國產(chǎn)化伺服驅(qū)動的電流保護

朱劍波

摘要：電流保護是伺服驅(qū)動器能安全可靠工作的關(guān)鍵功能之一，伺服驅(qū)動器設(shè)計各種保護的目的是為了保證功率器件和電路安全可靠運行，在各種非正常工作狀態(tài)下不損壞。本文分析比較了伺服驅(qū)動在國產(chǎn)化設(shè)計中幾種可行的電流保護電路優(yōu)缺點，并通過實驗驗證了分流器保護方案。

關(guān)鍵詞：分流器;國產(chǎn)化;電流保護;伺服驅(qū)動

引 言：伺服驅(qū)動器內(nèi)部一般集成有各種保護功能，其目的是為了保證各功率器件和電路安全可靠運行，在非正常工作狀態(tài)下不損壞。保護應(yīng)首先從伺服驅(qū)動器總體設(shè)計上考慮，包括器件的正確選型和使用，驅(qū)動和控制電路的合理設(shè)計、相互匹配，使器件和電路工作于最佳狀態(tài)，最佳的伺服驅(qū)動器設(shè)計應(yīng)以保護電路形同虛設(shè)為目標。但由于外界不可預(yù)料因素和非正常工作條件，電流保護電路是必不可少的，當(dāng)發(fā)生故障時提前關(guān)斷大電流保護功率器件不損壞，提高伺服驅(qū)動器運行的安全性和可靠性。

1 異常電流的產(chǎn)生及檢測

一般伺服驅(qū)動器異常大電流產(chǎn)生時都伴隨著母線電壓比較高，電壓與電流的關(guān)系可用關(guān)系式U = I * L/t 來表達，正常工作環(huán)境下由于回路電感L的存在使得電流L不會有突然的變化可能，當(dāng)由于某些原因使電感L被短路或出現(xiàn)新的小電感回路時（圖一 小電感回路），如藍色和紅色曲線所示，電流就會以遠超正常變化斜率的速度增加，由此產(chǎn)生的異常大電流可能會導(dǎo)致功率器件受損或直接燒毀。

一般情況下，由于回路上電感量較大，電流變化速度不會很快，IGBT不會有產(chǎn)生退飽和，也不會在短時間內(nèi)電流就超出IGBT的SOA區(qū)域?qū)е翴GBT直接被損壞;但是由于實際電流會超過正常情況下的工作電流，IGBT的損耗會因此增加使得結(jié)溫變高而導(dǎo)致IGBT受損。另一種情況就是回路上電感量很小時，流過IGBT的電流短時間內(nèi)就會快速變大，根據(jù)IGBT廠家提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)電流上升到4*Ic左右時，IGBT會產(chǎn)生退飽和現(xiàn)象，此時IGBT的VCE可能會達到母線電壓，損耗急劇上升，按照IGBT使用手冊要求，需要在10uS內(nèi)關(guān)掉驅(qū)動以保護IGBT。為了檢測電流是否異常，需要在異常大電流可能流經(jīng)的路徑上選擇合適的監(jiān)測點并輔以相應(yīng)的檢測元件。通過對驅(qū)動器主回路的工作原理分析，異常大電流流過的支路如圖一中箭頭曲線所示，同時這幾條電流支路也可以很方便的插入電流檢測元件監(jiān)控異常電流，可選為監(jiān)測點;檢測元件可選行業(yè)內(nèi)上常見的幾種傳感器就能滿足需求，如帶保護功能的驅(qū)動光耦、霍爾電流傳感器、霍爾電流檢測芯片、采樣電阻加線性光耦和分流器等，其中霍爾電流傳感器還分為開環(huán)式霍爾電流傳感器和閉環(huán)式霍爾電流傳感器。對于以上各種傳感器及監(jiān)測點如何選擇，可以從以下幾個方面對比后根據(jù)信號的需求來確定： 閉環(huán)式霍爾電流傳感器：閉環(huán)傳感器檢測電流范圍大，從幾安到上千安都有成熟的系列產(chǎn)品，響應(yīng)時間快，輸出一般為電流信號，抗干擾能力強;缺點是成本高，占用空間大;A）開環(huán)式霍爾電流傳感器：開環(huán)傳感器檢測電流范圍大，從幾安到上千安都有成熟的系列產(chǎn)品，成本相比閉環(huán)霍爾要低不少;缺點是當(dāng)檢測電流接近傳感器最大檢測值時響應(yīng)比較慢，響應(yīng)時間可參考具體廠家和型號的數(shù)據(jù)文檔，輸出信號一般為電壓信號，抗干擾能力較弱同時占用空間大;B）采樣電阻加線性光耦：理論上檢測電流范圍不受限制，但由于采樣電阻的原因使得這個方案僅適用于中小功率的驅(qū)動器上，成本非常低;缺點是需要為線性光耦單獨提供一組隔離的電源，由于需要對高壓信號進行隔離轉(zhuǎn)換后再比較導(dǎo)致響應(yīng)時間比較慢;C）分流器保護：分流器本身也可算作是一種采樣電阻，和線性光耦配合使用時與方案C沒有區(qū)別;將分流器上的信號不經(jīng)過隔離直接比較后再用高速光耦隔離可獲得處理好的電流保護信號，優(yōu)點是檢測電流范圍非常大，成本低，響應(yīng)快;缺點是需要一組獨立電源供電。

2 電流保護電路的設(shè)計

盡管我國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度非常快，但與國際先進水平相比還是有非常大的，器件種類和型號還不夠全，目前在驅(qū)動器國產(chǎn)化過程中經(jīng)常遇到有些器件沒有合適的國產(chǎn)型號替代，需要根據(jù)現(xiàn)有的國產(chǎn)器件更改原有的成熟設(shè)計來達到目標。驅(qū)動器里的IGBT是在高壓大電流工況下高頻開關(guān)的功率器件，器件內(nèi)部的電流密度很大。當(dāng)發(fā)生過流或短路故障時，為了保證IGBT安全工作，需要將流過的IGBT的大電流在10us以內(nèi)或更快的時間內(nèi)關(guān)斷。實踐統(tǒng)計表明：過電流是有IGBT的電力電子線路中經(jīng)常發(fā)生的損壞IGBT的主要原因之一，因此過流保護應(yīng)當(dāng)首先被考慮。以IGBT模塊等級來看，小功率IGBT模塊的過流保護通常采用在主電流回路上直接串檢測電阻和分流器的方法來檢測器件輸出電流，通過和預(yù)設(shè)基準比較判斷是否發(fā)生過流，中功率IGBT模塊的電流檢測與過流、短路保護一種方法是仍然采用電阻加線性光耦檢測法，為了降低采樣電阻的發(fā)熱還需給電阻加裝散熱裝置，第二種方法是采用霍爾傳感器和帶保護的驅(qū)動光耦配合使用，慢速的正常限電流靠霍爾信號來判斷，而快速的異常保護用帶VCE檢測功能的驅(qū)動光耦來實現(xiàn)，也可采用分流器來實現(xiàn)異常大電流的保護，大功率IGBT模塊的電流保護由于電流響應(yīng)需要的時間較長，一般選擇帶保護的驅(qū)動光耦或者分流器來實現(xiàn)快速保護。以上各種保護所涉及到的部分關(guān)鍵器件在國產(chǎn)化時因種種原因還無法直接大量使用，由于分流器保護方案所需用到的相關(guān)器件都是常規(guī)器件，電路簡單，響應(yīng)時間短，國內(nèi)很多廠家都能批量提供穩(wěn)定的產(chǎn)品，檢測保護原理如左圖二電流保護信號處理：

大電流流過分流器時產(chǎn)生會壓降，一般通過選擇合適的分流器阻值使信號幅值低于100mV以下，為降低信號處理的難度，將小信號利用穩(wěn)壓管WY1提高到五伏的基準上再按照實際所需的保護電流值選擇合適分壓比（調(diào)整R1和R7的阻值）作為比較器U2的參考基準連接到比較器的反相輸入端，當(dāng)電流達到一定程度，比較器同相輸入端上分流器上的電壓信號低于預(yù)設(shè)基準電壓時，比較器輸出低電平，高速光耦U1導(dǎo)通，通過仿真可以看到OCP信號電壓在電流信號達到過流點約6.4uS后由高變低，實際設(shè)計時可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和電路板設(shè)計能力決定是否調(diào)整參數(shù)以便在更短滯后時間內(nèi)響應(yīng)，利用此信號可關(guān)斷IGBT驅(qū)動信號阻止電流繼續(xù)增大達到保護IGBT的目的。

3 實驗驗證

為驗證此電流保護電路在伺服驅(qū)動器實際工作中的保護性能，按照仿真電路原理圖設(shè)計了一塊電路板，搭建了一套交流伺服驅(qū)動器做測試環(huán)境，負載電感1.2mH，驅(qū)動器輸入電源380VAC，最大輸出電流為30ARMS，保護電流設(shè)置為40ARMS，IGBT開關(guān)頻率為6KHZ，分流器材料選用1mm厚的康銅板，高速光耦為深圳奧倫德OR-6N137S，IGBT為嘉興斯達GD100PIY120C6SN，電流傳感器為華智興遠HKA50-SPV;在正常供電且輸出電流達到40A時的電流保護波形如圖三：從圖中可以看出電流達到預(yù)設(shè)保護點后OCP信號電壓由低變高，三相輸出電流馬上開始向零電流變化，電流減小;當(dāng)OCP信號電壓由高變?yōu)榈秃笤俅卧试S電流輸出。通過電路仿真和實驗表明此電流保護電路響應(yīng)時間快，能在IGBT數(shù)據(jù)手冊要求的關(guān)斷時間內(nèi)檢測出電流異常，從而為IGBT的安全使用提供一個隔離的、快速響應(yīng)的電流保護信號。

結(jié) 論：

本文分析了伺服驅(qū)動器電流保護產(chǎn)生的路徑和幾種檢測方案，針對原有的電流保護功能在國產(chǎn)化過程中由于器件的原因難以實現(xiàn)和量產(chǎn)，提出了一種全功率等級均可使用的低成本、易于量產(chǎn)的分流器加高速光耦的保護方案;通過電路仿真和搭建實驗環(huán)境測試，實驗結(jié)果證明此電流保護電路響應(yīng)時間快，能滿足IGBT數(shù)據(jù)手冊要求的關(guān)斷時間，從而為IGBT的使用提供一個隔離的、快速響應(yīng)的電流保護信號。

參考文獻：

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