朱劍波

摘要：電流保護(hù)是伺服驅(qū)動(dòng)器能安全可靠工作的關(guān)鍵功能之一，伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)各種保護(hù)的目的是為了保證功率器件和電路安全可靠運(yùn)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(dòng)在國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)中幾種可行的電流保護(hù)電路優(yōu)缺點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分流器保護(hù)方案。

關(guān)鍵詞：分流器;國(guó)產(chǎn)化;電流保護(hù);伺服驅(qū)動(dòng)

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

1 異常電流的產(chǎn)生及檢測(cè)

一般伺服驅(qū)動(dòng)器異常大電流產(chǎn)生時(shí)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(dá)，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(huì)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(shí)（圖一 小電感回路），如藍(lán)色和紅色曲線所示，電流就會(huì)以遠(yuǎn)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(huì)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(huì)很快，IGBT不會(huì)有產(chǎn)生退飽和，也不會(huì)在短時(shí)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(shí)際電流會(huì)超過正常情況下的工作電流，IGBT的損耗會(huì)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(shí)，流過IGBT的電流短時(shí)間內(nèi)就會(huì)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(shí)，IGBT會(huì)產(chǎn)生退飽和現(xiàn)象，此時(shí)IGBT的VCE可能會(huì)達(dá)到母線電壓，損耗急劇上升，按照IGBT使用手冊(cè)要求，需要在10uS內(nèi)關(guān)掉驅(qū)動(dòng)以保護(hù)IGBT。為了檢測(cè)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(cè)點(diǎn)并輔以相應(yīng)的檢測(cè)元件。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)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(shí)這幾條電流支路也可以很方便的插入電流檢測(cè)元件監(jiān)控異常電流，可選為監(jiān)測(cè)點(diǎn);檢測(cè)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(hù)功能的驅(qū)動(dòng)光耦、霍爾電流傳感器、霍爾電流檢測(cè)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(duì)于以上各種傳感器及監(jiān)測(cè)點(diǎn)如何選擇，可以從以下幾個(gè)方面對(duì)比后根據(jù)信號(hào)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(cè)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(shí)間快，輸出一般為電流信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng);缺點(diǎn)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(cè)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(diǎn)是當(dāng)檢測(cè)電流接近傳感器最大檢測(cè)值時(shí)響應(yīng)比較慢，響應(yīng)時(shí)間可參考具體廠家和型號(hào)的數(shù)據(jù)文檔，輸出信號(hào)一般為電壓信號(hào)，抗干擾能力較弱同時(shí)占用空間大;B）采樣電阻加線性光耦：理論上檢測(cè)電流范圍不受限制，但由于采樣電阻的原因使得這個(gè)方案僅適用于中小功率的驅(qū)動(dòng)器上，成本非常低;缺點(diǎn)是需要為線性光耦單獨(dú)提供一組隔離的電源，由于需要對(duì)高壓信號(hào)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換后再比較導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間比較慢;C）分流器保護(hù)：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(shí)與方案C沒有區(qū)別;將分流器上的信號(hào)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(hù)信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)電流范圍非常大，成本低，響應(yīng)快;缺點(diǎn)是需要一組獨(dú)立電源供電。

2 電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

盡管我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度非?？欤c國(guó)際先進(jìn)水平相比還是有非常大的，器件種類和型號(hào)還不夠全，目前在驅(qū)動(dòng)器國(guó)產(chǎn)化過程中經(jīng)常遇到有些器件沒有合適的國(guó)產(chǎn)型號(hào)替代，需要根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)器件更改原有的成熟設(shè)計(jì)來達(dá)到目標(biāo)。驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(shí)間內(nèi)關(guān)斷。實(shí)踐統(tǒng)計(jì)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(hù)應(yīng)當(dāng)首先被考慮。以IGBT模塊等級(jí)來看，小功率IGBT模塊的過流保護(hù)通常采用在主電流回路上直接串檢測(cè)電阻和分流器的方法來檢測(cè)器件輸出電流，通過和預(yù)設(shè)基準(zhǔn)比較判斷是否發(fā)生過流，中功率IGBT模塊的電流檢測(cè)與過流、短路保護(hù)一種方法是仍然采用電阻加線性光耦檢測(cè)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(hù)的驅(qū)動(dòng)光耦配合使用，慢速的正常限電流靠霍爾信號(hào)來判斷，而快速的異常保護(hù)用帶VCE檢測(cè)功能的驅(qū)動(dòng)光耦來實(shí)現(xiàn)，也可采用分流器來實(shí)現(xiàn)異常大電流的保護(hù)，大功率IGBT模塊的電流保護(hù)由于電流響應(yīng)需要的時(shí)間較長(zhǎng)，一般選擇帶保護(hù)的驅(qū)動(dòng)光耦或者分流器來實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)。以上各種保護(hù)所涉及到的部分關(guān)鍵器件在國(guó)產(chǎn)化時(shí)因種種原因還無法直接大量使用，由于分流器保護(hù)方案所需用到的相關(guān)器件都是常規(guī)器件，電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間短，國(guó)內(nèi)很多廠家都能批量提供穩(wěn)定的產(chǎn)品，檢測(cè)保護(hù)原理如左圖二電流保護(hù)信號(hào)處理：

大電流流過分流器時(shí)產(chǎn)生會(huì)壓降，一般通過選擇合適的分流器阻值使信號(hào)幅值低于100mV以下，為降低信號(hào)處理的難度，將小信號(hào)利用穩(wěn)壓管WY1提高到五伏的基準(zhǔn)上再按照實(shí)際所需的保護(hù)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(zhǔn)連接到比較器的反相輸入端，當(dāng)電流達(dá)到一定程度，比較器同相輸入端上分流器上的電壓信號(hào)低于預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電壓時(shí)，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(hào)電壓在電流信號(hào)達(dá)到過流點(diǎn)約6.4uS后由高變低，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和電路板設(shè)計(jì)能力決定是否調(diào)整參數(shù)以便在更短滯后時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，利用此信號(hào)可關(guān)斷IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)阻止電流繼續(xù)增大達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證此電流保護(hù)電路在伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)際工作中的保護(hù)性能，按照仿真電路原理圖設(shè)計(jì)了一塊電路板，搭建了一套交流伺服驅(qū)動(dòng)器做測(cè)試環(huán)境，負(fù)載電感1.2mH，驅(qū)動(dòng)器輸入電源380VAC，最大輸出電流為30ARMS，保護(hù)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(dá)GD100PIY120C6SN，電流傳感器為華智興遠(yuǎn)HKA50-SPV;在正常供電且輸出電流達(dá)到40A時(shí)的電流保護(hù)波形如圖三：從圖中可以看出電流達(dá)到預(yù)設(shè)保護(hù)點(diǎn)后OCP信號(hào)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(hào)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(shí)驗(yàn)表明此電流保護(hù)電路響應(yīng)時(shí)間快，能在IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)要求的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出電流異常，從而為IGBT的安全使用提供一個(gè)隔離的、快速響應(yīng)的電流保護(hù)信號(hào)。

結(jié) 論：

本文分析了伺服驅(qū)動(dòng)器電流保護(hù)產(chǎn)生的路徑和幾種檢測(cè)方案，針對(duì)原有的電流保護(hù)功能在國(guó)產(chǎn)化過程中由于器件的原因難以實(shí)現(xiàn)和量產(chǎn)，提出了一種全功率等級(jí)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(hù)方案;通過電路仿真和搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此電流保護(hù)電路響應(yīng)時(shí)間快，能滿足IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)要求的關(guān)斷時(shí)間，從而為IGBT的使用提供一個(gè)隔離的、快速響應(yīng)的電流保護(hù)信號(hào)。

參考文獻(xiàn)：

[1]富士IGBT模塊應(yīng)用手冊(cè) 2004.05.

[2]英飛凌驅(qū)動(dòng)培訓(xùn)及其使用中的問題 2009.04 .