步进电机驱动器中igbt保护电路及保护方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种步进电机驱动器中IGBT过流保护方法 及保护电路。
【背景技术】
[0002] IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘概双极型晶体管）是步进电机 驱动器中常见的一种电子器件，用于驱动器电路的PWM(Pulse-Width Modulation，脉宽调 变）功率转换。在工作中，当步进电机驱动器PffM功率转换电路内部电流换向以及步进电 机制动或反转的时候，步进电机内部感性元件会释放反向电流，造成IGBT内的电流急剧增 加，一旦电流值超出IGBT的安全工作区，则会造成IGBT损坏，此时需要步进电机驱动器对 IGBT进行保护性关闭。
[0003] 目前，IGBT的保护方法主要是使用延迟检测。当保护电路检测到IGBT中电流过 大时，由于延迟设计并不在第一时间动作，而是过流时间满足预设值后，保护电路对控制电 路发送保护信号对IGBT进行保护，这样可以排除IGBT在安全工作区内暂时性的电流波动， 避免步进电机驱动器频繁关闭。
[0004] 但是，由于在标准栅极电压驱动下，IGBT的抗过流时间较短，保护电路也只能在很 短的时间内进行检测与保护，并且在这段时间内IGBT的di/dt值变化很大，导致保护电路 判断的准确性较低。另外，由于步进电机转速以及负载惯量等不同因素的影响，IGBT工作 时的过流时间以及过流电流的幅值也会有很大的不同，当出现较大的过流电流时，即使保 护电路做出反应，过流电流也会在很短时间内超出IGBT的安全工作区，这样即便没有导致 IGBT当场损坏，也会降低IGBT的使用寿命和可靠性。
【发明内容】
[0005] 本发明为解决现有电机驱动器中对IGBT的保护存在判断准确性低，电路过流容 错时间短，IGBT使用寿命短以及可靠性差等技术问题。提供一种步进电机驱动器中IGBT保 护电路及保护方法。
[0006] 步进电机驱动器中IGBT保护电路，包括控制电路、过流保护电路、电流互感器、第 一栅极驱动、第二栅极驱动、IGBT Tl~T4、栅极电阻Rl~R4、栅极稳压二极管Dl~D4以 及三极管Ql~Q4 ;所述控制电路与第一栅极驱动第二栅极驱动以及三级管Ql~Q4的基 极连接；
[0007] 所述第一栅极驱动分别通过栅极电阻Rl和R2与IGBT Tl和IGBT T2的栅极连接， 第二栅极驱动通过栅极电阻R3和R4与IGBT T3和IGBT T4的栅极连接；
[0008] 所述三极管Ql~Q4的集电极与稳压二极管Dl~D4的阴极连接，稳压二极管 Dl~D4的阳极与IGBT Tl~T4的栅极连接；
[0009] 所述IGBT Tl~T4与步进电机线圈构成H型PffM功率转换电路，电流互感器串联 在步进电机线圈中，电流互感器的输出端与过流保护电路的输入端连接，过流保护电路的 输出端与控制电路连接。
[0010] 步进电机驱动器中IGBT保护电路的保护方法，该方法针对步进电机驱动器内部 的PffM功率转换电路的电流换向以及步进电机制动或反转，产生的过流电流的保护，该方 法由以下步骤实现：
[0011] 步骤一、通过串联在步进电机线圈上的电流互感器采集IGBT Tl~T4中流过的电 流；
[0012] 步骤二、当电流互感器采集到高于预设值的电流时，过流保护电路向控制电路发 出过流电流信号，控制电路检测到所述过流电流信号后，通过降压电路将IGBT Tl~T4的 栅极驱动电压降低；
[0013] 步骤三、判断步骤二中所述的过流电流信号是否存在，如果否，则控制电路将IGBT Tl~T4的栅极驱动电压恢复到正常值；如果是，执行步骤四；
[0014] 步骤四、判断所述过流电流信号是否持续到预设的时间值，如果是，则控制电路将 IGBT关闭；如果否，则控制电路将IGBT Tl~T4的栅极驱动电压恢复到正常值。
[0015] 步进电机驱动器中IGBT保护电路的保护方法，针对步进电机发生制动或反转时， 产生过流电流的保护，采用下述方法实现：
[0016] 步骤A、步进电机正常工作时，控制电路记录设定的步进电机转速值和电流值，并 对记录的转速与电流值进行计算，获得当前步进电机线圈中的反馈电流值；
[0017] 步骤B、当控制电路接收到步进电机的制动或反转信号时，将步骤一中获得的反馈 电流值与预设的阈值电流进行比较，如果所述的反馈电流值高于阈值电流，则控制电路控 制关闭IGBT Tl~T4。
[0018] 本发明的有益效果：本发明所述的IGBT保护电路，降低了步进电机驱动器对短时 间内较小过流电流的保护次数，提高步进电机驱动器的工作效率；本发明降低了短时间内 较大过流电流对IGBT的冲击次数，提高了 IGBT的寿命与稳定性。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的实施例所提供的IGBT保护电路的示意图。
【具体实施方式】
[0020] 具体实施方案一，本方案具体针对第一类过流电流进行保护。如图一所示，本方案 主要包括控制电路1、过流保护电路2、电流互感器3、第一栅极驱动4、第二栅极驱动5、IGBT Tl~T4、栅极电阻Rl~R4、栅极稳压二极管Dl~D4以及三极管Ql~Q4。其中控制电路 1与第一栅极驱动、第二栅极驱动及三级管Ql~Q4基极连接，第一栅极驱动、第二栅极驱 动通过栅极电阻Rl~R4与IGBT Tl~T4栅极连接，三极管Ql~Q4集电极与稳压二极管 Dl~D4阴极连接，稳压二极管Dl~D4阳极与IGBT Tl~T4栅极连接，IGBT Tl~T4与 步进电机线圈构成H型PffM功率转换电路，电流互感器3串联在电机线圈中，电流互感器3 的输出端与过流保护电路2的输入端连接，过流保护电路的输出端与控制电路1连接。
[0021] 通过以上电路的配置设计，包括对第一类过流电流和第二类过流电流的保护方 法，且所述第一类的过流电流值低于第二类的过流电流值；对于第一类过流电流，其主要产 生的原因包括步进电机驱动器内部PWM功率转换电路的电流换向，以及步进电机制动或反 转，针对第一类过流电流的保护方法为：
[0022] 步骤一：在IGBT正常工作时，控制电路1控制第一栅极驱动4、第二栅极驱动）对 IGBT Tl~T4进行开关，电流互感器3对流过步进电机线圈的电流进行监测，并将电流波形 转换为电压波形输出至过流保护电路2与预设电压值进行对比；
[0023] 步骤二：当步进电机线圈中流过超出正常范围的电流时，电流互感器3向过流保 护电路2发送超出正常范围的电压波形，过流保护电路2在检测到该电压后向控制电路1 发送保护请求至控制电路1，控制电路1控制三极管Ql~Q4导通，使稳压二极管Dl~D4 导通，对IGBT Tl~T4的栅极进行降压保护操作；
[0024] 步骤三：若该过流信号持续时间超过预设的过流保护时间，则控制电路控制栅极 驱动关闭IGBT，对IGBT进行保护性关断。
[0025] 在本发明实施例中，当监测到IGBT中的电流过流后，IGBT的栅极电压会被降低， 使 IGBT 的 Vce (Collector-Emitter Saturation Voltage，集电极-发射极饱和压降）提高， 提高IGBT的以延长IGBT自身抗过流时间，同时也延长了过流保护电路对过流电流的 反应时间，降低了对过流保护电路的反应要求，提高了对过流判断的准确性。
[0026] 本实施方式中所述的栅极稳压二极管Dl~D4和三极管Ql~Q4组成降压电路。 步骤三所述的高于正常范围的电流设定为高于额定电流的1. 5~3倍。
[0027] 针对第二类过流电流，其主要产生的原因包括步