曲延昌

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院電氣工程系，山東淄博256414）

一種大功率變頻器的過流保護(hù)控制方案研究

曲延昌

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院電氣工程系，山東淄博256414）

IGBT用作大功率變頻器的主開關(guān)，在變頻器運(yùn)行過程中，其安全性受諸多因素影響，其中最為突出的是短路和過流。針對不同的影響因素，需要有相應(yīng)的保護(hù)控制方案以保證變頻器的安全運(yùn)行。根據(jù)大功率變頻器的運(yùn)行模式和每種模式下IGBT允許電流的閾值范圍，研究一種實(shí)用的IGBT過流保護(hù)控制方案，該方案采用軟、硬件結(jié)合的方法，對變頻器中的大功率IGBT實(shí)施分級過流保護(hù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。

變頻器；過流保護(hù)；控制方案

1 引言

變頻器是現(xiàn)代交流傳動控制系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備，通過人為地改變交流電機(jī)的供電頻率、供電電壓等參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。一款性能優(yōu)良的變頻器在軟件方面要有先進(jìn)的控制算法和靈活性，硬件方面則更多地體現(xiàn)在高可靠性和通用性。據(jù)統(tǒng)計，在變頻器所有故障中，大功率IGBT損壞占40%以上，設(shè)計一款性能優(yōu)良的保護(hù)電路對整個變頻器控制系統(tǒng)至關(guān)重要。變頻器的保護(hù)體現(xiàn)在多個方面：短路保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)等，本文僅討論大功率變頻器中對IGBT的過流保護(hù)控制方案。

2 過流保護(hù)控制方案

在變頻器電路中，構(gòu)成高頻逆變橋的核心是大功率開關(guān)管IGBT。IGBT是雙極型的高速開關(guān)器件，芯片的電流密度高，在發(fā)生短路時，允許的持續(xù)時間僅有10 μs，這就要求有關(guān)的控制電路在故障發(fā)生時有可靠的判斷，并及時撤除驅(qū)動信號，關(guān)閉IGBT。

圖1是過流控制方案的框圖。過流保護(hù)分3級，分別是軟件保護(hù)（1級）、硬件保護(hù)1（2級）和硬件保護(hù)2（3級）。

軟件保護(hù)是1級保護(hù)，也是變頻器的基本控制方式。負(fù)載電流經(jīng)過電流檢測單元后，轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)電平轉(zhuǎn)移后，送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再被送入微處理器（MCU）的內(nèi)部寄存器，通過執(zhí)行有關(guān)的程序，微處理器根據(jù)PID運(yùn)算輸出PWM信號，經(jīng)傳輸電路和驅(qū)動電路使IGBT保持導(dǎo)通或關(guān)閉。如果出現(xiàn)電流過大，微處理器輸出的脈寬將變窄。如果出現(xiàn)危險電流，微處理器則立即關(guān)閉PWM輸出，迫使IGBT關(guān)閉。

圖1 過流保護(hù)控制方案Fig.1 The control scheme of over-current protection

硬件保護(hù)1的基本功能是在負(fù)載電流超過規(guī)定值時，自動封鎖PWM傳輸電路，IGBT會因失去驅(qū)動信號而關(guān)閉。保護(hù)的基本原理如下：來自電流檢測單元的模擬信號被送入電壓比較器進(jìn)行比較判斷，如果此時的模擬信號超過允許值，比較器輸出封鎖信號，PWM信號傳輸門關(guān)閉，IGBT因失去驅(qū)動信號而關(guān)閉。在本方案中，硬件保護(hù)1動作閾值高于軟件保護(hù)值，前者作為后者的后備保護(hù)。

硬件保護(hù)2則是利用IGBT驅(qū)動器自帶的短路保護(hù)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對IGBT的自主保護(hù)，基本原理是檢測IGBT的通態(tài)壓降，如果通態(tài)壓降超過設(shè)定的閾值，則自動關(guān)閉驅(qū)動器的輸出。一般地，硬件保護(hù)2的保護(hù)閾值明顯高于硬件保護(hù)1，主要用于IGBT的短路保護(hù)。

3級保護(hù)的動作閾值各不相同，相互配合，共同構(gòu)成變頻器中的過流保護(hù)。

2.1 電流檢測方案

目前主流的電流檢測多采取兩種模式：光電隔離模式和電磁隔離模式。

光電隔離模式主要是指采用線性光耦對電流信號進(jìn)行放大、隔離傳輸，最常用的器件是HCPL7840。由于需要使用采樣電阻、運(yùn)放以及大量的輔助元器件，采樣電路的可靠性不高，尤其在大功率應(yīng)用場合，采樣電阻的精度欠佳已經(jīng)限制了這種檢測模式的應(yīng)用。

電磁隔離模式的代表器件是霍耳電流傳感器。由于不需要采樣電阻，測量電路與一次電流完全隔離，性價比高，功耗、速度及安全性也比較理想，在容量較大的變頻器電流檢測方面，線性霍耳電流傳感器的應(yīng)用是首選。線性霍耳電流傳感器需要±15 V直流供電，其輸出信號范圍為±4 V，由于A/D轉(zhuǎn)換器只能夠接受0～VCC（VCC通常為+5 V）的直流信號，因此霍耳電流傳感器的輸出信號在送給A/D轉(zhuǎn)換器前必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。圖2是采用線性霍耳電流傳感器的電流信號轉(zhuǎn)換電路。

圖2 電流信號轉(zhuǎn)換電路Fig.2 The circuit for current signal converter

圖2中，iU為霍耳電流傳感器的輸出信號，IUU是與iU對應(yīng)的模擬信號。圖2實(shí)際上是一個反相加法電路，其輸出為

其中，Uref的選擇與A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓有關(guān)，如果A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓選擇+5 V，則Uref選為2.5 V。如果A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓選擇+3.3 V，則Uref只能選為1.65 V。這樣，只需選擇合適的R52的值，IUU的值就能滿足A/D轉(zhuǎn)換器的要求。

2.2 軟件保護(hù)方案

模擬電流信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換后變成了數(shù)字量，被送到MCU的內(nèi)部寄存器，根據(jù)工作模式，MCU通過程序判斷輸出合適的PWM信號。如果電流值超過允許值，軟件會自動關(guān)閉PWM輸出，并在顯示器上報出故障信息。軟件保護(hù)的基本流程如圖3所示。

2.3 硬件保護(hù)1方案

硬件保護(hù)1方案由兩部分組成：過流判斷和異常封鎖。

過流判斷部分輸入的是霍耳傳感器的輸出信號，由于該信號幅值范圍為AC±4 V，需設(shè)置不同的閾值進(jìn)行過流判斷。U13A用于對電流信號的負(fù)半周幅值進(jìn)行比較，根據(jù)對過流的定義，設(shè)置A點(diǎn)電位，比如-3.2 V。同理，U13B用于對電流信號的正半周幅值進(jìn)行比較，根據(jù)對過流的定義，設(shè)置B點(diǎn)電位，比如+3.2 V。兩電壓比較器通過“線與”的方式將三相過流信號整合成過流信號，具體電路見圖4。

圖3 軟件保護(hù)基本流程Fig.3 The basic flow of software protection

圖4 過流判斷電路Fig.4 The circuit for over-current judgment

變頻器的大功率三相逆變橋的正常工作受限于諸多因素：輸出過流、交流電源過壓/欠壓、整機(jī)過熱等，這些因素中的任何一個出現(xiàn)，變頻器必須停止工作，即IGBT開關(guān)管必須關(guān)閉。硬件保護(hù)1中的異常封鎖功能是在上述異常出現(xiàn)時，直接對PWM傳輸門的輸出進(jìn)行封鎖，而不依賴于微處理中的PWM信號發(fā)生器關(guān)閉輸出，這種單純的硬件電路，結(jié)構(gòu)簡單，保護(hù)動作更快。圖5示出了異常封鎖電路的基本結(jié)構(gòu)。

U8是多輸入與門，外接的信號就是變頻器的工作異常信號：輸出過流信號、交流電源欠壓信號，其輸出為異常信號。如果各個工作條件都滿足，則信號為1，否則為0。U9B，U9C2個與非門組成RS觸發(fā)器，ERR是故障信號給微處理器的反饋。

圖5 異常封鎖電路Fig.5 The circuit for abnormal locking

正常運(yùn)行時，OUT-EN引腳輸出高電平，假如突然發(fā)生輸出過流，有變0，則變0，結(jié)果ERR變1，根據(jù)RS觸發(fā)器的邏輯關(guān)系，LOCK信號變1，U10（74HC573）立即關(guān)閉PWM信號的傳輸門，IGBT因失去驅(qū)動信號而被迫關(guān)閉，同時微處理器因ERR變1，暫停PWM信號的輸出，中斷服務(wù)程序開始檢測各工作條件（有關(guān)電路未畫出）。如果各工作條件恢復(fù)正常，變1，微處理器的OUT-EN引腳輸出一個窄負(fù)脈沖，ERR解除，LOCK信號再次變0，U10又恢復(fù)正常的PWM傳輸。通過上面的分析可以看出，一旦信號變0，封鎖信號LOCK立即變1，PWM傳輸門關(guān)閉，即使當(dāng)時微處理器有PWM信號輸出，也不能通過傳輸門。

作為一種后備保護(hù)手段，硬件保護(hù)1通過硬件電路直接產(chǎn)生PWM傳輸封鎖信號，由于無需執(zhí)行復(fù)雜的程序判斷，硬件保護(hù)1在過流的判斷上比較準(zhǔn)確，而且動作迅速，這種脫離軟件運(yùn)算的保護(hù)功能足可以在程序失控的情況下，仍能關(guān)閉IGBT，這是硬件保護(hù)1的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 硬件保護(hù)2方案

目前流行的IGBT驅(qū)動器除了有正常的驅(qū)動功能外，還附加有對被驅(qū)動IGBT過流保護(hù)的功能，基本原理是判斷IGBT的通態(tài)壓降，如果通態(tài)壓降超過閾值，PWM驅(qū)動器則自行關(guān)閉輸出。硬件保護(hù)2方案則是充分利用了IGBT驅(qū)動器的這一附加功能，有關(guān)的電路見圖6。

VT1，VT2是大電流IGBT模塊，共同構(gòu)成逆變橋的一個橋臂。DR101，DR102分別是各自的驅(qū)動器，具體型號是PC923和PC929，唯一不同是前者不帶過流保護(hù)功能。根據(jù)PC929的規(guī)格書，其過流檢測端（9腳）的閾值電壓是（VCC-6 V），即當(dāng)9腳的輸入電壓超過過流保護(hù)閾值電壓時（圖6中PC929的VCC為15 V，則保護(hù)閾值電壓為15 V-6 V=9 V），PC929會自動關(guān)閉對IGBT的驅(qū)動輸出，同時8腳輸出低電平信號，使PC10導(dǎo)通，其輸出，也就是能夠反映IGBT直接過流的信號OC2變0。

應(yīng)當(dāng)注意的是，大電流的IGBT模塊，正常情況下其通態(tài)壓降一般在3 V左右，即使在超過額定電流數(shù)倍的情況下也很難達(dá)到PC929的保護(hù)閾值，為實(shí)現(xiàn)對IGBT的有效保護(hù)，需要查閱IGBT生產(chǎn)廠家提供的規(guī)格書，根據(jù)保護(hù)點(diǎn)電流對應(yīng)的通態(tài)壓降，選擇合適的齊納管（如圖6中的Z7）來實(shí)現(xiàn)電壓匹配。

圖6 IGBT驅(qū)動及硬件保護(hù)2電路Fig.6 The drive circuit for IGBT and the circuit for hardware protection 2

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)軟件算法采用電壓空間矢量SVPWM算法，選取的微處理器為瑞薩的M30260F8AGP，該芯片為16位單片機(jī)，主頻為20 MHz，具有64+4KB的FLASH，2KB的RAM，工作電壓范圍2.7～5.5 V，具有16bit×8通道定時器，10bit×12通道A/D采樣，3通道UART，具有變頻專用的帶死區(qū)生成的三相6橋PWM輸出模塊，以及其他諸多資源，可以滿足普通變頻器電路的要求。

3.1 軟件保護(hù)測試波形

由于軟件保護(hù)的基本功能是調(diào)節(jié)PWM信號，即在設(shè)定的參數(shù)下，根據(jù)算法輸出合適的PWM信號。如果得到的電流采樣數(shù)據(jù)超過設(shè)定值，輕則改變PWM信號的參數(shù)（如頻率或占空比），重則直接關(guān)閉PWM信號輸出。圖7是電機(jī)加速過程中的電流波形，通過對連續(xù)數(shù)個周期輸出電流的有效值計算，軟件判斷為過載，然后關(guān)閉PWM信號輸出，電機(jī)電流變?yōu)榱恪?/p>

圖7 軟件保護(hù)的測試波形Fig.7 The test wave of software protection

3.2 硬件保護(hù)1的測試波形

硬件保護(hù)1的基本功能是在有關(guān)電路判斷出過流后，通過保護(hù)電路封鎖PWM信號的傳輸通道。在圖8a中，通道1是霍耳傳感器輸出的反映負(fù)載電流的信號；通道2是經(jīng)過變換后的電流波形，從圖8a中可以看出，二者在幅值上有對應(yīng)關(guān)系。在圖8b中，通道1是霍耳輸出的電流信號；通道2是負(fù)載過流信號OC1。從圖8b中可明顯看出，在最大負(fù)載電流的峰值時刻，OC1變?yōu)?。在圖8c中，通道1是硬件保護(hù)電路中PWM傳輸門的輸出信號；通道2是異常封鎖信號LOCK，也是電路中74HC573的輸出控制信號OE。測試采用外觸發(fā)模式，觸發(fā)信號是OC1。在OC1觸發(fā)后，封鎖信號LOCK變1，根據(jù)工作原理，傳輸門的輸出變成高阻狀態(tài)，PWM信號在此處中斷傳輸，結(jié)合圖5、圖6所示電路原理，傳輸門的輸出端變成高電平。

圖8 硬件保護(hù)1的測試波形Fig.8 The test waves of hardware protection 1

3.3 硬件保護(hù)2的測試波形

硬件保護(hù)2的基本功能主要根據(jù)IGBT的通態(tài)壓降進(jìn)行短路保護(hù)，即當(dāng)IGBT的通態(tài)壓降超過某一值時，驅(qū)動電路可實(shí)現(xiàn)自主保護(hù)。在這種模式下，為了保證IGBT關(guān)斷后不再重新啟動，硬件保護(hù)2還必須向微處理器輸出保護(hù)動作的反饋信號，以便向微處理器發(fā)出正確的故障信息。圖9示出了硬件保護(hù)2的有關(guān)波形。

圖9 硬件保護(hù)2波形Fig.9 The test waves of hardware protection 2

在圖9中，通道1為模擬的IGBT通態(tài)電壓波形，采用外部直流信號施加在PC929的第9腳上；通道2是PC929輸出的IGBT驅(qū)動脈沖波形（因?yàn)闇y試時多個信號需要共地，此信號是以-10 V為參考）。采用外觸發(fā)方式，觸發(fā)信號是PC929的故障輸出信號（8腳輸出），低電平有效。測試時模擬的IGBT通態(tài)壓降從低到高調(diào)節(jié)。當(dāng)通態(tài)壓降超過某一值后，IGBT的驅(qū)動脈沖立即變低，通過負(fù)壓偏置保證IGBT可靠關(guān)斷。

4 結(jié)論

本文提出的大功率變頻器過流保護(hù)控制方案采用分級保護(hù)的方法，在保護(hù)閾值上相互配合，已在160 kW的變頻器上成功實(shí)施。本方案不僅電路原理簡單，性能可靠，而且具有價格低廉，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足普通變頻器的控制要求，如果對電路的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，該方案可擴(kuò)展到其它類型的變頻器過流保護(hù)，也可應(yīng)用于大功率開關(guān)電源的過流保護(hù)。

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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

山東省高等學(xué)?？萍加媱澱n題（J12LN76）

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