样电阻R的一端接地(相当于电源负极)，采样电阻R的另一端与比较单元12的输入端相连，且三相桥臂的下桥臂连接在一起后与采样电阻R的另一端相连。

具体而言，结合图2和图4进行说明，IPM模块正常工作时，6个IGBT按照一定组合顺序开关，IPM模块的短路保护引脚Vfo输出高电平信号，以使缓存电路的使能端EN正常工作，缓冲电路能够正常输出六路PWM控制信号。假设三相下桥臂中的T4短路，此时T4 不受PWM控制信号的控制，始终保持开通状态，当与T4相连的T1开通时，上下桥臂直通，进入短路状态。

在IPM模块处于短路状态时，会产生较大的电流，因此可通过电流检测单元11采集IPM 模块的输出电流，并通过三相下桥臂的母线采样电阻(采样电阻R)将采集到的电流转换为检测电压，然后根据检测电压值来确定IPM模块是否处于短路状态。例如，比较单元12将该检测电压与IPM模块中的内置的一个基准电压Vcin(预设基准电压)进行比较，其中，当检测电压小于等于基准电压Vcin时，说明IPM模块工作正常；当检测电压大于基准电压Vcin时，说明IPM模块发生短路，IPM模块的短路保护引脚Vfo输出低电平信号，通过一个高速光耦隔离后将此低电平信号接入缓存电路的使能端EN，使缓存电路掉使能，6路PWM 控制信号关断。当6路PWM控制信号关断后，6个IGBT关断(T1-T6关断)。此时，即使三相下桥臂已短路不能关断，但三相上桥臂已经关断，IPM模块中的6个IGBT均无电流流过，实现三相下桥臂短路保护。

需要说明的是，上述实施例是以T4短路为例进行说明，同样地，即使T5或者T6，或者两个及以上同时短路，都可以实现短路保护。另外，当三相上桥臂中的IGBT短路，本申请也同样适用。此外，还可以定义为IPM模块的短路保护引脚输出低电平时为正常工作状态，相对应的输出为高电平为短路状态，此处不做限定。

综上所述，根据本实用新型的智能功率模块的短路保护装置，能够在三相桥臂发生短路时，断开输出至三相桥臂的六路控制信号，以使智能功率模块中没有电流通路，及时可靠的实现了短路保护。

对应上述实施例，本实用新型还提出了一种变频器。

图5为根据本实用新型一个实施例的变频器的方框示意图，如图5所示，本实用新型的变频器200，包括：智能功率模块30和上述的智能功率模块的短路保护装置100，短路保护装置100对智能功率模块30进行短路保护。

根据本实用新型的变频器，通过上述的短路保护装置，能够及时可靠的实现了短路保护，提高变频器的可靠性。

对应上述实施例，本实用新型还提出了一种伺服***。

图6为根据本实用新型一个实施例的伺服***的方框示意图，如图6所示，本实用新型的伺服***300可包括：智能功率模块30和上述的短路保护装置100，短路保护装置100对智能功率模块30进行短路保护。

根据本实用新型的伺服***，通过上述的短路保护装置，能够及时可靠的实现了短路保护，提高伺服***运行的可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种智能功率模块的短路保护装置，其特征在于，包括：

短路检测电路，所述短路检测电路适于与所述智能功率模块的三相桥臂相连，所述短路检测电路检测到所述三相桥臂发生短路时输出短路信号；

触发电路，所述触发电路与所述短路检测电路相连，所述触发电路接收到所述短路信号时关断输出至所述三相桥臂的六路控制信号。

2.如权利要求1所述的短路保护装置，其特征在于，还包括设置在所述短路检测电路和触发电路之间的隔离电路，所述隔离电路分别对输出至所述触发电路的短路信号和输出至所述三相桥臂的六路控制信号进行隔离。

3.如权利要求2所述的短路保护装置，其特征在于，所述隔离电路包括第一高速光耦和第二高速光耦，所述第一高速光耦连接在所述短路检测电路的输出端与所述触发电路的输入端之间，所述第二高速光耦连接在所述触发电路的输出端与所述智能功率模块的控制信号输入端之间。

4.如权利要求1-3中任一项所述的短路保护装置，其特征在于，所述触发电路包括缓存电路，所述缓存电路通过使能端接收到所述短路信号时停止输出六路控制信号。

5.如权利要求1-3中任一项所述的短路保护装置，其特征在于，所述短路检测电路包括电流检测单元和比较单元，所述电流检测单元检测流过每相桥臂的电流以生成检测电压，所述比较单元对所述检测电压与预设基准电压进行比较，并在所述检测电压大于所述预设基准电压时生成所述短路信号。

6.如权利要求5所述的短路保护装置，其特征在于，所述比较单元设置在所述智能功率模块内部。

7.如权利要求6所述的短路保护装置，其特征在于，所述比较单元的输出端连接到所述智能功率模块的短路保护引脚，以向所述触发电路输出所述短路信号。

8.如权利要求5所述的短路保护装置，其特征在于，所述电流检测单元包括采样电阻，所述采样电阻的一端接地，所述采样电阻的另一端与所述比较单元的输入端相连，且所述三相桥臂的下桥臂连接在一起后与所述采样电阻的另一端相连。

9.一种变频器，其特征在于，包括：

智能功率模块；

根据权利要求1-8中任一项所述的短路保护装置，所述短路保护装置对所述智能功率模块进行短路保护。

10.一种伺服***，其特征在于，包括：

智能功率模块；

根据权利要求1-8中任一项所述的短路保护装置，所述短路保护装置对所述智能功率模块进行短路保护。

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