一种简易的过压或过流硬件保护电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种简易的过压或过流硬件保护电路。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，对系统电压电流的整流和逆变方案需求不断提高，使用的器件功率不断加大、处理速度加快，器件选用的体积密度持续缩小，必然对硬件开发的要求就越来越高。在设计开发中对核心器件如IGBT、SiC等关键器件的保护以及对其他外部设备能正常工作提供保障显得尤为重要，故对设备故障保护在硬件设计中也是重点需求。目前在针对系统电压和电流的过载保护中一般有两种方案，一种是通过采样电路采集当前实际运行的电压电流值，经过处理单元如DSP采集运算处理后确认采样的值超过正常值时，由DSP发出保护指令并做相应的措施起到保护器件及其他同网络设备；另一种是运用由专业厂家提供的如驱动保护板有故障反馈信号接口，通过转换电路连接到DSP可接入的电平信号，判断是否电平异常，再由DSP发出保护指令做相应的措施起到保护器件及其他同网络设备。

该两种检测方案在实际运用中也是必须的，但也有如下几个缺点：1）电压和电流进过采集调理电路后到DSP，需要进过一系列的运算处理后才能判断是否是过压或者过流，然后再发出指令，在时间响应上大大超出关键器件损坏的时间；2）由专业厂家提供的如驱动保护板有故障反馈信号电路接口虽能够提供快速响应时间，能够保护设备内部器件相应不受损坏，但对外部的设备异常往往缺失检测方案而损坏外部设备。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

针对上述技术问题，本发明提供一种简易的过压或过流硬件保护电路，其响应时间完全由硬件纳秒级的时间作为设备故障保持措施的动作指令，能够有效的保护设备的本身器件的故障。也能及时对外部负载设备的工作异常状态的保护，进一步提高整个电路网络中设备运行可靠性。

2.技术方案：

一种简易的过压或过流硬件保护电路，其特征在于：包括过压过流检测电路与隔离电平转换电路。

其中过压过流检测电路为：电路输入端串联电阻R5后连接运算放大器U2同相输入端；电路的输入端连接采样电阻R6的一端，R6的另一端接地；电阻R9的一端接地，另一端接至运算放大器U2的反向输入端；电阻R7并联至运算放大器U2的反向输入端与输出端之间；所述运算放大器的输出端串联电阻R4后连接至比较器U1A的反向输入端；电源+15VA与AGND通过分压电阻R1和R3分压后，连接至比较器U1A的同相输入端；所述运算放大器的输出端串联电阻R8后连接至比较器U1B的同相输入端；电源-15VA与AGND通过分压电阻R10和R12分压后，连接至比较器U1B的反向输入端；比较器U1A与比较器U1B的输出端相连后连接至隔离电平转换电路。

隔离电平转换电路具体为：过压过流检测电路的输出端连接至光耦合器U3的3脚，光耦合器U3的1脚连接至+15V电源，6脚连接至电源D5V，4脚接地，5脚连接至电源D5V后输出信号。

进一步地，所述过压过流检测电路的两个分压电源电源+15VA、电源-15VA均设置滤波电容。

进一步地，所述隔离电平转换电路的6脚连接的电源D5V处设置电源的滤波电容C3；输出端设置光耦输出信号的滤波电容C4。

进一步地，所述运算放大器U2的型号为BA4580RF；所述比较器U1A与比较器U1B的型号均为LM293；所述光耦合器U3的型号为TLP118。

3.有益效果：

（1）本方法中公开的过压过流检测电路；设备中的关键电压电流信号接入HALL、CT、PT等检测传感器，通过传感器变比将实际电路中较大的参数值转换成毫安级别的电流或低伏值电压值，先经过运放进行伏值的调理得到合理的电压参数值，再与后级的比较器进行固定阈值的比较，来判读得到的电压参数值是否超出设定的阈值，进而输出不同的电平信号传输到后级电路。此电路不仅可以针对输出式直流电压电流检测，还可以对交流以及回馈式直流电压电流的检测。这里需要两个器件：一个器件是运算放大器，型号为BA4580RF。运放的主要作用是通用比例调节将得到的毫安级别的电流或低伏值电压值转换成适中的电压值来适应不同参数对电路灵活的配置，还有个作用是提高输入阻抗，使各路各级采样参数之间不形成干扰，提高采样的精度；另一个器件就是比较器，型号为LM293。电路采用阈值设计，将有效的正负电压电流值设计在阈值范围内，特别适用交流的电压和电流的采集硬件防护，当调理后的电压值与初设定的阈值进行比较，在阈值范围内，比较器输出高，当调理后的电压值超出阈值，比较器输出低，进而判断设备的检测电压或电流值超出范围，快速响应做出判断及保护措施。

（2）本方法中公开的隔离电平转换电路，此电路非常简单，但在电力电子电路设计中非常高效适用，此电路只有一个光耦关键器件，有两个重要作用，可以起到电路中常用的信号隔离和电平的转换作用，使用好此电路的设计将达到事半功倍的效果，此电路使用器件高速光耦，型号为TLP118。响应速度20MBd，光耦的输出信号可以通过不同的电平转换给不同接收端，可以给DSP做信号电平的判断处理，也可以给驱动板板卡及使能控板控制端口做设备的输出使能信号使用。

理论和实践均证明，采用本方案后，可以有效解决针对设备工作中的电压和电流的实时状态监控，对同网络的负载设备也能够做出检测，当设备工作异常后，硬件电路立马做出故障信号输出到响应设备或控制中心，做出故障的保护性关断或停止部分故障点位的工作设备，起到针对性的保护措施提供快速响应，使器件及设备得到故障后的保护措施，进而也能起到安全使用设备的必要基础条件。

附图说明

图1为本发明的过压过流检测电路图；

图2为隔离电平转换电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

一种简易的过压或过流硬件保护电路，其特征在于：包括过压过流检测电路与隔离电平转换电路。

其中过压过流检测电路为：电路输入端串联电阻R5后连接运算放大器U2同相输入端；电路的输入端连接采样电阻R6的一端，R6的另一端接地；电阻R9的一端接地，另一端接至运算放大器U2的反向输入端；电阻R7并联至运算放大器U2的反向输入端与输出端之间；所述运算放大器的输出端串联电阻R4后连接至比较器U1A的反向输入端；电源+15VA与AGND通过分压电阻R1和R3分压后，连接至比较器U1A的同相输入端；所述运算放大器的输出端串联电阻R8后连接至比较器U1B的同相输入端；电源-15VA与AGND通过分压电阻R10和R12分压后，连接至比较器U1B的反向输入端；比较器U1A与比较器U1B的输出端相连后连接至隔离电平转换电路。

隔离电平转换电路具体为：过压过流检测电路的输出端连接至光耦合器U3的3脚，光耦合器U3的1脚连接至+15V电源，6脚连接至电源D5V，4脚接地，5脚连接至电源D5V后输出信号。

进一步地，所述过压过流检测电路的两个分压电源电源+15VA、电源-15VA均设置滤波电容。

进一步地，所述隔离电平转换电路的6脚连接的电源D5V处设置电源的滤波电容C3；输出端设置光耦输出信号的滤波电容C4。

进一步地，所述运算放大器U2的型号为BA4580RF；所述比较器U1A与比较器U1B的型号均为LM293；所述光耦合器U3的型号为TLP118。

具体实施例：

本电路需要三个直流电源，+15VA和-15VA及AGND为运放调理电路、比较器的供电电源，D5V和DGND为隔离电平转换光耦供电电源。具体电路分为两部分：

如图1 所示为过压过流检测电路，该电路有调理电路、阈值比较器电路组成。

1）电路中net点IN_I/V为HALL、CT、PT等检测传感器输出的毫安级别的电流或低伏值电压值，电路中R6为采样电阻，当输入值为电流值时，通过电阻R6，计算得到电压值；当输入为电压值时，该电阻忽略，再经过匹配电阻R5到运放U2的3脚，电阻R9和R7为调理比例电阻，如图所示，如果输入值为电流IN_I，到U2的1脚电压值就等于IN_I*F6*(1+R7/R9)。电路中选用的运算放大器U2，型号为BA4580RF，在不同电路中可根据需求在精度、温漂、压摆率等参数选择不同的调理运放。

2）比较器电路中选用双路比较器U1A与U1B,型号均为LM293。根据该芯片使用说明，输入电压值如果IN-比IN+高，则比较器输出为低；如果IN+比IN-高，则比较器输出为高。阈值的正值设计通过电源+15VA与AGND通过分压电阻R1和R3分压得到的值经过匹配电阻R2输入到比较器U1的3脚即IN+，阈值的负值设计通过电源-15VA与AGND通过分压电阻R10和R12分压得到的值经过匹配电阻R11输入到比较器U1的6脚即IN-，如图所示，算计阈值正值等于15VA*R3*(R1+R3)，计算阈值负值等于-15VA*R12*(R10+R12)，运算放大器U1的1脚输出电压值经过R4和R8匹配电阻分别连接到比较器U1的2脚和5脚。当U1的1脚输出电压值正值高于阈值的正值或者当U1的1脚输出电压值负值低于阈值的负值时，比较器U1的1脚或7脚输出低即net点I/V_SG信号为低电平0V，当U1的1脚输出电压值在阈值范围内，比较器U1的1脚或7脚输出高即net点I/V_SG信号为高电平15V（等于电源电压值，比较器为OC输出本应该加电阻上拉，但后级电路有上拉，此处可以不需要）。电路中的C1和C2为+15VA和-15VA电源的滤波电容。

如图2所示为隔离电平转换电路，该电路由高速光耦电路组成。

1）高速光耦电路中的光耦，型号为TLP118，响应速度为20MBd，绝缘耐压BVS为3750Vrms。光耦的选型还需要考虑工作电压、电流。传输比等参数，根据不同的电路选择不同的规格型号。

光耦U3的输入信号net点I/V_SG来自比较器U1的1脚和7脚输出信号，通过电阻R14连接到U3的3脚，经过发光二极管的1脚上拉到+15VA构成输出回路，当I/V_SG信号为高电平+15VA时，光耦U3不导通，U3的5脚输出经过R13上拉到D5V输出；当I/V_SG信号为低电平0V时，光耦U3导通，U3的5脚输出为低电平0V，即为net点Drv_EN的信号，给DSP做信号电平的判断处理，也可以给驱动板板卡及使能控板控制端口做设备的输出使能信号使用。这里需要灵活使用的是光耦输出的上拉电阻R13的电源使用问题，需要确认连接的器件或控制口的电平信号，比如如果连接到DSP管脚，那么R13的连接电源只能是3.3V，来匹配DSP检测管脚的电压值。电容C3为光耦电源的滤波电容，电容C4为光耦输出信号的滤波电容，该值的选取需要考虑响应速度，如果不加，在设备运行或受外接干扰，很容易引入干扰信号源，导致误动作，引起无故障的误处理现象；如果参数选取过大，信号响应就会出现延时，故电容容值参数选择显得重要，此电容的布局放置最好靠近检测端口处。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。