CN101593968A - 绝缘栅双极型晶体管的过流保护方法和装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种绝缘栅双极型晶体管的过流保护方法和装置。所述方法包括获取绝缘栅双极型晶体管的集射电压，根据该集射电压判断是否出现过流，当判断出现过流时，关断绝缘栅双极型晶体管；其中，所述集射电压为一种修正的集射电压Vce′，该修正的集射电压Vce′为参考结温下与一种集电极电流Ic对应的集射电压，该集电极电流Ic为与当前结温下绝缘栅双极型晶体管的集射电压Vce所对应的集电极电流，其中当前结温不等于参考结温。本发明提供的IGBT的过流保护方法和装置，由于结合结温信息进行过流判断，对过流的判断较之现有的过流保护方法更为准确。
Description
技术领域
本发明涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，更特别地是涉及一种IGBT的过流保护方法和装置。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)具有高可靠性、驱动简单等特点，广泛应用于各种电源产品中。IGBT通常工作在大功率、环境多变的条件下，并且在功率变换中起着核心作用，很容易发生IGBT短路烧毁事故，因而对IGBT的过流保护直接关系着各种电源产品的安全、可靠性和使用寿命。
目前，IGBT过流检测主要有两种方式：一是直接检测集电极电流值Ic，根据该电流值来判断是否过流，这种方法比较直观，但是检测精度低，抗干扰能力差，很少在工程上使用。二是检测集射电压值Vce，因为集射电压和集电极电流存在着对应关系，这样就可以根据该电压值与门限电压的比较结果来间接判断是否过流，这种检测方法简单方便，在工程上得到了广泛的应用。
但是，现有的这种利用集射电压Vce来判断是否过流的方法，是建立在假定集射电压Vce与集电极电流Ic的对应关系曲线在任何条件下都不变的基础之上的。然而在实际测试中，结温的变化往往对集射电压有影响，而现有的IGBT过流检测方法均没有考虑这种影响。如图1所示的T＝25℃和T＝125℃的结温条件下的两条集射电压与集电极电流关系曲线，分别为第一曲线100和第二曲线101，可以看出，在不同的结温下，Vce与Ic的对应关系是不同的。在特定的集电极电流Ic下，结温越高对应的Vce也越大，而传统的检测Vce来判断过流的方法忽略了结温因素，在不同的结温下直接用检测到的集射电压来与所设定的门限电压进行比较，容易造成对过流的判断不准确。
发明内容
本发明针对现有技术中的IGBT过流判断及保护的方法和装置没有考虑结温因素、对过流判断不准确的缺点，提供了一种IGBT过流保护方法和IGBT过流保护装置，由于考虑了结温因素，这种方法以及装置具有对过流的判断较为准确的优点。
本发明提供的一种IGBT过流保护方法，该方法包括获取绝缘栅双极型晶体管的集射电压，根据该集射电压判断是否出现过流，当判断出现过流时，关断绝缘栅双极型晶体管；其中，所述集射电压为一种修正的集射电压Vce′，该修正的集射电压Vce′为参考结温下与一种集电极电流Ic对应的集射电压，该集电极电流Ic为与当前结温下绝缘栅双极型晶体管的集射电压Vce所对应的集电极电流，其中当前结温不等于参考结温。
本发明还提供的一种IGBT过流保护装置，该过流保护装置包括顺次连接的参数获取模块、判断模块和保护模块，所述参数获取模块用于获取双极型晶体管的集射电压，所述判断模块用于根据该集射电压判断是否出现过流，所述保护模块用于当判断出现过流时，关断绝缘栅双极型晶体管；其中，所述参数获取模块所获取的集射电压为一种修正的集射电压Vce′，该修正的集射电压Vce′为参考结温下与一种集电极电流Ic对应的集射电压，该集电极电流Ic为与当前结温下绝缘栅双极型晶体管的集射电压Vce所对应的集电极电流，其中当前结温不等于参考结温。
本发明提供的IGBT的过流保护方法和过流保护装置，由于判断过流时考虑了结温因素，并根据不同结温下的集射电压与集电极电流关系曲线来将当前结温下的集射电压Vce换算成参考结温下的集射电压，即修正的集射电压Vce′，用Vce′与门限电压Vthreshode比较来判断是否过流，相比于现有技术中的直接将检测到的当前结温下的集射电压Vce与门限电压Vthreshode比较来判断是否过流的方法和装置，具有判断过流更准确、可靠的优点。
附图说明
图1是在结温分别为25℃和125℃条件下集射电压Vce与集电极Ic电流间的关系曲线；
图2是本发明的一种实施方式提供的IGBT的过流保护方法的流程图；
图3是本发明的一种实施方式提供的IGBT的过流保护装置的框图。
具体实施方式
如图2所示，本发明的一种实施方式提供了一种IGBT过流保护方法，该方法包括获取绝缘栅双极型晶体管的集射电压，根据该集射电压判断是否出现过流，当判断出现过流时，关断该绝缘栅双极型晶体管；其中，所述集射电压为一种修正的集射电压Vce′，该修正的集射电压Vce′为参考结温下与一种集电极电流Ic对应的集射电压，该集电极电流Ic为与当前结温下绝缘栅双极型晶体管的集射电压Vce所对应的集电极电流，其中当前结温不等于参考结温。
其中，判断是否出现过流的方法包括：比较修正的集射电压Vce′与门限电压Vthreshode，若Vce′＞Vthreshode，则判断出现过流，其中，Vthreshode为参考结温下的集射电压门限值。
获取修正的集射电压Vce′的方法包括：检测当前结温；获得当前结温下的集射电压Vce；根据当前结温下的集射电压与集电极电流关系曲线Vce＝G(Ic)得到与当前结温下的集射电压Vce相对应的集电极电流Ic，即Ic＝G-1(Vce)，其中G-1(Vce)为G(Ic)的反函数；以及根据参考结温下的集射电压与集电极电流关系曲线Vce＝F(Ic)得到与所得到的集电极电流Ic相对应的修正的集射电压Vce′，即Vce′＝F(Ic)。
当前结温是一个温度值或者是一个不大于80℃的温度范围，该温度范围一般不大于80℃，采用温度值的实施方式，则当前结温下的集射电压与集电极电流关系曲线为在所述温度值的条件下所对应的集射电压与集电极电流关系曲线，若采用温度范围的实施方式，则当前结温下的集射电压与集电极电流关系曲线为在所述不大于80℃的温度范围内的任一温度条件下所对应的集射电压与集电极电流关系曲线，这种温度范围的实施方式，在划分温度范围时，需保证在该温度范围内的不同温度下的集射电压与集电极电流关系曲线之间变化不大，故可以用其中的任一温度值下的集射电压与集电极电流关系曲线来代表该温度范围内的集射电压与集电极电流关系曲线。
所述参考结温为一个温度值或者是一个不大于80℃的温度范围。采用温度值的实施方式，则参考结温下的集射电压与集电极电流关系曲线为在所述温度值的条件下所对应的集射电压与集电极电流关系曲线，若采用温度范围的实施方式，则参考结温下的集射电压与集电极电流关系曲线为在所述不大于80℃的温度范围内的任一温度条件下所对应的集射电压与集电极电流关系曲线，这种采用温度范围的实施方式，同样需要保证在所划分的该温度范围内，不同温度下的集射电压与集电极电流关系曲线变化不大。
可以根据实际操作需要选择使用温度值的实施方式还是温度范围的实施方式，温度值的实施方式较温度范围的实施方式更为精确，但需要针对每一温度值都有一对应曲线，实际应用中较为繁琐，由于IGBT的集射电压与集电极电流的关系曲线在一段温度范围内变化并不大，所以温度范围的实施方式在精度相差不大的条件下更为经济和方便。
根据采用温度范围的实施方式，需要划分温度范围，并确定各个温度范围下的集射电压与集电极电流关系曲线，该曲线可以分别选择各温度范围内的任一温度下的曲线。温度范围的划分不是唯一的，可以将IGBT的结温覆盖范围任意划分成几个温度范围，确定其中一个温度范围为参考温度，后面给出的温度范围的划分仅作为示例，在每个温度范围任一的温度下，采用晶体管特性曲线图示仪之类的仪器，利用本领域技术人员所公知的方式，得到该温度下内的集射电压与集电极电流关系曲线。通常，IGBT的结温在高于-40℃且不高于150℃温度范围内，即(-40℃，150℃]内，本领域技术人员可以根据需要划分温度范围，并选择各温度范围内的某一温度下的集射电压与集电极电流关系曲线作为该温度范围内的曲线，优选地，各温度范围及其所对应的曲线可以按如下方式选择：
参考结温的温度范围为高于-40℃且不高于40℃，即(-40℃，40℃]内，选择25℃下的集射电压与集电极电流关系曲线作为参考结温下的集射电压与集电极电流关系曲线；
温度范围为高于40℃且不高于65℃，即(40℃，65℃]内，选择55℃下的集射电压与集电极电流关系曲线Vce＝G1(Ic)作为该温度范围的集射电压与集电极电流关系曲线，在当前结温为此温度范围时，利用该曲线Vce＝G1(Ic)来进行修正的集射电压的计算；
第二温度段为高于65℃且不高于100℃，即(65℃，100℃]内，选择80℃的集射电压与集电极电流关系曲线Vce＝G2(Ic)作为该温度范围的集射电压与集电极电流关系曲线，在当前结温为此温度范围时，利用该曲线Vce＝G2(Ic)来进行修正的集射电压的计算；
第三温度段为高于100℃且不高于150℃，即(100℃，150℃]内，选择125℃的集射电压与集电极电流关系曲线Vce＝G3(Ic)作为该温度范围的集射电压与集电极电流关系曲线，在当前结温为此温度范围时，利用该曲线Vce＝G3(Ic)来进行修正的集射电压的计算；
这样，仅需要通过实验数据得到温度分别为25℃、55℃、80℃和125℃的集射电压与集电极电流关系曲线，这些曲线分别为Vce＝F(Ic)、Vce＝G1(Ic)、Vce＝G2(Ic)和Vce＝G3(Ic)。在当前结温下的集射电压Vce到修正的集射电压Vce′的转换过程中，利用这些曲线进行计算。比如，检测到结温为130℃和集射电压Vce1，则利用在(100℃，150℃]内的集射电压与集电极电流关系曲线G3(Ic)来计算当前集电极电流Ic，Ic＝G3 -1(Vce)，再利用计算出的Ic来计算修正的集射电压Vce′＝F(Ic)，用此修正的集射电压Vce′与门限电压Vthreshode进行比较来判断是否过流，所述门限电压Vthreshode为温度为25℃时的集射电压门限值，通常为15V。
在判断过流后，可以控制IGBT关断来对IGBT进行过流保护，如停止向IGBT输出波驱动波形。在实现过流保护时，如果IGBT关断时间过快，集电极电压会急剧上升，容易使IGBT因过电压而损坏，因此优选地采用软关断方式来关断IGBT，即，在判断出现过流时，逐渐减小驱动信号的占空比占空比，经过预定时间后，如10ns后，输出低电平来关断IGBT，这样通过逐渐减小的IGBT的单位时间内的导通次数，从而减小了di/dt，减小了IGBT的Vce产生的浪涌电压，起到更好地保护IGBT的作用。
另外，在IGBT导通瞬间，这时的集射电压高于稳定时的电压，而门限电压是根据稳定时的工作情况选取的，若在导通瞬间就进行过流检测与判断，很容易出现误判，所以，优选地，在一定时间后再开始检测集射电压并进行过流判断，这段时间可选为1.5μs，即在1.5μs后再开始过流判断过程。
如图3所示，本发明的一种实施方式还提供了一种IGBT的过流保护装置10，该过流保护装置10包括顺次连接的参数获取模块2、判断模块3和保护模块4，所述参数获取模块2用于获取双极型晶体管的集射电压，所述判断模块3用于根据该集射电压判断是否出现过流，所述保护模块4用于当判断出现过流时，关断绝缘栅双极型晶体管；其中，所述参数获取模块2所获取的集射电压为一种修正的集射电压Vce′，该修正的集射电压Vce′为参考结温下与一种集电极电流Ic对应的集射电压，该集电极电流Ic为与当前结温下绝缘栅双极型晶体管的集射电压Vce所对应的集电极电流，其中当前结温不等于参考结温。
其中，所述判断模块3包括：比较单元30，用于比较修正的集射电压Vce′与门限电压Vthreshode；和处理单元31，用于当Vce′＞Vthreshode时，则判断出现过流。
所述参数获取模块2包括：结温检测单元20，用于检测IGBT的当前结温T，电压获取单元21，用于获得当前结温下的集射电压Vce；以及转换单元21，用于根据当前结温T下的集射电压与集电极电流关系曲线得到与当前结温下的集射电压Vce相对应的集电极电流Ic；和根据参考结温下的集射电压与集电极电流关系曲线得到与所得到的集电极电流Ic相对应的修正的集射电压Vce′。
结温检测单元20可以采用本领域技术人员所公知的任何温度传感器。对于参考结温以及当前结温可以采用温度值的实施方式或者温度范围的实施方式，这些实施方式如上述的IGBT的过流保护方法中所采用的方式一致，在此不再描述。
在实际应用中，在获取集电极电压时，参数获取模块和IGBT的集电极之间还可以串联二极管，用于进行电位限定。
保护模块4可以是数字信号处理器(DSP)，其通过控制输出的驱动波形来控制IGBT的通断。优选地，通过软关断方式来关断IGBT，即当保护模块接收到来自过流判断模块的过流信号时，该保护模块4向IGBT及其驱动电路1输出占空比不断减小的波形，并在预定时间后，如10ns后输出低电平来关断IGBT。
当使用根据本发明的IGBT的过流保护装置10时，参数获取模块2中的结温检测单元20实时检测当前结温，电压获取单元21获得当前结温下的集射电压Vce，转换单元22将当前结温下的集射电压Vce转换成修正的集射电压Vce′，该修正的集射电压Vce′输出到判断模块3中的比较单元30进行比较，处理单元31根据比较结果判断是否出现过流，如果处理单元31判断出现过流，则保护模块4关断IGBT。本发明结合了结温因素来判断是否进行过流保护，对过流的保护更为准确、可靠。
Claims (13)
1、一种绝缘栅双极型晶体管的过流保护方法，该方法包括获取绝缘栅双极型晶体管的集射电压，根据该集射电压判断是否出现过流，当判断出现过流时，关断该绝缘栅双极型晶体管；其特征在于，所述集射电压为一种修正的集射电压Vce′，该修正的集射电压Vce′为参考结温下与一种集电极电流Ic对应的集射电压，该集电极电流Ic为与当前结温下绝缘栅双极型晶体管的集射电压Vce所对应的集电极电流，其中当前结温不等于参考结温。
2、根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护方法，其中，判断是否出现过流的方法包括：比较修正的集射电压Vce′与门限电压Vthreshode，若Vce′＞Vthreshode，则判断出现过流，其中，Vthreshode为参考结温下的集射电压门限值。
3、根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护方法，其中获取修正的集射电压Vce′的方法包括：
检测当前结温；
获得当前结温下的集射电压Vce；
根据当前结温下的集射电压与集电极电流关系曲线得到与当前结温下的集射电压Vce相对应的集电极电流Ic；以及
根据参考结温下的集射电压与集电极电流关系曲线得到与所得到的集电极电流Ic相对应的修正的集射电压Vce′。
4、根据权利要求3所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护方法，其中，当前结温是一个温度值或者一个不大于80℃的温度范围，当前结温下的集射电压与集电极电流关系曲线为该一个温度值下的集射电压与集电极电流关系曲线或者是该不大于80℃的温度范围中一个温度值下的集射电压与集电极电流关系曲线。
5、根据权利要求3所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护方法，其中，所述参考结温为一个温度值或者是一个不大于80℃的温度范围，参考结温下的集射电压与集电极电流关系曲线为该一个温度值下的集射电压与集电极电流关系曲线，或者是该不大于80℃的温度范围中一个温度值下的集射电压与集电极电流关系曲线。
6、根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护方法，其中，关断判断出现过流的绝缘栅双极型晶体管的步骤采用软关断方式。
7、一种绝缘栅双极型晶体管的过流保护装置，该过流保护装置包括顺次连接的参数获取模块、判断模块和保护模块，所述参数获取模块用于获取双极型晶体管的集射电压，所述判断模块用于根据该集射电压判断是否出现过流，所述保护模块用于当判断出现过流时，关断绝缘栅双极型晶体管；其特征在于，所述参数获取模块所获取的集射电压为一种修正的集射电压Vce′，该修正的集射电压Vce′为参考结温下与一种集电极电流Ic对应的集射电压，该集电极电流Ic为与当前结温下绝缘栅双极型晶体管的集射电压Vce所对应的集电极电流，其中当前结温不等于参考结温。
8、根据权利要求7所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护装置，其中，所述判断模块包括：比较单元，用于比较修正的集射电压Vce′与门限电压Vthreshode；和处理单元，用于当Vce′＞Vthreshode时，则判断出现过流。
9、根据权利要求8所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护装置，其中所述参数获取模块包括：结温检测单元，用于检测IGBT的当前结温T，电压获取单元，用于获得当前结温下的集射电压Vce；以及转换单元，用于根据当前结温T下的集射电压与集电极电流关系曲线得到与当前结温下的集射电压Vce相对应的集电极电流Ic；和根据参考结温下的集射电压与集电极电流关系曲线得到与所得到的集电极电流Ic相对应的修正的集射电压Vce′。
10、根据权利要求9所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护装置，其中，当前结温为一个温度值或者一个不大于80℃的温度范围，当前结温下的集射电压与集电极电流关系曲线为该一个温度值下的集射电压与集电极电流关系曲线或者是该不大于80℃的温度范围中一个温度值下的集射电压与集电极电流关系曲线。
11、根据权利要求9所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护装置，其中，所述参考结温为一个温度值或者一个不大于80℃的温度范围，参考结温下的集射电压与集电极电流关系曲线为该一个温度值下的集射电压与集电极电流关系曲线，或者是该不大于80℃的温度范围中一个温度值下的集射电压与集电极电流关系曲线。
12、根据权利要求7-11所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护装置，其中，当判断模块判断出现过流时，所述保护模块输出占空比不断减小的驱动波形，并在预定时间后输出低电平来关断IGBT。
13、根据权利要求12所述的绝缘栅双极型晶体管的过流保护装置，其中所述预定时间为10ns。
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