一种用于高压系统的电流保护电路及电流保护方法与流程

本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种用于高压系统的电流保护电路及电流保护方法。

背景技术：

在大量的高压系统中(如大功率舵机系统、大功率伺服、变频器、空调器数控机床等)，假设将该高电压系统分为“供电系统”、“电流检测系统”、“控制系统”以及“负载系统”，为了提高高压系统的可靠性，需要实现其母线电流的过电流保护，实时监测流过母线的电流值，当电流值大于或等于设计的阀值时，进行控制，使得整体系统的可靠性得到提高。

传统的电流保护方案，普遍采用在高压系统的低电压侧进行监测流过母线的电流值，实现其母线电流保护功能。

因此，现有的用于高压系统的电流保护技术存在着采用在低电压侧进行监测流过母线的电流值，当负载出现故障时因电流没有流经低电压侧的检测元件导致无法对整体高压系统进行相应地保护，从而出现元器件损坏或高压系统不安全的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于高压系统的电流保护电路及电流保护方法，旨在解决现有的用于高压系统的电流保护技术存在着采用在低电压侧进行监测流过母线的电流值，当负载出现故障且电流没有流经低电压侧的检测部件而导致无法对整体高压系统进行相应地保护，从而出现元器件损坏或高压系统不安全的问题。

本发明第一方面提供了一种用于高压系统的电流保护电路，所述电流保护电路包括：

通过母线高压线和母线低压线，对所述负载进行供电的供电模块；

设于所述母线高压线上，用于检测流经所述母线高压线的电流值的检测模块；

与所述检测模块相连接，用于对所述电流值进行放大处理的信号处理模块；以及与所述信号处理模块、所述供电模块以及所述负载相连接，用于判断放大处理后的所述电流值超过第一预设阈值时，控制对所述负载进行切断供电或者限流的控制模块。

本发明第二方面提供了一种用于高压系统的电流保护方法，所述电流保护方法包括：

采用供电模块通过母线高压线和母线低压线，对负载进行供电；

采用检测模块设于所述母线高压线上，并检测流经所述母线高压线的电流值；

采用信号处理模块对所述电流值进行放大处理；

采用控制模块判断放大处理后的所述电流值超过第一预设阈值时，控制对所述负载进行切断供电或者限流。

本发明提供的一种用于高压系统的电流保护电路及电流保护方法，通过母线高压线和母线低压线对负载进行供电，并检测流经母线高压线的电流值，接着对电流值进行放大处理，最后判断当放大处理后的电流值超过预设阈值时，则控制对负载进行切断供电或者限流。由此起到了高压系统母线高压线电流保护的效果，避免负载因持续过大的电流值而损坏元器件的情况发生，提高了高压系统的稳定性，解决了现有的用于高压系统的电流保护技术存在着采用在低电压侧进行监测流过母线的电流值，当负载出现故障时因电流没有流经低电压侧的检测元件导致无法对整体高压系统进行相应地保护，从而出现元器件损坏或高压系统不安全的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于高压系统的电流保护电路的模块结构示意图。

图2是本发明实施例提供的一种用于高压系统的电流保护电路的示例电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

上述的一种用于高压系统的电流保护电路及电流保护方法，通过在高压系统母线高压侧实时监测流经该母线的电流值，当放大处理后的电流值大于预设阀值时，控制模块得到一个确定的数字电平信号，该数字电平信号可用于控制该高压系统，从而对供电模块或负载进行控制，实现母线电流保护功能。并且，基于npn三极管或pnp三极管设计高压系统高压侧母线电流保护有益于成本的控制，实现高压系统的电流保护功能，当电流值小于预设阀值(一定准确度范围内)时，输出的数字电平信号为常态电平；当负载的电流值大于预设阀值(一定准确度范围内)时，输出一个与常态电平相反的数字电平信号，该数字电平信号反馈到控制模块进行控制(限流、逐周期控制电流增大、逐周期控制电流减小等)，有利于供电系统电压值保持相对稳定，同时负载不会因持续过大的电流而损坏元器件；当负载发生短路时，输出一个与常态电平相反的数字电平信号，该数字电平信号反馈到控制系统进行控制(切断供电、限流、逐周期限制电流等控制)，有利于供电模块的电压值保持相对稳定，负载不会因持续过大的电流值而损坏元器件。基于npn三极管或pnp三极管实现高压系统母线高压侧电流保护的设计，提供了一种高性价比的实现高压系统高压侧电流保护功能的方式，从而进一步提高整体系统的性价比和可靠性。

图1示出了本发明实施例提供的一种用于高压系统的电流保护电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

上述一种用于高压系统的电流保护电路，该电流保护电路包括供电模块101、检测模块102、信号处理模块104以及控制模块105。

供电模块101通过母线高压线和母线低压线，对负载103进行供电。

检测模块102设于所述母线高压线上，用于检测流经所述母线高压线的电流值。

信号处理模块104与检测模块102相连接，用于对所述电流值进行放大处理。

控制模块105与信号处理模块104、供电模块101以及负载103相连接，用于判断放大处理后的所述电流值超过第一预设阈值时，控制对负载103进行切断供电或者限流。

作为本发明一实施例，上述检测模块102包括电阻器。当电流流经电阻器时，产生信号，此信号通常较为微小，需要经过信号处理模块104的相关电路进行放大，得到放大的值，进而输出给控制模块105，控制模块105可根据检测到的电流值对负载103进行控制(切断供电、限流、逐周期限制电流等控制)，从而保护整个高压系统。

作为本发明一实施例，上述检测模块102具体为隔离器件，所述隔离器件包括霍尔传感器或变压器。当电流流经隔离器件时，产生信号，此信号通常较为微小，需要经过信号处理模块104的相关电路进行放大，得到放大的值，进而输出给控制模块105，控制模块105可根据检测到的电流值对负载103进行控制(切断供电、限流、逐周期限制电流等控制)，从而保护整个高压系统。

作为本发明一实施例，上述的高压系统如大功率舵机系统、大功率伺服、变频器、中央空调、数控机床等，由于在高压系统中的高压侧实现电流保护比在低压侧实现电流保护对整体系统的保护更全面，更有益于系统的稳定性。当流过高压侧母线的电流值小于第一预设阀值时，输出的数字电平信号为常态电平，控制模块105不做限流，高压系统正常工作；如电流检测模块采用的是反相器、同相缓冲器时参与控制时，当流过母线的电流值大于预设阀值，则输出一个与常态电平相反的数字电平信号；当电流检测模块采用的是带有模拟量输入功能的mcu、plc或运动控制器时，当流过母线的电流值大于第一预设阀值且小于第二预设阈值时，输出相应的限流信号或一个与常态电平相反的数字电平信号。该电平信号反馈到控制模块105，可对供电模块101(或负载103)进行控制(限流、逐周期控制电流增大、逐周期控制电流减小等)，有利于供电模块101电压值保持相对稳定，负载103不会因持续过大的电流而损坏元器件；当负载103发生短路时，持续输出与常态电平相反的数字电平信号，该电平信号反馈到控制模块105，可对供电模块101(或负载103)进行切断供电，有利于供电模块101电压值保持相对稳定，负载不会因持续过大的电流值而损坏元器件，从而进一步提高系统的稳定性。

图2示出了本发明实施例提供的一种用于高压系统的电流保护电路的示例电路，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

作为本发明一实施例，上述供电模块101包括具有预设电压值的交流电源vcc。

作为本发明一实施例，上述检测模块102包括第一电阻r1，第一电阻r1的第一端接交流电源vcc，第一电阻r1的第二端接负载103。

作为本发明一实施例，上述信号处理模块104包括：

第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、二极管d1、第一电容c1、第二电容c2以及开关管q1；

第二电阻r2的第一端接检测模块102，第二电阻r2的第二端与第一电容c1的第一端以及开关管q1的受控端共接，第一电容c1的第二端接开关管q1的输入端，开关管q1的输出端接第三电阻r3的第一端，第三电阻r3的第二端、第四电阻r4的第一端、第二电容c2的第一端以及二极管d1的阴极共接并与控制模块105连接，第四电阻r4的第二端与第二电容c2的第二端以及二极管d1的阳极接地。

具体地，上述开关管q1为npn型三极管或pnp型三极管，

所述npn型三极管的集电极、发射极以及基极分别为所述开关管q1的输入端、输出端以及受控端；

所述pnp型三极管的发射极、集电极以及基极分别为所述开关管q1的输入端、输出端以及受控端。

因此，基于npn型三极管或pnp型三极管实现高压系统母线高压侧电流检测及其保护的功能，成本较为合理，可大大提高产品设计的性价比、可靠性，利于将其进行产业化。

作为本发明一实施例，上述控制模块105采用单片机mcu实现。当然，上述控制模块105也可以采用同相缓冲器或者反相器替代，只要能实现与本实施例中超过电流阀值时，放大的信号值使得控制模块105输出一个与常态电平相反作用即可。当然，控制模块105也可采用带控制端的驱动芯片、可编程逻辑控制器或者运动控制器实现。

本发明另一实施例还提供了一种用于高压系统的电流保护方法，所述电流保护方法包括以下步骤：

s101.采用供电模块通过母线高压线和母线低压线，对负载进行供电；

s102.采用检测模块设于所述母线高压线上，并检测流经所述母线高压线的电流值；

s103.采用信号处理模块对所述电流值进行放大处理；

s104.采用控制模块判断放大处理后的所述电流值超过第一预设阈值时，控制对所述负载进行切断供电或者限流。

具体地，采用控制模块判断放大处理后的所述电流值超过第一预设阈值时，控制对所述负载进行切断供电或者限流包括：

采用所述控制模块判断放大处理后的所述电流值超过第二预设阈值时，控制对所述负载进行切断供电，其中，所述第二预设阈值大于所述第一预设阈值；

采用所述控制模块判断放大处理后的所述电流值处于所述第一预设阈值和所述第二预设阈值时，控制对所述负载进行限流。

以下结合图1和图2，对上述一种用于高压系统的电流保护电路的工作原理进行描述如下：

其中，第一电阻r1可根据实际设计电流保护阀值进行改变，假设第一电阻r1的电阻值为r，交流电源vcc连接第一电阻r1对负载103进行供电；开关管q1为pnp型三极管，开关管q1可根据高压系统的高压值进行重新选取不同电参数的pnp型三极管，假设开关管q1的放大倍数为hfe，选取集-射极耐压值为200v的pnp管，放大倍数为100的pnp型三极管；单片机mcu主要作用为输出确定的电平信号，可根据实际应用控制输出电平。

当流过第一电阻r1的电流值小于或等于设计的电流阀值，单片机mcu输出低电平，当流过第一电阻r1的电流值大于或等于设计的电流阀值，单片机mcu输出高电平。当控制模块105为不同的器件时，改变输出电平的输入电压阀值不同，假设该输入电压阀值为uin，当单片机mcu的输入电压小于或等于uin时，输出电平为常态电平；当单片机mcu的输入电压大于uin时，u1的输出与常态电平相反的电平。例如：当单片机mcu的输入电平小于或等于2v时，单片机mcu输出低电平；当单片机mcu的输入电压大于2v时，单片机mcu输出高电平，此时开关管q1的ic值为ic＝uin/r4，由此可推出ic＝2v/1k＝2ma；由开关管q1的数据手册可推出q1的基极电流为ib＝ic/hfe，则ib＝2ma/100＝0.02ma。据此，可推出此时开关管q1的射极-基极电压为u(r1)＝ib*r2+ueb，从而确定保护电流阀值为i(保护)＝u(r1)/r1；更便捷的方法，由开关管q1的数据手册可知，当ueb＝0.6v时，ic＝2ma。据此，保护电压u(r1)＝0.02ma*1k+0.6v＝0.62v，从而保护电流值为i(保护)＝0.62v/0.015ω＝41.33a，据此进行仿真，与理论值吻合，从而可得出，保护阀值电流为41.33a，当流经第一电阻r1的电流小于41.33a时，单片机mcu输出低电平提供给控制系统，高压系统正常工作；当流经第一电阻r1的电流值大于或等于41.33a时，单片机mcu输出高电平提供给控制模块104，以使控制模块可对供电模块101(或负载103)进行控制(切断供电、限流、逐周期限制电流等控制)，从而保护整个系统，可大大提高整个系统的可靠性。

由此，在高压系统母线高压侧电流保护系统中设计实时监测流经母线的电流值进而进行保护的方案，通过提出一种基于pnp型三极管或npn三极管，实现高压系统母线高电压侧电流保护功能的设计。于可靠性方面评估，相对于传统在高压系统的低压侧母线实现电流保护功能的设计，其对整体系统的保护范围更广，更有利于整体系统的可靠性需求；于成本方面考虑，基于pnp型三极管或npn三极管进行高压系统母线高电压侧电流保护功能的设计，较市面的设计有价格优势，此方案利于广泛高压系统的使用，大大提高了整体系统的性价比和可靠性。

综上，本发明实施例提供的一种用于高压系统的电流保护电路及电流保护方法，通过母线高压线和母线低压线对负载进行供电，并检测流经母线高压线的电流值，接着对电流值进行放大处理，最后判断当放大处理后的电流值超过预设阈值时，则控制对负载进行切断供电或者限流。由此起到了高压系统母线高压线电流保护的效果，避免负载因持续过大的电流值而损坏元器件的情况发生，提高了高压系统的稳定性，解决了现有的用于高压系统的电流保护技术存在着采用在低电压侧进行监测流过母线的电流值，当负载出现故障时因电流没有流经低电压侧的检测部件导致无法对整体高压系统进行相应地保护，从而出现元器件损坏或高压系统不安全的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。