國產化伺服驅動的電流保護

朱劍波

摘要：電流保護是伺服驅動器能安全可靠工作的關鍵功能之一，伺服驅動器設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下不損壞。本文分析比較了伺服驅動在國產化設計中幾種可行的電流保護電路優缺點，并通過實驗驗證了分流器保護方案。

關鍵詞：分流器;國產化;電流保護;伺服驅動

引 言：伺服驅動器內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，在非正常工作狀態下不損壞。保護應首先從伺服驅動器總體設計上考慮，包括器件的正確選型和使用，驅動和控制電路的合理設計、相互匹配，使器件和電路工作于最佳狀態，最佳的伺服驅動器設計應以保護電路形同虛設為目標。但由于外界不可預料因素和非正常工作條件，電流保護電路是必不可少的，當發生故障時提前關斷大電流保護功率器件不損壞，提高伺服驅動器運行的安全性和可靠性。

1 異常電流的產生及檢測

一般伺服驅動器異常大電流產生時都伴隨著母線電壓比較高，電壓與電流的關系可用關系式U = I * L/t 來表達，正常工作環境下由于回路電感L的存在使得電流L不會有突然的變化可能，當由于某些原因使電感L被短路或出現新的小電感回路時（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，由此產生的異常大電流可能會導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不會有產生退飽和，也不會在短時間內電流就超出IGBT的SOA區域導致IGBT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溫變高而導致IGBT受損。另一種情況就是回路上電感量很小時，流過IGBT的電流短時間內就會快速變大，根據IGBT廠家提供的數據，當電流上升到4*Ic左右時，IGBT會產生退飽和現象，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內關掉驅動以保護IGBT。為了檢測電流是否異常，需要在異常大電流可能流經的路徑上選擇合適的監測點并輔以相應的檢測元件。通過對驅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控異常電流，可選為監測點;檢測元件可選行業內上常見的幾種傳感器就能滿足需求，如帶保護功能的驅動光耦、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式霍爾電流傳感器和閉環式霍爾電流傳感器。對于以上各種傳感器及監測點如何選擇，可以從以下幾個方面對比后根據信號的需求來確定： 閉環式霍爾電流傳感器：閉環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品，響應時間快，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）開環式霍爾電流傳感器：開環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品，成本相比閉環霍爾要低不少;缺點是當檢測電流接近傳感器最大檢測值時響應比較慢，響應時間可參考具體廠家和型號的數據文檔，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換后再比較導致響應時間比較慢;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沒有區別;將分流器上的信號不經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，優點是檢測電流范圍非常大，成本低，響應快;缺點是需要一組獨立電源供電。

2 電流保護電路的設計

盡管我國芯片產業發展的速度非常快，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，目前在驅動器國產化過程中經常遇到有些器件沒有合適的國產型號替代，需要根據現有的國產器件更改原有的成熟設計來達到目標。驅動器里的IGBT是在高壓大電流工況下高頻開關的功率器件，器件內部的電流密度很大。當發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以內或更快的時間內關斷。實踐統計表明：過電流是有IGBT的電力電子線路中經常發生的損壞IGBT的主要原因之一，因此過流保護應當首先被考慮。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，通過和預設基準比較判斷是否發生過流，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檢測功能的驅動光耦來實現，也可采用分流器來實現異常大電流的保護，大功率IGBT模塊的電流保護由于電流響應需要的時間較長，一般選擇帶保護的驅動光耦或者分流器來實現快速保護。以上各種保護所涉及到的部分關鍵器件在國產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器件都是常規器件，電路簡單，響應時間短，國內很多廠家都能批量提供穩定的產品，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設基準電壓時，比較器輸出低電平，高速光耦U1導通，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，實際設計時可以根據應用環境和電路板設計能力決定是否調整參數以便在更短滯后時間內響應，利用此信號可關斷IGBT驅動信號阻止電流繼續增大達到保護IGBT的目的。

3 實驗驗證

為驗證此電流保護電路在伺服驅動器實際工作中的保護性能，按照仿真電路原理圖設計了一塊電路板，搭建了一套交流伺服驅動器做測試環境，負載電感1.2mH，驅動器輸入電源380VAC，最大輸出電流為30ARMS，保護電流設置為40ARMS，IGBT開關頻率為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設保護點后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OCP信號電壓由高變為低后再次允許電流輸出。通過電路仿真和實驗表明此電流保護電路響應時間快，能在IGBT數據手冊要求的關斷時間內檢測出電流異常，從而為IGBT的安全使用提供一個隔離的、快速響應的電流保護信號。

結 論：

本文分析了伺服驅動器電流保護產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化過程中由于器件的原因難以實現和量產，提出了一種全功率等級均可使用的低成本、易于量產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境測試，實驗結果證明此電流保護電路響應時間快，能滿足IGBT數據手冊要求的關斷時間，從而為IGBT的使用提供一個隔離的、快速響應的電流保護信號。

參考文獻：

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