一种输出脉宽可调节的IGBT母线过流检测电路的制作方法

一种输出脉宽可调节的igbt母线过流检测电路
技术领域
1.本发明属于伺服驱动器领域，具体涉及一种输出脉宽可调节的igbt母线过流检测电路。


背景技术：

2.伺服驱动器产品设计中，igbt的过流检测和保护是预防igbt损坏的重点。igbt自身的短路耐受时间一般在10us以内，软件采样保护的方式受到电流环控制周期的因素，无法保证短路过流发生时的保护响应，故通常使用硬件检测的方式处理此类警报。
3.传统的硬件解决方法有：
4.方法一：电机相电流采样比较输出警报线路，此方案通过对电机输出相电流实时监测，利用比较器线路设定过流检测门限，发生过流时触发输出警报，继而中断igbt开通，达到过流检测警报的效果。
5.电机相电流采样比较输出警报线路方案的缺点是：实际应用中，利用霍尔传感器或者线性光耦加运放模拟线路采样得到的相电流检测的精度是难以保证的。批量生产中，过流检测线路实际触发电流门限的一致性较差，抗干扰性较差。
6.方法二：igbt的ce极过饱和检测输出警报线路，是一种有源钳位保护；利用带有igbt过饱和检测的栅极驱动芯片，检测短路发生时igbt发生过饱和从而vce快速升高超过线路设定门限，触发并输出过流警报。
7.igbt的ce极过饱和检测输出警报线路的缺点是：该线路较依赖igbt的ce极饱和电压uce sat值的准确稳定，应对不同igbt厂家的产品，线路参数需要做出调整，否则极易出现误警报或警报不及时等故障。该方案测试验证周期长，硬件线路通用性较差，对栅极驱动芯片和igbt的性能要求较高，硬件成本高。


技术实现要素：

8.本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种输出脉宽可调节的igbt母线过流检测电路，通过igbt母线低侧的毫欧电阻采样电流，转换的电压值通过运放器放大后和门限电压比较，比较器输出信号驱动隔离光耦，输出过流警报，对母线电流的采样，最直接的判断igbt是否存在过流的检测，电路的实际检测效果无关igbt及其驱动控制线路元器件和方案的选择。
9.为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
10.一种输出脉宽可调节的igbt母线过流检测电路，包括：电流采样放大单元、门限比较单元和警报信号输出单元；
11.所述电流采样放大单元的输入端接入igbt母线，所述电流采样放大单元的输出端信号连接所述门限比较单元的输入端，所述门限比较单元的输出端信号连接所述警报信号输出单元；
12.所述电流采样放大单元，用于对igbt母线进行电流采样，并对电流采样得到的电
压信号进行滤波和放大处理，将处理后的电压信号输出到门限比较单元；
13.所述门限比较单元，用于将电流采样放大单元输入的电压信号与自身的过流检测的触发门限电压比较；若电压信号大于触发门限电压，即发生过流故障报警后，发出控制信号开启警报信号输出单元的光耦的发光二极管，同时拉低自身的过流检测的触发门限电压；若电压信号大于触发门限电压，即过流故障报警消失后，发出控制信号关闭警报信号输出单元的光耦的发光二极管，通过改变自身电阻r3的阻值，达到警报输出脉宽可调的效果；
14.所述警报信号输出单元，用于将门限比较单元发出的控制信号进行隔离后输出数字信号，并对数字信号进行整形后，输出单片机可读的过流警报故障电平信号。
15.可以理解：通过igbt母线低侧的毫欧电阻采样电流，转换的电压值通过运放器放大后和门限电压比较，比较器输出信号驱动三极管开通控制隔离光耦输出过流警报信号。同时警报发生后利用二极管的整流钳位，降低比较器门限电压，达到了过流时警报输出响应快，延时关闭警报至过流彻底消失，提高警报信号的输出脉宽的效果。解决了现有方案硬件检测igbt过流线路抗干扰能力差的问题。
16.进一步，所述电流采样放大单元包括：采样电阻res1、运算放大器u3a、电阻r2、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r12、电容c1和电容c7；
17.所述采样电阻res1的两端接igbt母线的输入端和输出端，所述电阻r8的一端同时接采样电阻res1的一端和接地，所述电阻r9的一端接采样电阻res1的另一端，所述电阻r9的另一端接运算放大器u3a的2脚，所述电阻r8的另一端接运算放大器u3a的3脚，所述运算放大器u3a的4脚接-15v电压，所述运算放大器u3a的8脚接 15v电压，所述运算放大器u3a的1脚接电阻r7的一端，所述电容c1和电阻r2的一端同时接入所述运算放大器u3a的3脚，所述电容c1的另一端接电阻r2的另一端，所述电阻r2的另一端接地；所述电阻r12和电容c7的一端同时接入所述运算放大器u3a的2脚，所述电阻r12和电容c7的另一端同时接电阻r7的一端。
18.进一步，所述门限比较单元包括：比较器u3b、电压基准源uw1、稳压管dz1、三极管q1、肖特基二极管dk1、电阻r1、电阻r3、电阻r5、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电容c3、电容c6和电容c8；
19.所述电阻r7的另一端接比较器u3b的5脚，所述比较器u3b的6脚同时接电阻r14的一端和肖特基二极管dk1的1端口，所述肖特基二极管dk1的2端口接电阻r3的一端，所述电阻r3的另一端同时接电阻r5和电阻r1的一端，所述电阻r1的另一端接 15v电压，所述电阻r5的另一端接三极管q1的集电极，所述电阻r14的另一端同时接电阻r13的一端、电容c8的一端和电压基准源uw1的1、2脚，所述电阻r13的另一端接地，所述电容c8的另一端同时接电压基准源uw1的3脚和接地，所述比较器u3b的7脚接电阻r10的一端，所述电阻r10的另一端接稳压管dz1的输出端，所述稳压管dz1的输入端同时接电阻r11的一端和三极管q1的基极，所述电阻r11的另一端和三极管q1的发射集同时接-15v电压，比较器u3b的8脚同时连接 15v电压和电容c3的一端，电容c3的另一端接地，比较器u3b的4脚同时接-15v电压和电容c6的一端，所述电容c6的另一端接地。
20.进一步，所述警报信号输出单元包括：光耦u1、逻辑与门u2、电阻r4、电容c2、电容c4和电容c5；
21.所述电阻r1的另一端接光耦u1的2脚，所述电阻r5的另一端接光耦u1的3脚，所述
光耦u1的8脚接光耦u1的7脚，所述光耦u1的8脚和光耦u1的7脚同时接 5v电压，所述电阻r4的一端同时接所述光耦u1的8脚和光耦u1的7脚，所述电阻r4的另一端同时接光耦u1的6脚、电容c5的一端和逻辑与门u2的1、2脚，所述电容c4的一端同时接光耦u1的8脚和光耦u1的7脚，所述电容c4的另一端和电容c5的另一端同时接光耦u1的5脚，所述光耦u1的5脚接地；所述逻辑与门u2的3脚接地，所述逻辑与门u2的5脚接 5v电压，所述电容c2的一端接逻辑与门u2的5脚，所述电容c2的另一端接地。
22.进一步，所述电阻r9和电阻r12同时对运算放大器u3a的放大比例进行控制；所述电容c7和电阻r12构成滤波模块，对采样电阻res1的采样电压中的噪声进行滤除。
23.进一步，所述电压基准源uw1和电阻r13构成基准电压，作为过流检测的触发门限电压；
24.所述基准电压信号和电流采样放大单元输出的电压信号经过电阻r7和电阻r8后输入到所述比较器u3b中，当电流采样放大单元输出的电压信号大于过流检测的触发门限电压时，比较器u3b的7脚开始输出开启，当电流采样放大单元输出的电压信号超过稳压管dz1的稳定电压vz后，开启三极管q1，并开通光耦u1。
25.进一步，当光耦u1开通后，光耦u1的2脚电压为：三极管q1的ce极管压降vce与光耦u1内的发光二极管开通正向导通压降vf之和；
26.通过低正向导通压降的肖特基二极管dk1和电阻r3组成的线路将比较器u3b的6脚的过流检测的触发门限电压钳位到光耦u1的2脚电压加肖特基二极管dk的正向管压降vf；此时，比较器u3b的7脚持续输出，保持光耦u1的发光二极管开通，直至电流采样放大单元输出的电压信号降低到比较器u3b的6脚的此时钳位后的参考电平，比较器u3b的7脚关闭输出，光耦u1的发光二极管关闭。
27.进一步，所述逻辑与门u2将光耦u1发出的过流报警信号整型后，输出过流报警信号，即/ocl_o。
28.进一步，igbt母线的电流值为ibus，采样电阻res1采集电流ibus得到的电压值vres＝ibus*rres；所述运算放大器u3a输出放大后的电压信号vop＝vres*r12/r9,即vop＝ibus*rres*r12/r9；
29.此时的比较器u3b的过流检测的触发门限电压vh
th-＝vref＝2.495v，当vop》vh
th-时，即时，过流警报触发输出；
30.过流警报触发输出后，比较器u3b的过流检测的触发门限电压被钳位，钳位后的电压
31.当igbt输出关断，vop降低至vop《vl
th
时，警报输出结束。
32.进一步，所述逻辑与门u2采用74系列逻辑与门u2。
33.可以理解：igbt母线是igbt功率输出的源头，通过采样电阻检测igbt母线电流的方式，是检测igbt是否存在过流最直接的途径；运算放大线路可以放大电阻采样得到的电压信号，可以降低电阻功率损耗，减小电阻本身温度升高带来的负面影响。同时可以提高电流的检测范围。合理的滤波线路削弱了线路中引入噪声对检测线路造成的干扰。门限比较单元的线路在触发过流后自动降低比较参考电压，直到过流消除关闭警报信号的脉冲输
出，此机制极大提高了检测线路的可靠性。
34.与现有技术相比，本发明的优点在于：
35.本发明通过igbt母线低侧的毫欧电阻采样电流，转换的电压值通过运放器放大后和门限电压比较，比较器输出信号驱动隔离光耦，输出过流警报；对母线电流的采样，最直接的判断igbt是否存在过流的检测；线路的实际检测效果无关igbt及其驱动控制线路元器件和方案的选择。
36.本发明的抗干扰性较强，当现场应用中输出电流触发过流门限后，比较器通过自动改变比较参考电压的方式，延时比较器的输出关断的时间，使警报输出线路输出足够的信号脉宽被后级线路捕获；过流消失后下次警报的触发门限自动恢复为电压基准源产生的参考电平信号；故每次触发过流是的门限值仅与电压基准源产生的参考电压相关，不同产品的线路的触发门限一致性高。
附图说明
37.图1、本发明一种输出脉宽可调节的igbt母线过流检测电路的原理框图；
38.图2、本发明一种输出脉宽可调节的igbt母线过流检测电路的连接关系图；
39.图3、本发明脉宽调整前的仿真图；
40.图4、本发明脉宽调整后的仿真图。
具体实施方式
41.下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
42.需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
43.同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
44.实施例1
45.一种输出脉宽可调节的igbt母线过流检测电路，包括：电流采样放大单元、门限比较单元和警报信号输出单元；
46.所述电流采样放大单元的输入端接入igbt母线，所述电流采样放大单元的输出端信号连接所述门限比较单元的输入端，所述门限比较单元的输出端信号连接所述警报信号输出单元；
47.所述电流采样放大单元，用于对igbt母线进行电流采样，并对电流采样得到的电压信号进行滤波和放大处理，将处理后的电压信号输出到门限比较单元；
48.所述门限比较单元，用于将电流采样放大单元输入的电压信号与自身的过流检测的触发门限电压比较；若电压信号大于触发门限电压，即发生过流故障报警后，发出控制信号开启警报信号输出单元的光耦的发光二极管，同时拉低自身的过流检测的触发门限电压；若电压信号大于触发门限电压，即过流故障报警消失后，发出控制信号关闭警报信号输
出单元的光耦的发光二极管，通过改变自身电阻r3的阻值，达到警报输出脉宽可调的效果；
49.所述警报信号输出单元，用于将门限比较单元发出的控制信号进行隔离后输出数字信号，并对数字信号进行整形后，输出单片机可读的过流警报故障电平信号。
50.可以理解：通过igbt母线低侧的毫欧电阻采样电流，转换的电压值通过运放器放大后和门限电压比较，比较器输出信号驱动三极管开通控制隔离光耦输出过流警报信号。同时警报发生后利用二极管的整流钳位，降低比较器门限电压，达到了过流时警报输出响应快，延时关闭警报至过流彻底消失，提高警报信号的输出脉宽的效果。解决了现有方案硬件检测igbt过流线路抗干扰能力差的问题。
51.进一步，所述电流采样放大单元包括：采样电阻res1、运算放大器u3a、电阻r2、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r12、电容c1和电容c7；
52.所述采样电阻res1的两端接igbt母线的输入端和输出端，所述电阻r8的一端同时接采样电阻res1的一端和接地，所述电阻r9的一端接采样电阻res1的另一端，所述电阻r9的另一端接运算放大器u3a的2脚，所述电阻r8的另一端接运算放大器u3a的3脚，所述运算放大器u3a的4脚接-15v电压，所述运算放大器u3a的8脚接 15v电压，所述运算放大器u3a的1脚接电阻r7的一端，所述电容c1和电阻r2的一端同时接入所述运算放大器u3a的3脚，所述电容c1的另一端接电阻r2的另一端，所述电阻r2的另一端接地；所述电阻r12和电容c7的一端同时接入所述运算放大器u3a的2脚，所述电阻r12和电容c7的另一端同时接电阻r7的一端。
53.进一步，所述门限比较单元包括：比较器u3b、电压基准源uw1、稳压管dz1、三极管q1、肖特基二极管dk1、电阻r1、电阻r3、电阻r5、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电容c3、电容c6和电容c8；
54.所述电阻r7的另一端接比较器u3b的5脚，所述比较器u3b的6脚同时接电阻r14的一端和肖特基二极管dk1的1端口，所述肖特基二极管dk1的2端口接电阻r3的一端，所述电阻r3的另一端同时接电阻r5和电阻r1的一端，所述电阻r1的另一端接 15v电压，所述电阻r5的另一端接三极管q1的集电极，所述电阻r14的另一端同时接电阻r13的一端、电容c8的一端和电压基准源uw1的1、2脚，所述电阻r13的另一端接地，所述电容c8的另一端同时接电压基准源uw1的3脚和接地，所述比较器u3b的7脚接电阻r10的一端，所述电阻r10的另一端接稳压管dz1的输出端，所述稳压管dz1的输入端同时接电阻r11的一端和三极管q1的基极，所述电阻r11的另一端和三极管q1的发射集同时接-15v电压。
55.进一步，所述警报信号输出单元包括：光耦u1、逻辑与门u2、电阻r4、电容c2、电容c4和电容c5；
56.所述电阻r1的另一端接光耦u1的2脚，所述电阻r5的另一端接光耦u1的3脚，所述光耦u1的8脚接光耦u1的7脚，所述光耦u1的8脚和光耦u1的7脚同时接 5v电压，所述电阻r4的一端同时接所述光耦u1的8脚和光耦u1的7脚，所述电阻r4的另一端同时接光耦u1的6脚、电容c5的一端和逻辑与门u2的1、2脚，所述电容c4的一端同时接光耦u1的8脚和光耦u1的7脚，所述电容c4的另一端和电容c5的另一端同时接光耦u1的5脚，所述光耦u1的5脚接地；所述逻辑与门u2的3脚接地，所述逻辑与门u2的5脚接 5v电压，所述电容c2的一端接逻辑与门u2的5脚，所述电容c2的另一端接地。
57.进一步，所述电阻r9和电阻r12同时对运算放大器u3a的放大比例进行控制；所述
电容c7和电阻r12构成滤波模块，对采样电阻res1的采样电压中的噪声进行滤除。
58.进一步，所述电压基准源uw1和电阻r13构成基准电压，作为过流检测的触发门限电压；
59.所述基准电压信号和电流采样放大单元输出的电压信号经过电阻r7和电阻r8后输入到所述比较器u3b中，当电流采样放大单元输出的电压信号大于过流检测的触发门限电压时，比较器u3b的7脚开始输出开启，当电流采样放大单元输出的电压信号超过稳压管dz1的稳定电压vz后，开启三极管q1，并开通光耦u1。
60.进一步，当光耦u1开通后，光耦u1的2脚电压为：三极管q1的ce极管压降vce与光耦u1内的发光二极管开通正向导通压降vf之和；
61.通过低正向导通压降的肖特基二极管dk1和电阻r3组成的线路将比较器u3b的6脚的过流检测的触发门限电压钳位到光耦u1的2脚电压加肖特基二极管dk的正向管压降vf；此时，比较器u3b的7脚持续输出，保持光耦u1的发光二极管开通，直至电流采样放大单元输出的电压信号降低到比较器u3b的6脚的此时钳位后的参考电平，比较器u3b的7脚关闭输出，光耦u1的发光二极管关闭。
62.进一步，所述逻辑与门u2将光耦u1发出的过流报警信号整型后，输出过流报警信号，即/ocl_o。
63.进一步，igbt母线的电流值为ibus，采样电阻res1采集电流ibus得到的电压值vres＝ibus*rres；所述运算放大器u3a输出放大后的电压信号vop＝vres*r12/r9,即vop＝ibus*rres*r12/r9；
64.此时的比较器u3b的过流检测的触发门限电压vh
th-＝vref＝2.495v，当vop》vh
th-时，即时，过流警报触发输出；
65.过流警报触发输出后，比较器u3b的过流检测的触发门限电压被钳位，钳位后的电压
66.当igbt输出关断，vop降低至vop《vl
th
时，警报输出结束。
67.进一步，所述逻辑与门u2采用74系列逻辑与门u2。
68.可以理解：igbt母线是igbt功率输出的源头，通过采样电阻检测igbt母线电流的方式，是检测igbt是否存在过流最直接的途径；运算放大线路可以放大电阻采样得到的电压信号，可以降低电阻功率损耗，减小电阻本身温度升高带来的负面影响。同时可以提高电流的检测范围。合理的滤波线路削弱了线路中引入噪声对检测线路造成的干扰。门限比较单元的线路在触发过流后自动降低比较参考电压，直到过流消除关闭警报信号的脉冲输出，此机制极大提高了检测线路的可靠性。
69.实施例2：
70.本实施例通过igbt母线低侧的毫欧电阻采样电流，转换的电压值通过运放器放大后和门限电压比较，比较器输出信号驱动隔离光耦，输出过流警报。对母线电流的采样，最直接的判断igbt是否存在过流的检测。线路的实际检测效果无关igbt及其驱动控制线路元器件和方案的选择。
71.本发明的抗干扰性较强，当现场应用中输出电流触发过流门限后，比较器通过自
动改变比较参考电压的方式，延时比较器的输出关断的时间，使警报输出线路输出足够的信号脉宽被后级线路捕获。过流消失后下次警报的触发门限自动恢复为电压基准源产生的参考电平信号。故每次触发过流是的门限值仅与电压基准源产生的参考电压相关，不同产品的线路的触发门限一致性高。
72.电路原理框图如图1所示，该母线过流检测线路由三个部分组成，电流采样放大单元，门限比较单元，警报信号输出单元；
73.电路原理图，如图2所示电流采样放大单元由低阻值的采样电阻r6，运算放大器u3a线路组成，电阻r9和电阻r12决定运算放大线路的放大比例gain，电容c7和电阻r12构成滤波线路对采样线路中的噪声进行滤除，滤波延时设定为1.3us(实际应用中可根据测试结果微调此参数以达到有效的保护响应内线路具备最佳滤波效果)。
74.门限比较单元是过流后触发输出警报的核心单元。电压基准源uw1和电阻r13构成基准电压，作为过流检测的触发门限电压。此电压信号和运算放大器线路输出的电流采样信号电压经过电阻r7和r8输入到比较器u3b的5脚和6脚，当电流采样放大的电压信号大于比较器u3b-6脚的过流触发门限电压时，比较器u3b-7脚输出开启，超过稳压管dz1的稳定电压vz后，开启三极管q1，继而开通光耦u1。光耦u1开通后，2脚电平为三极管q1的ce极管压降vce加上光耦u1内的发光二极管开通正向导通压降vf。通过低正向导通压降的肖特基二极管dk1和电阻r3组成的线路将比较器6脚的参考电平钳位到u1-2脚电压加肖特基二极管dk的正向管压降vf，此时的比较器u3b的7脚持续输出，保持光耦u的发光二极管开通，直致采样母线电流运算放大的电压信号降低到比较器u3b-6脚此时钳位后的参考电平，比较器u3b的7脚关闭输出，光耦u1的发光二极管关闭。此部分线路可以使比较器的比较参考门限电压保证在设定触发值的同时，触发过流后自动钳位到较低的比较参考门限电压，以维持过流产生期间持续输出警报，保证警报的输出脉宽，是此线路的核心。
75.警报信号输出单元由光耦u1，74系列逻辑与门u2组成，光耦u1为高速隔离光耦，隔离电压为5000vrms保证安规要求。光耦u1的7脚接隔离后的系统工作电源 5v，6脚输出信号接r4上拉电阻至系统工作电源 5v，输出信号接逻辑与门u2的1脚和2脚，逻辑与门u2将信号整型后输出过流警报信号“/ocl_o”。
76.igbt母线的电流值为ibus，采样电阻rres1(即电阻rres)采集电流得到的电压值vres＝ibus*rres；运放u3a输出放大后的电压信号vop＝vres*r12/r9,即vop＝ibus*rres*r12/r9。
77.此时的比较器过流触发门限参考电压vh
th-＝vref＝2.495v，当vop》vh
th-时，即时，过流警报触发输出。
78.触发过流警报输出后，比较参考电压被钳位，钳位后的电压
79.当后级线路关断igbt输出，vop降低至vop《vl
th
时，警报输出结束。
80.电路仿真：通过电路仿真，在同样的模拟过电流环境下，通过改变电阻r5阻值，改变比较器门限vl
th-的范围，达到ocl警报输出脉宽延长的效果；实际应用测试效果与仿真结果一致。
81.如图3所示，设计r5＝100kohm时，vl
th-＝2.34v，/ocl警报脉宽为0.21ms；
82.如图4所示，设计r5＝7.5kohm时，vl
th-＝0.6v，/ocl警报脉宽为0.28ms。
83.上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
84.不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。