基于镜像恒流源的IGBT交流伺服驱动器保护电路

技术领域

本发明涉及交流伺服驱动器技术，特别是一种交流伺服驱动器输出端相间短路保护电路。

背景技术

IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种复合器件，是电压型功率半导体器件，具有输入阻抗高，开关频率高，易于驱动等优点，所以被广泛应用于电动汽车、交流伺服驱动器和开关电源领域。

交流伺服驱动器广泛使用在各种自动控制系统中，如机床、机器人等民用领域，在使用过程中，可能会因为电缆安装、绝缘层破损等原因，造成驱动器输出端相间出现短路，如果不进行故障检测与保护，短时间内功率器件上流过的电流急剧上升，就会造成功率器件的损坏。

目前的交流伺服驱动器产品，大部分不具备驱动器输出端相间短路的检测和保护，小部分的驱动器具有输出端相间短路检测电路。这部分驱动器的检测原理大多是采用取样电阻、电流霍尔传感器或其他电流检测手段，检测输出端的电流，当发生输出端短路情况时，输出端的电流急速上升，检测的电流超过设定阈值后，驱动器进行报警和保护动作，这种检测手段是建立在功率器件已经发生了因短路引起的过流之后，而且设定的阈值为了防止误保护也会高于功率器件的额定电流，保护电路动作需要一定的时间，在保护电路动作未完成时，输出端电流上升就可能已经将功率器件损坏，即使功率器件未完全损坏，因短时过流冲击，也会对功率器件内造成不可恢复的损伤，影响器件的性能，降低驱动器的可靠性。

因此，需要设计交流伺服驱动器输出端短路的检测和保护电路，使驱动器避免因短路过流引起的损伤和损坏。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于镜像恒流源的IGBT交流伺服驱动器保护电路，将镜像恒流源电路和电流检测功能集成在一起，外围电路结构简单，提高了IGBT的短路保护功能。

本发明的目的是这样实现的：基于镜像恒流源的IGBT交流伺服驱动器保护电路，包括相互连接的镜像恒流源电路、电流检测电路和光耦输入电路；所述镜像恒流源电路将IGBT功率电路所需电源分压，决定保护阈值；所述电流检测电路根据IGBT输出电流决定电流走向；所述光耦输入电路包括光耦，根据光耦原边是否导通决定输入至CPU电平高低。所述镜像恒流源电路包括第一PNP双管、第二PNP双管、第一滤波电容、第一分压电阻、第四电阻和第五电阻；所述第一PNP双管的两个基极相对接，第一PNP双管的两个发射极与IGBT功率电路的第一电源相连，所述第二PNP双管的两个基极相对接，第二PNP双管的两个发射极通过第一滤波电容相连接，第一PNP双管的其中一个集电极与第二PNP双管的其中一个集电极通过第四电阻连接，第一PNP双管的另一个集电极与第二PNP双管的另一个集电极相连后与第五电阻的一端相连；所述第一分压电阻的一端与IGBT功率电路的第一电源相连，第一分压电阻的另一端连接第二分压电阻的一端，第二分压电阻的另一端与Vcom相连；所述第一滤波电容的一端还连接在第一分压电阻与第二分压电阻之间，第一滤波电容的另一端与IGBT的电源地相连。

优选的，所述电流检测电路包括第三取样电阻，第三取样电阻的一端与第二分压电阻及Vcom相连，第三取样电阻的另一端与IGBT的电源地相连。

优选的，所述光耦输入电路还包括三极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二电容和第三电容；所述第七电阻并联在光耦原边一脚与二脚之间，第七电阻的一端还连接第六电阻，第六电阻的另一端与第一电源相连，第七电阻的另一端与三极管的集电极相连，所述光耦副边四脚与第二电容的一端相连后与第二电源相连，第二电容的另一端与第二电源所对应的地相连，所述第八电阻与第三电容并联后的一端与光耦副边三脚相连、另一端与第二电源所对应的地相连；所述三极管的基极与第五电阻的另一端相连，三极管的发射极与IGBT的电源地相连。

本发明的上述技术方案优点如下，利用双极性晶体管搭建镜像恒流源电路，将镜像恒流源电路和电流检测电路集成在一起，外围电路结构简单，降低系统硬件设计成本，提高了IGBT的保护功能，增加了开通和关断的可靠性，实现器件国产化需求，满足设备对伺服驱动器的特殊需求。

附图说明

图1是本发明基于镜像恒流源的IGBT交流伺服驱动器保护电路原理图。

图2是本发明实施例的镜像恒流源电路的原理图。

图3是本发明实施例的电流检测电路的原理图。

图4是本发明实施例的光耦输入电路的原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施案例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1至图4所示，基于镜像恒流源的IGBT交流伺服驱动器保护电路，包括镜像恒流源电路1、电流检测电路2和光耦输入电路3。

镜像恒流源电路1包括第一PNP双管N1、第二PNP双管N2、第一滤波电容C1、第一分压电阻R1、第四电阻R4和第五电阻R5。第一PNP双管N1的两个基极相对接，第一PNP双管N1的两个发射极与IGBT功率电路的第一电源P1相连，第二PNP双管N2的两个基极相对接，第二PNP双管N2的两个发射极通过第一滤波电容C1相连接，第一PNP双管N1的其中一个集电极与第二PNP双管N2的其中一个集电极通过第四电阻R4连接，第一PNP双管N1的另一个集电极与第二PNP双管N2的另一个集电极相连后与第五电阻R5的一端相连。第一分压电阻R1的一端与IGBT功率电路的第一电源P1相连，第一分压电阻R1的另一端连接第二分压电阻R2的一端，第二分压电阻R2的另一端与Vcom相连；第一滤波电容C1的一端还连接在第一分压电阻R1与第二分压电阻R2之间，第一滤波电容C1的另一端与IGBT的电源地M600相连。镜像恒流源电路1将IGBT功率电路所需电源P1经R1、R2分压，决定保护阈值。

电流检测电路2，当IGBT输出电流高于设定阈值时，流经镜像恒流源电路1电流方向发生转变。镜像恒流源电路1与电流检测电路2集成在一起，电流检测电路2包括取样电阻R3，取样电阻R3的一端与第二分压电阻R2及Vcom相连，取样电阻R3的另一端与IGBT的电源地M600相连。

光耦输入电路3包括光耦N3、三极管N5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二电容和第三电容；第七电阻R7并联在光耦N3原边1脚与2脚之间，第七电阻R7的一端连接第六电阻R6，第六电阻R6的另一端与第一电源P1相连，第七电阻R7的另一端与三极管N5的集电极相连，光耦N3副边4脚与第二电容的一端相连后与第二电源P2相连，第二电容的另一端与第二电源P2所对应的地GND相连，第八电阻R8与第三电容C3并联后的一端与光耦N3副边3脚相连、另一端第二电源P2所对应的地GND相连。三极管N5的基极与第五电阻R5的另一端相连，三极管N5的发射极与IGBT的电源地M600相连。当检测电流大于阈值时，光耦N3原边导通，副边输出PUF信号跳变，CPU检测信号随之跳变，关断PWM，保护IGBT。

本发明的原理是：

以附图2中N1、N2为例进行分析，N1集电极流出电流用I1、I2表示，N2集电极流入电流用I1、I3表示，R5流入电流用I4表示，N2基极与发射极两端电压用Vbe、Vbe1表示，流经取样电阻R3电流用I表示， P1电压、R1电阻、R2电阻决定了电压保护阈值；I1、I2值由R4电阻决定(I1=I2)；Vcom随着电流I的增大而减小，Vbe随着电流I的增大而增大；当Vbe≥Vbe1时，N2截止，I2流向R5即I4，此时N5导通；N5导通，光耦原边导通，副边电平发生跳变，从而关断PWM。

综上所述，本发明基于镜像恒流源的IGBT交流伺服驱动器保护电路，控制电路简单，降低了成本，实现元器件100%国产化。

以上实施案例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施案例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。