一种变频器母线过流保护电路的制作方法

本发明涉及电力电子，具体为一种变频器母线过流保护电路。

背景技术：

1、在变频器实际运行环境中，直流母线过流故障属于高发性且破坏性极强的异常工况，其诱发因素呈现多样化特征。一方面，功率半导体器件如逆变桥臂igbt模块发生短路时，直流母线电流可在微秒级时间内急剧攀升至额定值的数倍以上，远超系统承受能力，不仅造成熔断器熔断失效，还会波及母线连接导线、整流桥结构及滤波电容组等关键部件，严重时引发igbt模块永久性击穿、印刷电路板基材碳化甚至明火燃烧等灾难性后果。另一方面，外部负载突变事件（例如机械传动系统卡滞、传送带打滑失效）、电机内部故障（包括绕组匝间绝缘破损导致的短路）、供电线路老化（如电缆绝缘层劣化引发漏电流），以及控制系统自身缺陷（涵盖电流检测回路失准、驱动信号时序紊乱等），均会触发母线电流非正常增长，进而激活过流保护机制。此类故障的后果梯度显著，轻微时导致变频器强制停机、生产线中断，严重时造成核心功率器件损毁、电气系统瘫痪，甚至威胁操作人员安全，由此产生的设备更换成本与生产停滞损失极为可观，因此构建高效可靠的母线过流保护机制成为变频器产品开发的核心环节。

2、当前工业应用中，变频器母线过流保护主要采用软件保护与硬件保护两种技术路线，但二者均存在难以调和的固有缺陷，无法兼顾保护性能、经济性与结构紧凑性的综合需求。软件保护方案依托主控芯片的运算能力，通过模数转换器周期性采集电流检测电路输出的模拟信号，经数字化处理后与预设阈值进行逻辑比对，最终决策保护动作的触发。该方法的致命短板在于信号处理流程引入的时间延迟，在母线电流瞬时剧增的极端故障场景下，保护响应滞后于故障发展速度，无法及时阻断故障电流的持续扩大，导致igbt等脆弱功率器件失去有效防护。同时，软件保护持续占用主控芯片的运算资源，在复杂工况下可能干扰变频器核心控制算法的实时执行，降低系统整体稳定性。

3、硬件保护方案虽具备响应速度快、不依赖主控资源的优势，但现有实现形式仍面临多重技术瓶颈。首要问题在于检测元件的选择，多数方案依赖直流电流传感器作为前端采样单元，此类传感器不仅采购成本居高不下，且其物理尺寸（特别是磁路孔径）必须随检测电流范围的扩大而增加，直接制约变频器整机结构的小型化设计，与低压变频器市场对紧凑型、低成本产品的迫切需求相矛盾。其次，部分硬件电路拓扑结构过于繁复，涉及额外的控制逻辑单元与大功率开关器件，显著提升电路设计难度与物料成本，同时增加潜在故障点。第三，若干保护电路需配置独立辅助电源以维持工作，这不仅使供电架构复杂化，还引入电源异常导致保护功能失效的隐患。第四，某些方案采用熔断器串联于母线或专用igbt保护模块，前者在故障后必须人工更换才能恢复运行，大幅增加维护周期与成本，后者则因配套驱动电路与散热系统而推高整体体积与价格，且无法覆盖变频器待机状态下的短路故障。此外，基于反时限特性的保护电路通过霍尔元件配合运算放大器、整流电路实现，所需元器件数量众多，导致电路布局拥挤、可靠性下降，进一步抬升制造成本。

4、随着工业自动化装备持续向微型化、经济化及高鲁棒性方向演进，现有变频器母线过流保护技术在动态响应特性、电路集成度、成本控制能力、物理空间占用以及故障覆盖广度等方面的不足日益凸显，难以适应现代工业场景对保护系统瞬时响应能力、精准判定水平与全生命周期经济性的严苛要求。

5、因此我们提出了一种变频器母线过流保护电路来解决上述问题。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种变频器母线过流保护电路，具有实时检测、快速响应、结构紧凑、成本低廉的优点，解决了上述背景技术中所提出的问题。

3、（二）技术方案

4、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

5、一种变频器母线过流保护电路，包括依次电性连接的采样模块、比较判断模块与信号整形模块；

6、所述采样模块用于采集变频器直流母线电流并转换为电压采样信号输出；

7、所述比较判断模块内置固定电压基准阈值，接收所述电压采样信号并与基准阈值实时比对，母线过流时输出隔离式故障电平信号；

8、所述信号整形模块接收所述故障电平信号并对波形整形后输出标准保护触发信号至变频器主控单元。

9、进一步地，所述采样模块包括多路并联采样电阻、钳位保护二极管d2及运算放大单元；多组采样电阻串联于变频器直流母线回路以采集母线电流，所述钳位保护二极管并联于采样电阻输出端，用于限制采样电压幅值，采样电阻输出电流信号经所述运算放大单元比例放大后输出电压采样信号。

10、进一步地，所述多路并联采样电阻包括ra1、ra2、ra3、ra4，四者并联构成等效采样电阻r；所述运算放大单元采用双通道运算放大器u4b，运算放大单元输出电压满足关系式：vout=i×r×(r11/r9)，其中i为直流母线实际电流，r9、r11为运算放大单元配套分压反馈电阻。

11、进一步地，所述钳位保护二极管选用lbav99高速二极管，二极管双向钳位将采样输入电压限制在±0.7v，阻断瞬时过压冲击，防止后级运算放大器击穿损坏；采样模块还配置有滤波电容c6、c7、c12，滤除母线高频杂波干扰。

12、进一步地，所述比较判断模块包括基准电压发生单元、电压比较单元、稳压钳位单元及高速隔离光耦单元单元；所述基准电压发生单元输出恒定阈值电压供给电压比较单元，电压比较单元对比采样电压与阈值电压输出比较电平，稳压钳位单元对比较单元输出电平限幅，高速隔离光耦单元单元隔离传输比较电平并输出故障电平信号。

13、进一步地，所述基准电压发生单元包含tl431基准芯片u3、限流电阻r1、防冲击快恢复二极管d1；所述限流电阻r1串联于供电端与u3输入端，限制基准支路工作电流；防冲击快恢复二极管d1反向并联于u3供电输入端，抑制上电瞬间+vnp高压冲击，u3稳定输出2.5v基准电压作为过流判定阈值；

14、所述电压比较单元采用双通道运算放大器u4a构成电压比较器；所述稳压钳位单元选用5.1v稳压二极管z1，稳压二极管z1型号为lmbz5231bltig，z1并联于u4a输出端，正常母线电流工况下将u4a输出电压钳位至5.1v；

15、所述高速隔离光耦单元单元为6n137高速光耦u1，光耦初级两端分别连接u4a输出端与基准地，光耦次级配置上拉电阻r3接+5v供电；当采样模块输出vout＞2.5v时，u4a输出低电平，光耦初级形成压差导通，次级输出低电平故障信号；当vout＜2.5v时，u4a输出被z1钳位至5.1v，光耦初级无压差截止，次级维持高电平正常信号；比较判断模块还配置滤波电容c1、c2、c5，稳定基准电压与比较输入信号。

16、进一步地，所述信号整形模块包括施密特触发器、输入限流电阻及滤波电容；所述限流电阻串联于整形模块输入端，接收比较判断模块输出的故障电平信号，施密特触发器对存在抖动、边沿畸变的光耦输出波形整形，输出规整矩形波标准保护触发信号。

17、进一步地，所述施密特触发器u2采用双路反相施密特芯片aip74lvc2g14；所述限流电阻为r6，滤波电容包含c3、c4并联于触发器输入引脚与地之间；光耦输出的vo电平经r6限流送入施密特触发器输入端，触发器输出端输出整形后vce电平至变频器主控dsp。

18、进一步地，所述电路适用于变频器待机短路、igbt直通短路、电机负载卡阻、绕组匝间短路多类母线过流故障检测保护；电路整体采用sot23小型封装器件布局，无大孔径电流传感器，缩小变频器整机安装体积。

19、（三）有益效果

20、与现有技术相比，本发明提供了一种变频器母线过流保护电路，具备以下有益效果：

21、本发明，包括依次电性连接的采样模块、比较判断模块与信号整形模块；采样模块用于采集变频器直流母线电流并转换为电压采样信号输出；比较判断模块内置固定电压基准阈值，接收电压采样信号并与基准阈值实时比对，母线过流时输出隔离式故障电平信号；信号整形模块接收故障电平信号并对波形整形后输出标准保护触发信号至变频器主控单元，通过硬件电路实现直流母线电流的实时监测与快速保护触发，具有实时检测、快速响应、结构紧凑、成本低廉的优点。