图9 不可恢复的过流保护电路
3.2 开关管过流状态自识别保护
我们知道，开关管的导通压降是和导通电流有关的，当开关管过流时，其导通压降会明显上升。因此，我们可以通过检测开关管的导通压降，与正常值比较，并与截止状态相区别，从而识别出开关管的过流状态，以GTO为例，实际电路如图10所示。
图10 GTO门极驱动和过流状态自识别保护电路
图10中，要开通GTO时，○A 点电位由低变高， 0 点出现一个正脉冲，T4导通，○D 点变低，○E 点变高，○F 点变低，T5截止，T6导通，GTO导通。GTO导通后，○D 点保持低电平。当发生过流时，○D 点变高，当高于○E 点时(设置的过流点)，○F 变高，T5导通，T6截止，T7导通，GTO关断，实现过流保护。
在许多开关管驱动芯片或厚膜电路中都设置了这一项功能。例如，EXB841型IGBT厚膜驱动电路中，6号端就是通过二极管D来识别IGBT开关管过流状态并通过保护电路来保护的。而且，这种保护电路还可以实现软关断功能。
3.3 变频器实用电流检测及过流保护电路举例
如图11所示为日本Fuji公司设计的变频器常用的电流检测及过流保护电路。其设计思路和原理如下。
图11 变频器常用的电流检测及过流保护电路
电流检测信号来自逆变器U、V两相输出端的霍尔电流传感器，霍尔元件通过插座CN2获得15V电源。U、V两相电流检测信号经首级运放A6和A5放大20倍后送入二级运放A8和A7。调整二级运放的放大倍数即可整定过流保护动作值。U、V两相电流通过反相加法器A9叠加获得W相电流信号。U、V、W各相电流分别同时送入两个比较器的正、反相输入端。比较器正、反相输入端的参考电压分别为+10V和-10V。当三相电流正常时其对应的电压在±10V之间，六个比较器相与后输出为1，此信号经三极管反相后送入由多谐振荡器D4528组成的单稳态触发器，-Q输出为0，比较器A17、A18输出信号也应为0，保护电路不动作。
一旦过流，比较器相与后输出信号为0，D4528 的输入信号(5脚)为1，其输出经单稳延时后才变为1，通过三极管VT2放大后去关闭IGBT的驱动信号并通知CPU发出过电流报警信号。单稳态触发器的作用是这样的:在延时期间若电流恢复正常，则D4528的输出信号不改变，这就避免了一些干扰信号或瞬间尖峰电流造成的保护电路误动作，保证了变频器正常工作。
4 电压检测与保护电路
4.1 变频器直流侧电压检测与保护电路
尽管我们在分析SPWM变频器原理的时候经常假设变频器直流侧电压是不变的，但事实上它一直是波动的。交流电网电压的波动、负载瞬变、整流器功率器件的断续导电、或者输入电源缺相等等都会引起直流电压变化。实际上，无论是对主电路器件及电动机的保护，还是对直流侧和交流输出电压的计量和显示，乃至高性能控制策略的实施都经常需要直流电压的瞬时值或有效值。例如近年来人们已经发现性能优越的矢量控制对直流中间环节电压和负载的扰动十分灵敏，当装置运行在弱磁条件下时，中间直流电压的降低可能导致电流失控和失去磁场的方位，几乎所有的解决方案都需要精密检测直流环节的电压，因此合理设计直流测电压检测电路显得非常重要。变频器主电路中间环节的电压信号的检测可采用电阻分压、线性光耦、电压互感器或霍尔传感器等。
图12 直流电压检测与控制及保护电路
(1) 基于线性光耦的电压检测与保护电路
图12所示为常用的基于线性光耦的电压检测与保护电路，它具有直流电压实时检测、直流过压保护、欠压保护及制动单元启停等功能，并为控制电路和显示电路提供信号。直流侧电压采用电阻进行分压降压，经过线性光耦TLP559后分压变为弱电电压信号。然后经逻辑比较和线性运算电路处理输出与上述四种功能对应的信号。
(a) 直流电压检测电路
直流电压经R501和R502分压转变弱电信号，经线性光耦TLP559变换和隔离后再通过R186调节，送入电压跟随器，以增强带载能力。电路由IC120，IC121A，IC121B，IC121C及电阻组成。
由于直流侧电压很高，测量范围上限一般定为850V，若测量范围定为0~850V，因受A/D转换器位数的限制，则测量和显示分辨率低，影响控制和显示精度。考虑到变频器在正常工作时，其直流侧电压总是大于500V，因此可在电路中增设减法电路，将测量下限值提高到500V，这样就将测量范围缩为0~350V。该减法电路由IC121C及电阻组成，使得UD=500V时，UN=0V。N点电压用于控制及显示。
(b) 制动单元驱动电路
对于电压型变频器，为了限制电机在减速制动时在直流侧产生的泵升电压，保证变频器正常运行实现快速制动，需设计制动单元驱动电路，控制连接制动电阻的IGBT。
电机制动单元驱动电路由IC122C及电阻组成。电动机工作于发电状态且使直流母线电压UD超过上限阈值UDLH 时，Z点即输出高电平，使连接制动电阻的IGBT导通，将直流母线上的能量消耗在制动电阻上，迫使UD回落;当UD小于下限阈值UDLL后再关断IGBT。为避免在某一点附近频繁切换，电压控制采用滞环控制方式，即UDLH>UDLL。电动机发电状态结束后，必须断开制动电阻，因此 要大于电动状态时可能出现的最高直流母线电压UDM。设三相电网电压波动为+15%~-15%，则经整流后，直流母线上可能出现的最高电压为:
故取Udlh=660V， 。
由公式可得:Un=3.7647V接入制动电阻，Un=2.8235V断开制动电阻。由图12电路参数可得:
选择R193=10k，R194=137.5k，R196=30k，R233=6.2k，R234=15k，可满足上述要求。
(c) 直流过压保护
图12电路中，M点的电压通过与比较器IC122B参考电压比较，得到过压信号，送故障处理单元和数字显示电路，并由LED104显示其状态。
设UD升至800V时过压保护动作，降至750V时恢复，即由公式可得:UM=9.41V过压保护动作，UM=8.82V时恢复:
比较器下限:
(7)
选择R164=15k，R165=300k，R173=310k，R235=6.8k，R236=2.31k，可满足上述要求。
(d) 直流欠压保护
同样地，图12电路中，M点的电压通过与比较器IC122A参考电压比较，得到欠压信号，送故障处理单元和数字显示电路，并由LED107显示其状态。
设UD降至400V时欠压保护动作，再升至460V恢复，由图12可以分析出:UM=4.7059V时欠压保护动作， UM=5.4118V时恢复。设比较器下限为UMLL，比较器上限为UMLH:
选择R185=10k，R172=7.5k，R177=10k，R179=153.85k，R180=355.45k，可满足上述要求。
(2) 基于电阻分压法的电压检测与保护电路
图13是日本Fuji公司设计的变频器常用的基于电阻分压法的欠压和过压保护电路。
图13 基于电阻分压法的电压检测与保护电路
直流电压检测从中间直流回路并联的分压电阻两端采集信号。直流高电压(约540~600V)经R61、R62分压后，分别送至4个比较器A1~A4的正相输入端与4个参考电压A、B、C、D比较，以完成过压和欠压保护并通知CPU发出相应的报警信号。
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