怎样理解逆变器的过流保护开关工作原理动作原理

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2024-01-12 02:30 标签： 过流保护开关工作原理
2020-02-25 21:36
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小沈带你学电工
工业环境中的短路
工业电机驱动器的工作环境相对恶劣，可能出现高温、交流线路瞬变、机械过载、接线错误以及其它突发情况。其中有些事件可能会导致较大的过流流入电机驱动器的功率电路中。图1显示了三种典型的短路事件。
图1 工业电机驱动中的典型短路事件
其中：
1是逆变器直通。这可能是由于不正确开启其中一条逆变器桥臂的两个IGBT所导致的，而这种情况又可能是因为遭受了电磁干扰或控制器故障。它也可能是因为臂上的其中一个IGBT磨损/故障导致的，而正常的IGBT保持开关动作。
2是相对相短路。这可能是因为性能下降、温度过高或过压事件导致电机绕组之间发生绝缘击穿所引起的。
3是相线对地短路。这同样可能是因为性能下降、温度过高或过压事件导致电机绕组和电机外壳之间发生绝缘击穿所引起的。一般而言，电机可在相对较长的时间内(毫秒到秒，具体取决于电机尺寸和类型)吸收极高的电流；然而，IGBT——工业电机驱动逆变器级的主要部分——短路耐受时间为微秒级。
IGBT短路耐受能力
IGBT短路耐受时间与其跨导或增益以及IGBT芯片热容量有关。更高的增益导致IGBT内的短路电流更高，因此显然增益较低的IGBT具有较低的短路电平。然而，较高增益同样会导致较低的通态导通损耗，因而必须作出权衡取舍。IGBT技术的发展正在促成增加短路电流电平，但降低短路耐受时间这一趋势。此外，技术的进步导致使用芯片尺寸更小， 缩小了模块尺寸，但降低了热容量，以至耐受时间进一步缩短。
另外，还与IGBT集电极-发射极电压有很大关系，因而工业驱动趋向更高直流总线电压电平的并行趋势进一步缩减了短路耐受时间。过去，这一时间范围是10 μs，但近年来的趋势是在往5 μs3以及某些条件下低至1 μs方向发展。
此外，不同器件的短路耐受时间也有较大的不同，因此对于IGBT保护电路而言，通常建议内建多于额定短路耐受时间的额外裕量。
IGBT过流保护
无论出于财产损失还是安全方面的考量，针对过流条件的IGBT保护都是系统可靠性的关键所在。IGBT并非是一种故障安全元件，它们若出现故障则可能导致直流总线电容爆炸，并使整个驱动出现故障。 过流保护一般通过电流测量或去饱和检测来实现。图2显示了这些技巧。
对于电流测量而言，逆变器臂和相位输出都需要诸如分流电阻等测量器件，以便应付直通故障和电机绕组故障。控制器和/或栅极驱动器中的快速执行跳变电路必须及时关断IGBT，防止超出短路耐受时间。这种方法的最大好处是它要求在每个逆变器臂上各配备两个测量器件，并配备一切相关的信号调理和隔离电路。只需在正直流总线线路和负直流总线线路上添加分流电阻即可缓解这种情况。然而，在很多情况下，驱动架构中要么存在臂分流电阻，要么存在相位分流电阻，以便为电流控制环路服务，并提供电机过流保护；它们同样可能用于IGBT过流保护——前提是信号调理的响应时间足够快，可以在要求的短路耐受时间内保护IGBT。
图2 IGBT过流保护技术示例
去饱和检测利用IGBT本身作为电流测量元件。原理图中的二极管确保IGBT集电极-发射极电压在导通期间仅受到检测电路的监控；正常工作时，集电极-发射极电压非常低(典型值为1 V至4 V)。然而，如果发生短路事件，IGBT集电极电流上升到驱动IGBT退出饱和区并进入线性工作区的电平。这导致集电极-发射极电压快速升高。上述正常电压电平可用来表示存在短路，而去饱和跳变阈值电平通常在7 V至9 V区域内。重要的是，去饱和还可表示栅极-发射极电压过低，且IGBT未完全驱动至饱和区。进行去饱和检测部署时需仔细，以防误触发。这尤其可能发生在IGBT尚未完全进入饱和状态时，从IGBT关断状态转换到IGBT导通状态期间。消隐时间通常在开启信号和去饱和检测激活时刻之间，以避免误检。通常还会加入电流源充电电容或RC滤波器，以便在检测机制中产生短暂的时间常数，过滤噪声拾取导致的滤波器杂散跳变。选择这些滤波器元件时，需在噪声抗扰度和IGBT短路耐受时间内作出反应这两者之间进行权衡。
检测到IGBT过流后，进一步的挑战便是关闭处于不正常高电流电平状态的IGBT。正常工作条件下，栅极驱动器设计为能够尽可能快速地关闭IGBT，以便最大程度降低开关损耗。这是通过较低的驱动器阻抗和栅极驱动电阻来实现的。如果针对过流条件施加同样的栅极关断速率，则集电极-发射极的di/dt将会大很多，因为在较短的时间内电流变化较大。由于线焊和PCB走线杂散电感导致的集电极-发射极电路寄生电感可能会使较大的过压电平瞬间到达IGBT(因为VLSTRAY = LSTRAY × di/dt)。因此，在去饱和事件发生期间，关断IGBT时，提供阻抗较高的关断路径很重要，这样可以降低di/dt以及一切具有潜在破坏性的过压电平。
除了系统故障导致的短路，瞬时逆变器直通同样会发生在正常工作条件下。此时，IGBT导通要求IGBT驱动至饱和区域，在该区域中导通损耗最低。这通常意味着导通状态时的栅极-发射极电压大于12 V。IGBT关断要求IGBT驱动至工作截止区域，以便在高端IGBT导通时成功阻隔两端的反向高电压。原则上讲，可以通过使IGBT栅极-发射极电压下降至0 V实现该目标。但是，必须考虑逆变器臂上低端晶体管导通时的副作用。
导通时开关节点电压的快速变化导致容性感应电流流过低端IGBT寄生密勒栅极-集电极电容(图3中的CGC)。该电流流过低端栅极驱动器(图3中的ZDRIVER)关断阻抗，在低端IGBT栅极发射极端创造出一个瞬变电压增加，如图所示。如果该电压上升至IGBT阈值电压VTH以上，则会导致低端IGBT的短暂导通，从而形成瞬态逆变器臂直通——因为两个IGBT都短暂导通。这一般不会破坏IGBT，但却能增加功耗，影响可靠性。
图3 密勒感应逆变器直通
一般而言，有两种方法可以解决逆变器IGBT的感应导通问题——使用双极性电源或额外的米勒箝位。在栅极驱动器隔离端接受双极性电源的能力为感应电压瞬变提供了额外的裕量。例如，–7.5 V负电源轨表示需要大于8.5 V的感应电压瞬变才能感应杂散导通。 这足以防止杂散导通。另一种方法是在完成关断转换后的一段时间内降低栅极驱动器电路的关断阻抗。这称为米勒箝位电路。容性电流现在流经较低阻抗的电路，随后降低电压瞬变的幅度。针对导通与关断采用非对称栅极电阻，便可为开关速率控制提供额外的灵活性。所有这些栅极驱动器功能都对整个系统的可靠性与效率有正面影响。
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大家好，我是李工，创作不易，希望大家多多支持我。今天给大家分享的是：过流保护电路、过流保护电路原理、过流保护电路制作、过流保护电路比较器、过流保护电路继电器。一、过流保护是什么意思?过电流保护（Over Current Protection）是电流超过预定最大值时的电流保护装置动作。当流过被保护原件的电流超过预设值时，保护装置动作，并利用定时来保证动作的选择性，使断路器跳闸或发出报警信号。许多电子设备都有额定电流。一旦设备超过额定电流，就会烧坏设备。因此，这些设备都做了一个电流保护模块，当电流超过设定电流时，设备自动断电保护设备，这就是过流保护。比如电脑主板上的USB接口，USB过流保护一般都要保护主板不被烧毁。一种具有过流保护功能的电源电路过流保护包括短路保护和过载保护。短路保护的特点是整定电流较大，瞬时动作。电磁式电流脱扣器（或继电器）、熔断器常用作短路保护元件。过载保护的特点是整定电流较小，反时限动作。热继电器、延时型电磁电流继电器常用作过载保护元件。熔断器也常用作过载保护元件，冲击电流不大。在TN系统中，当使用熔断器进行短路保护时，熔体额定电流应小于1/4相短路电流。带断路器保护的断路器瞬时动作或短延时动作过电流脱扣器的整定电流应小于单相短路电流的2/3。二、过流保护电路原理过电流保护装置通过在电流达到会导致导体温度过度升高或危险升高的值时断开装置来保护电路。大多数过流保护装置对短路或接地故障电流值以及过载情况都有响应。在电网发生相间短路故障或负载异常增加，或绝缘水平下降的情况下，电流会突然增大，电压会突然下降。过流保护是根据线路选择性的要求来设定电流继电器的动作电流。当线路中的故障电流达到电流继电器的动作值时，电流继电器根据保护装置的选择性要求动作，选择性地切断故障线路，并通过其触点启动时间继电器。经过预定延时后，时间继电器触点闭合，断路器脱扣线圈接通，断路器脱扣，故障线路切断，同时信号继电器动作，信号板落下，灯光或声音信号开启。当出现负载短路、过载或控制电路故障等意外情况时，会导致稳压管中的开关晶体管有过大的电流流过，从而增加管子的功耗并发热。如果没有过流保护装置，一个大功率的开关晶体管可能会损坏。因此，过流保护常用于开关稳压器。最经济方便的方法是使用保险丝。由于晶体管的热容量小，普通保险丝一般不能提供保护。通常使用快速熔断器。这种方法的优点是保护容易，但需要根据具体开关晶体管的安全工作区域的要求来选择熔断器规格。这种过流保护措施的缺点是频繁更换保险丝的不便。一种逆变器过流保护电路线性稳压器中常用的限流保护和电流切断保护可应用于开关稳压器。但是根据开关稳压器的特性，这种保护电路的输出不能直接控制开关晶体管，而必须将过流保护的输出转换成脉冲指令来控制调制器来保护开关晶体管。为了实现过流保护，一般需要在电路中串联一个采样电阻，会影响电源的效率，所以多用于小功率开关稳压器。在大功率开关稳压电源中，考虑到功耗，应尽量避免使用采样电阻。因此，过流保护通常转换为过压和欠压保护。相关电路的原点设有保护装置，如下图所示：过流保护电路过流保护电路在比电路布线的 I2t 特性给出的时间更短的时间内切断电流，但允许最大负载电流 IB 无限期地流动。绝缘导体在承载短路电流时的特性，在短路开始后长达 5 秒的时间段内，可大致由以下公式确定：I2t = k2 S2这表明产生的允许热量与导体的平方横截面积成正比。这里：t = 短路电流持续时间（秒）S = 绝缘导体的横截面积 (mm2)I = 短路电流 (A rms)k = 绝缘导体常数（k 值在下图中给出）对于给定的绝缘导体，最大允许电流因环境而异。例如，对于高环境温度（θa1 > θa2），Iz1 小于 Iz2（见下图）。θ 表示“温度”。过流保护电路ISC = 三相短路电流ISCB = 额定 3 相，断路器的短路开断电流。Ir（或 Irth）[1] = 调节的“标称”电流水平；例如，50 A 标称断路器可以调节为具有保护范围，即类似于 30 A 断路器的常规过电流脱扣水平。三、过流保护类型复合型：多种保护串联。限功率型：总功率限输出重绕型：初始电流恒定，电压下降到一定值电流开始下降。打型：过流，电流电压降到0，然后开始反复上升。恒流：恒流、压降几种过流保护方式的比较下图列举了 4 种 过流保护电路方法：4 种 过流保护电路方法四、过流保护电路制作1、过流保护电路比较器过流保护电路种类繁多，电路的复杂性取决于保护电路在过流情况下的反应速度。下面这个电路使用很常见的运算放大器构建一个简单的过流保护电路。该电路将具有可调节的过流阈值，并且还将具有故障时自动重启功能。由于这是一个基于运算放大器的过流保护电路，1）LM35运算放大器这里使用了通用运算放大器LM358，作为驱动单元。在下图中，显示了 LM358 的引脚图。LM358 运算放大器引脚图2）RF540N mos管在本项目中，使用了N 沟道 MOSFET IRF540N，如果负载电流大于 500mA，建议使用合适的 MOSFET 散热器。对于下面这个电路，MOSFET 没有使用散热器。下图是 IRF540N 引脚图 的表示。RF540N mos管3）LM7809 线性稳压器为了给运算放大器和电路供电，使用了LM7809 线性稳压器。这是一款具有宽输入电压额定值的 9V 1A 线性稳压器。引脚排列如下图所示：LM7809 线性稳压器4）过流保护电路比较器元器件清单面包板电源 12V（最低）或根据电压要求LM358100uF 25VIRF540N散热器（根据应用要求）50k 装饰锅1k 电阻，容差为 1%1Meg 电阻100k 电阻，容差为 1%。1ohms电阻，2W（2W最大1.25A负载电流）面包板电线5）过流保护电路比较器一个简单的过流保护电路可以通过使用运算放大器来感应过流来设计，并根据结果，我们可以驱动 Mosfet 断开/连接负载与电源。相同的电路图很简单，如下图所示：过流保护电路工作6）过流保护电路比较器工作原理从电路图中可以看出，MOSFET IRF540N 用于在正常和过载情况下控制负载为 ON 或 OFF 。但在关闭负载之前，必须检测负载电流。这是通过使用分流电阻 R1来完成的，它是一个 2 瓦额定值的 1 欧姆分流电阻，这种测量电流的方法称为分流电阻电流感应.在 MOSFET 导通状态期间，负载电流通过 MOSFET 的漏极流向源极，最后通过分流电阻流向 GND。根据负载电流，分流电阻产生的电压降可以使用欧姆定律计算。因此，我们假设，对于 1A 的电流（负载电流）：分流电阻上的电压降为 1V，因为 V = I x R (V = 1A x 1 Ohm)。因此，如果将此压降与使用运算放大器的预定义电压进行比较，我们可以检测到过流并改变 MOSFET 的状态以切断负载。在该电路中，运算放大器 LM358 被配置为比较器。根据原理图，比较器比较两个值。第一个是分流电阻上的压降，另一个是使用可变电阻或电位计 RV1 的预定义电压（参考电压）。RV1 充当分压器。分流电阻上的压降由比较器的反相端检测，并与连接在运算放大器同相端的电压基准进行比较。因此，如果检测到的电压低于参考电压，比较器将在输出端产生一个接近比较器 VCC 的正电压。但是，如果检测到的电压大于参考电压，比较器将在输出端产生负电源电压（负电源连接到 GND，因此在这种情况下为 0V）。该电压足以打开或关闭 MOSFET。2、过电流保护电路继电器在过电流继电器或o/c 继电器中，动作量仅为电流。继电器中只有一个电流动作元件，不需要电压线圈等来构成这种保护继电器。1）过电流继电器的工作原理在过电流继电器中，基本上会有一个电流线圈。当正常电流流过这个线圈时，线圈产生的磁效应不足以移动继电器的运动元件，因为在这种情况下，约束力大于偏转力。但是当通过线圈的电流增加时，磁效应增加，并且在一定程度的电流后，线圈磁效应产生的偏转力，越过约束力。结果，移动元件开始移动以改变继电器中的触点位置。过电流继电器虽然有不同的类型，但过电流继电器的基本工作原理大致相同。2）过电流继电器的种类瞬时过电流继电器定时限过电流继电器反时限过电流继电器反时限过流继电器或简单的反相过流继电器又细分为反时限定时(IDMT)、极反时限、极反时限过流继电器或OC 继电器。3）瞬时过电流继电器瞬时过电流继电器的结构和工作原理非常简单。在此，磁芯通常由电流线圈缠绕，一块铁被继电器中的铰链支撑和限制弹簧安装，当线圈中没有足够的电流时，常开触点保持打开状态。当线圈中的电流超过预设值时，吸引力足以将铁片拉向磁芯，从而使无触点闭合。我们将继电器线圈中电流的预设值称为吸合设定电流。该继电器称为瞬时过电流继电器，理想情况下，一旦线圈中的电流高于启动电流，继电器就会工作。没有应用故意的时间延迟。但总是有一个内在的时间延迟，我们实际上无法避免。实际上，瞬时继电器的操作时间大约为几毫秒。瞬时过电流继电器瞬时过电流继电器4）定时限过电流继电器定时限过电流继电器是通过在跨接电流值后应用有意的时间延迟来创建的。可以调整定时限过流继电器以在其启动后的准确时间发出跳闸输出。因此，它具有时间设置调整和拾取调整。定时限过电流继电器5）反时限过电流继电器反时限过电流继电器是任何感应式旋转装置的自然特征。这里，如果输入电流越大，设备旋转部分的旋转速度就越快。换言之，工作时间与输入电流成反比。机电感应盘式继电器的这种天然特性非常适用于过流保护。如果故障严重，将更快地清除故障。虽然时间反演特性是机电感应盘式继电器所固有的，但在基于微处理器的继电器中也可以通过适当的编程来实现相同的特性。反时限过电流继电器6）反定时限过流继电器或 IDMT O/C 继电器在过电流继电器中无法实现理想的反时限特性。随着系统中电流的增加，电流互感器的次级电流按比例增加。次级电流进入继电器电流线圈。但是当 CT 饱和时，CT 次级电流不会随着系统电流的增加而进一步成比例地增加。从这一现象可以看出，从特技值到一定范围的故障等级，反时限继电器表现出特定的反时特性。但是在这个级别的故障之后，CT变得饱和，并且继电器电流不会随着系统故障级别的增加而进一步增加。由于继电器电流没有进一步增加，因此继电器的操作时间不会进一步减少。我们将此时间定义为最小操作时间。因此，特性在初始部分是相反的，随着电流变得非常高，它趋于确定的最小操作时间。这就是为什么继电器被称为反向确定最小时间过电流继电器或简称IDMT 继电器。以上就是关于过流保护电路的知识，希望大家多多支持我，得点赞，关注，有问题欢迎在评论区留言，大家一起讨论。参考来源：apogeeweb.net+circuitdigest+electrical4u。图片来源于网络

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