一种大功率变频器的过流保护控制方案研究

曲延昌

（山东工业职业学院电气工程系，山东淄博256414）

一种大功率变频器的过流保护控制方案研究

曲延昌

（山东工业职业学院电气工程系，山东淄博256414）

IGBT用作大功率变频器的主开关，在变频器运行过程中，其安全性受诸多因素影响，其中最为突出的是短路和过流。针对不同的影响因素，需要有相应的保护控制方案以保证变频器的安全运行。根据大功率变频器的运行模式和每种模式下IGBT允许电流的阈值范围，研究一种实用的IGBT过流保护控制方案，该方案采用软、硬件结合的方法，对变频器中的大功率IGBT实施分级过流保护，实验结果验证了该方案的有效性。

变频器；过流保护；控制方案

1 引言

变频器是现代交流传动控制系统中不可或缺的设备，通过人为地改变交流电机的供电频率、供电电压等参数，就可以实现对电机的转速、转矩、转向进行控制。一款性能优良的变频器在软件方面要有先进的控制算法和灵活性，硬件方面则更多地体现在高可靠性和通用性。据统计，在变频器所有故障中，大功率IGBT损坏占40%以上，设计一款性能优良的保护电路对整个变频器控制系统至关重要。变频器的保护体现在多个方面：短路保护、过流保护、过压保护、过热保护等，本文仅讨论大功率变频器中对IGBT的过流保护控制方案。

2 过流保护控制方案

在变频器电路中，构成高频逆变桥的核心是大功率开关管IGBT。IGBT是双极型的高速开关器件，芯片的电流密度高，在发生短路时，允许的持续时间仅有10 μs，这就要求有关的控制电路在故障发生时有可靠的判断，并及时撤除驱动信号，关闭IGBT。

图1是过流控制方案的框图。过流保护分3级，分别是软件保护（1级）、硬件保护1（2级）和硬件保护2（3级）。

软件保护是1级保护，也是变频器的基本控制方式。负载电流经过电流检测单元后，转化为电压信号，经电平转移后，送到A/D转换器转换成数字量，再被送入微处理器（MCU）的内部寄存器，通过执行有关的程序，微处理器根据PID运算输出PWM信号，经传输电路和驱动电路使IGBT保持导通或关闭。如果出现电流过大，微处理器输出的脉宽将变窄。如果出现危险电流，微处理器则立即关闭PWM输出，迫使IGBT关闭。

图1 过流保护控制方案Fig.1 The control scheme of over-current protection

硬件保护1的基本功能是在负载电流超过规定值时，自动封锁PWM传输电路，IGBT会因失去驱动信号而关闭。保护的基本原理如下：来自电流检测单元的模拟信号被送入电压比较器进行比较判断，如果此时的模拟信号超过允许值，比较器输出封锁信号，PWM信号传输门关闭，IGBT因失去驱动信号而关闭。在本方案中，硬件保护1动作阈值高于软件保护值，前者作为后者的后备保护。

硬件保护2则是利用IGBT驱动器自带的短路保护触发器实现对IGBT的自主保护，基本原理是检测IGBT的通态压降，如果通态压降超过设定的阈值，则自动关闭驱动器的输出。一般地，硬件保护2的保护阈值明显高于硬件保护1，主要用于IGBT的短路保护。

3级保护的动作阈值各不相同，相互配合，共同构成变频器中的过流保护。

2.1 电流检测方案

目前主流的电流检测多采取两种模式：光电隔离模式和电磁隔离模式。

光电隔离模式主要是指采用线性光耦对电流信号进行放大、隔离传输，最常用的器件是HCPL7840。由于需要使用采样电阻、运放以及大量的辅助元器件，采样电路的可靠性不高，尤其在大功率应用场合，采样电阻的精度欠佳已经限制了这种检测模式的应用。

电磁隔离模式的代表器件是霍耳电流传感器。由于不需要采样电阻，测量电路与一次电流完全隔离，性价比高，功耗、速度及安全性也比较理想，在容量较大的变频器电流检测方面，线性霍耳电流传感器的应用是首选。线性霍耳电流传感器需要±15 V直流供电，其输出信号范围为±4 V，由于A/D转换器只能够接受0～VCC（VCC通常为+5 V）的直流信号，因此霍耳电流传感器的输出信号在送给A/D转换器前必须进行电平转换。图2是采用线性霍耳电流传感器的电流信号转换电路。

图2 电流信号转换电路Fig.2 The circuit for current signal converter

图2中，iU为霍耳电流传感器的输出信号，IUU是与iU对应的模拟信号。图2实际上是一个反相加法电路，其输出为

其中，Uref的选择与A/D转换器的参考电压有关，如果A/D转换器的参考电压选择+5 V，则Uref选为2.5 V。如果A/D转换器的参考电压选择+3.3 V，则Uref只能选为1.65 V。这样，只需选择合适的R52的值，IUU的值就能满足A/D转换器的要求。

2.2 软件保护方案

模拟电流信号经A/D转换器的转换后变成了数字量，被送到MCU的内部寄存器，根据工作模式，MCU通过程序判断输出合适的PWM信号。如果电流值超过允许值，软件会自动关闭PWM输出，并在显示器上报出故障信息。软件保护的基本流程如图3所示。

2.3 硬件保护1方案

硬件保护1方案由两部分组成：过流判断和异常封锁。

过流判断部分输入的是霍耳传感器的输出信号，由于该信号幅值范围为AC±4 V，需设置不同的阈值进行过流判断。U13A用于对电流信号的负半周幅值进行比较，根据对过流的定义，设置A点电位，比如-3.2 V。同理，U13B用于对电流信号的正半周幅值进行比较，根据对过流的定义，设置B点电位，比如+3.2 V。两电压比较器通过“线与”的方式将三相过流信号整合成过流信号，具体电路见图4。

图3 软件保护基本流程Fig.3 The basic flow of software protection

图4 过流判断电路Fig.4 The circuit for over-current judgment

变频器的大功率三相逆变桥的正常工作受限于诸多因素：输出过流、交流电源过压/欠压、整机过热等，这些因素中的任何一个出现，变频器必须停止工作，即IGBT开关管必须关闭。硬件保护1中的异常封锁功能是在上述异常出现时，直接对PWM传输门的输出进行封锁，而不依赖于微处理中的PWM信号发生器关闭输出，这种单纯的硬件电路，结构简单，保护动作更快。图5示出了异常封锁电路的基本结构。

U8是多输入与门，外接的信号就是变频器的工作异常信号：输出过流信号、交流电源欠压信号，其输出为异常信号。如果各个工作条件都满足，则信号为1，否则为0。U9B，U9C2个与非门组成RS触发器，ERR是故障信号给微处理器的反馈。

图5 异常封锁电路Fig.5 The circuit for abnormal locking

正常运行时，OUT-EN引脚输出高电平，假如突然发生输出过流，有变0，则变0，结果ERR变1，根据RS触发器的逻辑关系，LOCK信号变1，U10（74HC573）立即关闭PWM信号的传输门，IGBT因失去驱动信号而被迫关闭，同时微处理器因ERR变1，暂停PWM信号的输出，中断服务程序开始检测各工作条件（有关电路未画出）。如果各工作条件恢复正常，变1，微处理器的OUT-EN引脚输出一个窄负脉冲，ERR解除，LOCK信号再次变0，U10又恢复正常的PWM传输。通过上面的分析可以看出，一旦信号变0，封锁信号LOCK立即变1，PWM传输门关闭，即使当时微处理器有PWM信号输出，也不能通过传输门。

作为一种后备保护手段，硬件保护1通过硬件电路直接产生PWM传输封锁信号，由于无需执行复杂的程序判断，硬件保护1在过流的判断上比较准确，而且动作迅速，这种脱离软件运算的保护功能足可以在程序失控的情况下，仍能关闭IGBT，这是硬件保护1的优点。

2.4 硬件保护2方案

目前流行的IGBT驱动器除了有正常的驱动功能外，还附加有对被驱动IGBT过流保护的功能，基本原理是判断IGBT的通态压降，如果通态压降超过阈值，PWM驱动器则自行关闭输出。硬件保护2方案则是充分利用了IGBT驱动器的这一附加功能，有关的电路见图6。

VT1，VT2是大电流IGBT模块，共同构成逆变桥的一个桥臂。DR101，DR102分别是各自的驱动器，具体型号是PC923和PC929，唯一不同是前者不带过流保护功能。根据PC929的规格书，其过流检测端（9脚）的阈值电压是（VCC-6 V），即当9脚的输入电压超过过流保护阈值电压时（图6中PC929的VCC为15 V，则保护阈值电压为15 V-6 V=9 V），PC929会自动关闭对IGBT的驱动输出，同时8脚输出低电平信号，使PC10导通，其输出，也就是能够反映IGBT直接过流的信号OC2变0。

应当注意的是，大电流的IGBT模块，正常情况下其通态压降一般在3 V左右，即使在超过额定电流数倍的情况下也很难达到PC929的保护阈值，为实现对IGBT的有效保护，需要查阅IGBT生产厂家提供的规格书，根据保护点电流对应的通态压降，选择合适的齐纳管（如图6中的Z7）来实现电压匹配。

图6 IGBT驱动及硬件保护2电路Fig.6 The drive circuit for IGBT and the circuit for hardware protection 2

3 实验结果

样机软件算法采用电压空间矢量SVPWM算法，选取的微处理器为瑞萨的M30260F8AGP，该芯片为16位单片机，主频为20 MHz，具有64+4KB的FLASH，2KB的RAM，工作电压范围2.7～5.5 V，具有16bit×8通道定时器，10bit×12通道A/D采样，3通道UART，具有变频专用的带死区生成的三相6桥PWM输出模块，以及其他诸多资源，可以满足普通变频器电路的要求。

3.1 软件保护测试波形

由于软件保护的基本功能是调节PWM信号，即在设定的参数下，根据算法输出合适的PWM信号。如果得到的电流采样数据超过设定值，轻则改变PWM信号的参数（如频率或占空比），重则直接关闭PWM信号输出。图7是电机加速过程中的电流波形，通过对连续数个周期输出电流的有效值计算，软件判断为过载，然后关闭PWM信号输出，电机电流变为零。

图7 软件保护的测试波形Fig.7 The test wave of software protection

3.2 硬件保护1的测试波形

硬件保护1的基本功能是在有关电路判断出过流后，通过保护电路封锁PWM信号的传输通道。在图8a中，通道1是霍耳传感器输出的反映负载电流的信号；通道2是经过变换后的电流波形，从图8a中可以看出，二者在幅值上有对应关系。在图8b中，通道1是霍耳输出的电流信号；通道2是负载过流信号OC1。从图8b中可明显看出，在最大负载电流的峰值时刻，OC1变为0。在图8c中，通道1是硬件保护电路中PWM传输门的输出信号；通道2是异常封锁信号LOCK，也是电路中74HC573的输出控制信号OE。测试采用外触发模式，触发信号是OC1。在OC1触发后，封锁信号LOCK变1，根据工作原理，传输门的输出变成高阻状态，PWM信号在此处中断传输，结合图5、图6所示电路原理，传输门的输出端变成高电平。

图8 硬件保护1的测试波形Fig.8 The test waves of hardware protection 1

3.3 硬件保护2的测试波形

硬件保护2的基本功能主要根据IGBT的通态压降进行短路保护，即当IGBT的通态压降超过某一值时，驱动电路可实现自主保护。在这种模式下，为了保证IGBT关断后不再重新启动，硬件保护2还必须向微处理器输出保护动作的反馈信号，以便向微处理器发出正确的故障信息。图9示出了硬件保护2的有关波形。

图9 硬件保护2波形Fig.9 The test waves of hardware protection 2

在图9中，通道1为模拟的IGBT通态电压波形，采用外部直流信号施加在PC929的第9脚上；通道2是PC929输出的IGBT驱动脉冲波形（因为测试时多个信号需要共地，此信号是以-10 V为参考）。采用外触发方式，触发信号是PC929的故障输出信号（8脚输出），低电平有效。测试时模拟的IGBT通态压降从低到高调节。当通态压降超过某一值后，IGBT的驱动脉冲立即变低，通过负压偏置保证IGBT可靠关断。

4 结论

本文提出的大功率变频器过流保护控制方案采用分级保护的方法，在保护阈值上相互配合，已在160 kW的变频器上成功实施。本方案不仅电路原理简单，性能可靠，而且具有价格低廉，调试方便等优点，完全可以满足普通变频器的控制要求，如果对电路的参数进行进一步优化，该方案可扩展到其它类型的变频器过流保护，也可应用于大功率开关电源的过流保护。

［1］ 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.第3版.北京：电子工业出版社，2005.

［2］ 周志敏，周纪海.开关电源实用技术设计与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

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［5］ 訾振宁，郝瑞祥，游小杰，等.基于PC929的IGBT驱动和保护电路设计［J］.电气技术，2007（9）：28-31.

Study on a Practical Control Scheme of the Protection for IGBT Against Over-current in High Power Converter

QU Yan-chang
（Department of Electrical Engineering，Shandong Vocational College of Industry，Zibo 256414，Shandong，China）

As the main switch used in high power converter，IGBTs’safety in a running converter is influenced by some factors，such as the major are short-circuit and over-current.In order to obtain the safe running，the necessary protection for various factors must be present.According to the running mode of the converter and the current threshold of the IGBT permitted in every mode，a practical control scheme of the protection for IGBT against over-current was studied，in which with the combination of software&hardware，the ranking protection can be implemented for IGBT against over-current in the high power converter，and the experimental results verify the effectiveness of this scheme.

converter；over-current protection；control scheme

TN733.3

A

2013-07-04

修改稿日期：2014-06-04

山东省高等学校科技计划课题（J12LN76）

曲延昌（1965-），男，本科，副教授，Email：shdzbqu@163.com