国产化伺服驱动的电流保护

朱剑波

摘要：电流保护是伺服驱动器能安全可靠工作的关键功能之一，伺服驱动器设计各种保护的目的是为了保证功率器件和电路安全可靠运行，在各种非正常工作状态下不损坏。本文分析比较了伺服驱动在国产化设计中几种可行的电流保护电路优缺点，并通过实验验证了分流器保护方案。

关键词：分流器;国产化;电流保护;伺服驱动

引 言：伺服驱动器内部一般集成有各种保护功能，其目的是为了保证各功率器件和电路安全可靠运行，在非正常工作状态下不损坏。保护应首先从伺服驱动器总体设计上考虑，包括器件的正确选型和使用，驱动和控制电路的合理设计、相互匹配，使器件和电路工作于最佳状态，最佳的伺服驱动器设计应以保护电路形同虚设为目标。但由于外界不可预料因素和非正常工作条件，电流保护电路是必不可少的，当发生故障时提前关断大电流保护功率器件不损坏，提高伺服驱动器运行的安全性和可靠性。

1 异常电流的产生及检测

一般伺服驱动器异常大电流产生时都伴随着母线电压比较高，电压与电流的关系可用关系式U = I * L/t 来表达，正常工作环境下由于回路电感L的存在使得电流L不会有突然的变化可能，当由于某些原因使电感L被短路或出现新的小电感回路时（图一 小电感回路），如蓝色和红色曲线所示，电流就会以远超正常变化斜率的速度增加，由此产生的异常大电流可能会导致功率器件受损或直接烧毁。

一般情况下，由于回路上电感量较大，电流变化速度不会很快，IGBT不会有产生退饱和，也不会在短时间内电流就超出IGBT的SOA区域导致IGBT直接被损坏;但是由于实际电流会超过正常情况下的工作电流，IGBT的损耗会因此增加使得结温变高而导致IGBT受损。另一种情况就是回路上电感量很小时，流过IGBT的电流短时间内就会快速变大，根据IGBT厂家提供的数据，当电流上升到4*Ic左右时，IGBT会产生退饱和现象，此时IGBT的VCE可能会达到母线电压，损耗急剧上升，按照IGBT使用手册要求，需要在10uS内关掉驱动以保护IGBT。为了检测电流是否异常，需要在异常大电流可能流经的路径上选择合适的监测点并辅以相应的检测元件。通过对驱动器主回路的工作原理分析，异常大电流流过的支路如图一中箭头曲线所示，同时这几条电流支路也可以很方便的插入电流检测元件监控异常电流，可选为监测点;检测元件可选行业内上常见的几种传感器就能满足需求，如带保护功能的驱动光耦、霍尔电流传感器、霍尔电流检测芯片、采样电阻加线性光耦和分流器等，其中霍尔电流传感器还分为开环式霍尔电流传感器和闭环式霍尔电流传感器。对于以上各种传感器及监测点如何选择，可以从以下几个方面对比后根据信号的需求来确定： 闭环式霍尔电流传感器：闭环传感器检测电流范围大，从几安到上千安都有成熟的系列产品，响应时间快，输出一般为电流信号，抗干扰能力强;缺点是成本高，占用空间大;A）开环式霍尔电流传感器：开环传感器检测电流范围大，从几安到上千安都有成熟的系列产品，成本相比闭环霍尔要低不少;缺点是当检测电流接近传感器最大检测值时响应比较慢，响应时间可参考具体厂家和型号的数据文档，输出信号一般为电压信号，抗干扰能力较弱同时占用空间大;B）采样电阻加线性光耦：理论上检测电流范围不受限制，但由于采样电阻的原因使得这个方案仅适用于中小功率的驱动器上，成本非常低;缺点是需要为线性光耦单独提供一组隔离的电源，由于需要对高压信号进行隔离转换后再比较导致响应时间比较慢;C）分流器保护：分流器本身也可算作是一种采样电阻，和线性光耦配合使用时与方案C没有区别;将分流器上的信号不经过隔离直接比较后再用高速光耦隔离可获得处理好的电流保护信号，优点是检测电流范围非常大，成本低，响应快;缺点是需要一组独立电源供电。

2 电流保护电路的设計

尽管我国芯片产业发展的速度非常快，但与国际先进水平相比还是有非常大的，器件种类和型号还不够全，目前在驱动器国产化过程中经常遇到有些器件没有合适的国产型号替代，需要根据现有的国产器件更改原有的成熟设计来达到目标。驱动器里的IGBT是在高压大电流工况下高频开关的功率器件，器件内部的电流密度很大。当发生过流或短路故障时，为了保证IGBT安全工作，需要将流过的IGBT的大电流在10us以内或更快的时间内关断。实践统计表明：过电流是有IGBT的电力电子线路中经常发生的损坏IGBT的主要原因之一，因此过流保护应当首先被考虑。以IGBT模块等级来看，小功率IGBT模块的过流保护通常采用在主电流回路上直接串检测电阻和分流器的方法来检测器件输出电流，通过和预设基准比较判断是否发生过流，中功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护一种方法是仍然采用电阻加线性光耦检测法，为了降低采样电阻的发热还需给电阻加装散热装置，第二种方法是采用霍尔传感器和带保护的驱动光耦配合使用，慢速的正常限电流靠霍尔信号来判断，而快速的异常保护用带VCE检测功能的驱动光耦来实现，也可采用分流器来实现异常大电流的保护，大功率IGBT模块的电流保护由于电流响应需要的时间较长，一般选择带保护的驱动光耦或者分流器来实现快速保护。以上各种保护所涉及到的部分关键器件在国产化时因种种原因还无法直接大量使用，由于分流器保护方案所需用到的相关器件都是常规器件，电路简单，响应时间短，国内很多厂家都能批量提供稳定的产品，检测保护原理如左图二电流保护信号处理：

大电流流过分流器时产生会压降，一般通过选择合适的分流器阻值使信号幅值低于100mV以下，为降低信号处理的难度，将小信号利用稳压管WY1提高到五伏的基准上再按照实际所需的保护电流值选择合适分压比（调整R1和R7的阻值）作为比较器U2的参考基准连接到比较器的反相输入端，当电流达到一定程度，比较器同相输入端上分流器上的电压信号低于预设基准电压时，比较器输出低电平，高速光耦U1导通，通过仿真可以看到OCP信号电压在电流信号达到过流点约6.4uS后由高变低，实际设计时可以根据应用环境和电路板设计能力决定是否调整参数以便在更短滞后时间内响应，利用此信号可关断IGBT驱动信号阻止电流继续增大达到保护IGBT的目的。

3 实验验证

为验证此电流保护电路在伺服驱动器实际工作中的保护性能，按照仿真电路原理图设计了一块电路板，搭建了一套交流伺服驱动器做测试环境，负载电感1.2mH，驱动器输入电源380VAC，最大输出电流为30ARMS，保护电流设置为40ARMS，IGBT开关频率为6KHZ，分流器材料选用1mm厚的康铜板，高速光耦为深圳奥伦德OR-6N137S，IGBT为嘉兴斯达GD100PIY120C6SN，电流传感器为华智兴远HKA50-SPV;在正常供电且输出电流达到40A时的电流保护波形如图三：从图中可以看出电流达到预设保护点后OCP信号电压由低变高，三相输出电流马上开始向零电流变化，电流减小;当OCP信号电压由高变为低后再次允许电流输出。通过电路仿真和实验表明此电流保护电路响应时间快，能在IGBT数据手册要求的关断时间内检测出电流异常，从而为IGBT的安全使用提供一个隔离的、快速响应的电流保护信号。

结 论：

本文分析了伺服驱动器电流保护产生的路径和几种检测方案，针对原有的电流保护功能在国产化过程中由于器件的原因难以实现和量产，提出了一种全功率等级均可使用的低成本、易于量产的分流器加高速光耦的保护方案;通过电路仿真和搭建实验环境测试，实验结果证明此电流保护电路响应时间快，能满足IGBT数据手册要求的关断时间，从而为IGBT的使用提供一个隔离的、快速响应的电流保护信号。

参考文献：

[1]富士IGBT模块应用手册 2004.05.

[2]英飞凌驱动培训及其使用中的问题 2009.04 .