CN102097789A - 一种igbt过流或短路状态检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGBT过流或短路状态检测电路，包括分流电路、电容、晶体管、电阻R1、电阻R2和电阻R3，其中，分流电路的一端与功率电压源的负极电连接于节点A，分流电路的另一端与功率变换电路的下桥臂的发射极以及IGBT驱动电路的信号接地端电连接于节点B；晶体管的开关控制极和电容的一端电连接于节点B；电阻R1的一端电连接于节点A；电容的另一端和电阻R1的另一端均与晶体管的第二极电连接；晶体管的第三极分别与电阻R2的一端和电阻R 3的一端电连接；电阻R2的另一端接高电平PVCC；电阻R3的另一端输出保护信号OC。本发明使用元件少，成本低，占用PCB面积小，响应迅速可靠，分流电路压降对IGBT驱动电路无扰动，功率变换工作可靠稳定。

Description

一种IGBT过流或短路状态检测电路

技术领域

本发明属于电路领域，具体说是涉及一种用于保护IGBT的过流与短路的电路。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)是现代功率变换技术的核心器件，对它的过流与短路保护对于整个变换设备的可靠性起到非常大的作用。

目前常见的对绝缘栅双极晶体管的保护有以下几种方式：

1)采用霍尔电流传感器检测功率变换装置的输出电流，设立限流阀值，用比较器进行比较，输出过流保护信号。其缺点在于：霍尔传感器工作在一个高辐射的环境中，输出的电流信号噪声大，容易造成系统误动作。同时霍尔器件非常昂贵，系统成本较高。同时还需要提供电源，有些器件还需要提供双电源。

2)采用互感器检测电流，设立限流阀值，用比较器进行比较，输出过流保护信号。其缺点在于：这种方法不能对直流电流进行检测。同时其响应速度慢，延时长，不能进行短路保护。

3)采用分流器检测电流，对分流器信号进行运算放大，然后设立限流阀值，用比较器进行比较，输出过流保护信号。其缺点在于：占用线路板面积较多，需要一片运放和一片比较器，成本也较高。抗干扰性较差，系统有时会误动作。

4)采用检测功率管管压降的方法，当功率管管压降升高到设定的阀值时，触发保护。其缺点在于：不同类型的功率管，管压降特性不同，同时还受工作温度的影响。电路通用性差。

5)采用分流器直接检测，送给特定电路实现保护，如在小功率变频器中，如采用仙童的IPM模块(如FSBB20CH60型)或三菱的IPM模块。这两个厂家的IPM模块技术特征是一致的。其缺点在于：IGBT的下桥臂三个发射极管脚通过分流器接地，分流器产生的电压信号会对IGBT的门极驱动信号产生扰动；该种保护电路只能配合特定的模块，通用性差。其具体应用电路如图1所示。

上述常见的对IGBT的保护，在工作中常常带来诸多不变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于对IGBT进行的过流或短路状态进行检测的电路，以最小的电路板布板面积，实现最有效的功率管保护。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种IGBT过流或短路状态检测电路，包括分流电路、电容、晶体管、电阻R1、电阻R2和电阻R3；所述分流电路的一端与功率电压源的负极电连接于节点A，所述分流电路的另一端与功率变换电路的下桥臂的发射极以及IGBT驱动电路的信号接地端电连接于节点B；所述晶体管的开关控制极和所述电容的一端电连接于节点A；所述电阻R1的一端电连接于节点A；所述电容的另一端和所述电阻R1的另一端均与所述晶体管的第二极电连接；所述晶体管的第三极分别与所述电阻R2的一端和所述电阻R3的一端电连接；所述电阻R2的另一端接高电平PVCC；所述电阻R3的另一端输出保护信号OC。

工作时，功率变换电路始终有大电流流出，当电流流过分流电路时，会产生压降，当分流电路上的压降小于0.6V时，晶体管关断，保护信号OC为高电平PVCC；当分流器电阻上的压降大于0.6V时，晶体管导通，保护信号OC被钳位到分流电路的电平，分流电路的电平与IGBT驱动电路的低电平一致，因此晶体管导通时，保护信号OC为低电平，通过该电路，实现了保护触发信号的逻辑翻转；分流电路、电阻R1和电容C1组成一个滤波器，滤除功率变换电路续流期间产生的尖峰。

具体原理是，由于晶体管的开关控制极电路与分流电路并联，在晶体管的控制极和第二极施加电压大于0.6V时，晶体管导通翻转，产生一个由高向低的跳变，该逻辑信号可以用来进行过流和短路保护，如可以用来触发某些硬件触发器来关断IGBT驱动电路的输出，也可以直接或变换后送给CPU，由CPU关断驱动信号，实现保护。

在本发明的电路中，IGBT驱动电路的信号接地端和功率变换电路的下桥臂的发射极是连接在一起的，是绝对等电位的，这样就避免了分流电路上的压降对驱动电路的扰动，当分流电路上的电压超过晶体管的导通门限后，晶体管导通翻转，输出保护信号OC信号，用作过流保护，根据功率变换电路的保护要求，合理选用分流电路的阻值，该电路可以很好的起到过流与短路的保护作用；所述的电阻和电容组成一个小惯量滤波器。

本发明应用在变频调速器，在电机绝缘破坏或接线导致输出短路时，CPU检测到保护信号OC的下跳沿后，立即关断功率器件，保证了变频调速器的安全，当故障状态修复后，变频调速器仍然正常工作。本发明应用在大功率的特种逆变电源中，当逆变器过流时，通过光耦将保护信号OC传递到CPU中，CPU被该信号触发短路与过流保护中断，关断功率变换器件，保护了大功率特种逆变电源的安全。本发明还可应用在PWM整流电路中，保护PWM整流器件的安全。除上述应用领域外，本发明可以应用在所有由可关断功率器件组成的功率变换电路中，有效的实现功率器件的过流与短路保护。

进一步，所述分流电路为分流器电阻。

进一步，所述分流器电阻为毫欧级功率电阻。

采用上述进一步方案的有益效果是，结构简单，成本低，占用PCB面积小。

进一步，所述晶体管为晶体三极管，所述开关控制极为基极，所述第二极为发射极，所述第三极为集电极。

采用上述进一步方案的有益效果是，晶体三极管为电流驱动器件，对噪声电压信号具有很好的抗干扰能力。

本发明使用元件少，成本低，占用PCB面积小；IGBT驱动电路与功率变换电路直接共地，分流电路压降对IGBT驱动电路无扰动，功率变换工作可靠稳定。而其他采用分流器保护的电路，在变换级的地与驱动级的地之间隔着分流器，分流器上的压降与噪声信号会对驱动信号产生扰动。这是本发明与现有过流与短路保护的明显区别。本发明实现了用最低的成本，最小的电路板布板面积，实现最有效的功率管保护，并解决了现有技术的不足。本发明输出信号为逻辑信号，信号电压摆幅宽，抗干扰性好，晶体管的开关控制极电路由于与分流电路并联，因此输入阻抗极低，抗干扰能力强。本发明保护速度快，基极电路的阻抗极低，因此延时很小，同时，分流电路产生的门限触发信号，当晶体管从关断到导通翻转时，产生正反馈，增大逻辑信号翻转的逻辑摆幅，在本电路中，器件少，信号通过的级数少，延时短；本发明的电路通用性强，不依赖特定的器件，对任何器件组成的功率变换电路均可以起到信号检测与保护的作用，稍加变换，就可以实现不同的极性输出，即可以直接输出保护信号给相关电路，也可以隔离输出保护信号。

附图说明

图1为现有技术中的一种对绝缘栅双极晶体管进行保护的电路结构图；

图2是本发明避免IGBT过流或短路的电路的结构图；

图3是本发明的一种实施方式电路结构图；

图4为本发明的第二实施方式电路结构图；

图5为图4的电路功能框图；

图6为本发明第三实施方式电路功能框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图2所示，本发明的IGBT过流或短路状态检测电路，包括分流器电阻R6(图2未画出)、电容C1、晶体三极管Q1、电阻R1、电阻R2和电阻R3；其中，分流器电阻R6为毫欧级功率电阻；分流器电阻R6的一端与功率电压源的负极电连接于节点A，即I_SHUNT-节点，分流器电阻R6的另一端与功率变换电路的下桥臂的发射极以及IGBT驱动电路的信号接地端电连接于节点B，即I_SHUNT+节点；晶体三极管Q1的基极和电容C1的一端电连接于I_SHUNT+节点；电阻R1的一端电连接于I_SHUNT-节点；电容C1的另一端和电阻R1的另一端均与晶体三极管Q1的发射极电连接；晶体三极管Q1的集电极分别与电阻R2的一端和电阻R3的一端电连接；电阻R2的另一端接高电平PVCC；电阻R3的另一端输出保护信号OC。电阻R1和电容C1对从分流器电阻R6上采集的信号进行滤波，然后施加到晶体三极管Q1的基极与发射极。

图3所示为本发明的一个具体实施例，其具体保护IGBT的过流与短路的原理如下：

晶体三极管Q1接在分流器电阻R6的两端，当分流器电阻R6上的压降小于0.6V时，晶体三极管Q1关断，保护信号OC为高电平PVCC；当分流器电阻R6上的压降大于0.6V时，晶体三极管Q1导通，保护信号OC被钳位到分流器电阻R6的电平，分流器电阻R6的电平一端等于信号地电平，另一端比信号地电平还低0.6V，因此晶体三极管Q1导通时，保护信号OC为低电平，通过该电路，实现了保护触发信号的逻辑翻转，电阻R1和电容C1组成一个小惯量滤波器，滤除功率变换电路续流期间产生的尖峰及其他干扰。

晶体三极管Q1的基极电路与分流器电阻R6并联，在晶体三极管Q1的基极和发射极施加的电压大于0.6V时，晶体三极管Q1导通翻转，产生一个由高向低的跳变，该逻辑信号用来进行过流和短路保护。

在本发明电路中，从图3所示的实际应用电路中可以看出，IGBT驱动电路的信号地GND1和功率变换电路的下桥臂的发射极(绝缘栅双极晶体管Q4、绝缘栅双极晶体管Q5和绝缘栅双极晶体管Q6的发射极)是连接在一起的，是绝对等电位的，这样就避免了分流器电阻R6上的压降对IGBT驱动电路的扰动，当分流器电阻R6上的电压超过晶体三极管Q1的导通门限后，晶体三极管Q1导通翻转，输出保护信号OC信号，用作过流保护，根据功率变换电路的保护要求，合理选用分流器电阻R6的阻值，该电路可以很好的起到过流与短路的保护作用；所述的电阻R1和电容C1组成一个小惯量滤波器。

图3所示的实施例与图1所示的一种现有技术相比，本发明IGBT驱动电路与功率变换电路直接共地，分流器电阻R6的压降对IGBT驱动电路无扰动，功率变换工作可靠稳定；而如图1所示的一种现有采用分流器保护的电路，在功率变换电路的地与IGBT驱动电路的地之间隔着分流器电阻R6，分流器电阻R6上的压降与噪声信号会对驱动信号产生扰动，这是本发明与他们的明显区别。本发明的输出信号为逻辑信号，信号电压摆幅宽，抗干扰性好。同时电路采用晶体三极管Q1作为逻辑信号的控制器件，而晶体三极管Q1为电流驱动器件，因此对噪声电压信号具有很好的抗干扰能力。晶体三极管Q1的基极电路由于与分流器电阻R6并联，因此输入阻抗极低，抗干扰能力极强，保护速度快，基极电路的阻抗极低，因此延时很小，同时，分流器电阻R6产生的门限触发信号，当晶体三极管Q1从关断到导通翻转时，产生正反馈，增大逻辑信号翻转的逻辑摆幅。在本发明的电路中，器件很少，信号通过的级数很少，延时很少；该电路通用性强，不依赖特定的器件，对任何器件组成的功率变换电路均可以起到信号检测与保护的作用，稍加变换，就可以实现不同的极性输出。

本发明可应用于变频调速器中，在电机绝缘破坏或接线导致输出短路时，本电路动作，CPU检测到保护信号下跳沿后，立即关断功率器件，保证了变频调速器的安全。当故障状态修复后，变频调速器仍然可以正常工作。

本发明还可应用在大功率的特种逆变电源中，当逆变器过流时，本发明电路动作，通过光耦将该信号传递到CPU中。CPU被该信号触发短路与过流保护中断，关断功率变换器件，保护了特种逆变电源的安全。

另外，本发明还可以应用在PWM整流电路中，保护PWM整流器件的安全。本发明可以应用在所有由可关断功率器件组成的功率变换电路中，有效的实现功率器件的过流与短路保护。

本发明的检测电路即可以串联在单管功率回路中，也可以串联在一个功率桥臂中，也可以串联在一个完整的相逆变电路的功率回路中，其功能框图如图4、图5和图6所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种IGBT过流或短路状态检测电路，其特征在于：包括分流电路、电容、晶体管、电阻R1、电阻R2和电阻R3；所述分流电路的一端与功率电压源的负极电连接于节点A，所述分流电路的另一端与功率变换电路的下桥臂的发射极以及IGBT驱动电路的信号接地端电连接于节点B；所述晶体管的开关控制极和所述电容的一端电连接于节点B；所述电阻R1的一端电连接于节点A；所述电容的另一端和所述电阻R1的另一端均与所述晶体管的第二极电连接；所述晶体管的第三极分别与所述电阻R2的一端和所述电阻R3的一端电连接；所述电阻R2的另一端接高电平PVCC；所述电阻R3的另一端输出保护信号OC。

2.根据权利要求1所述的IGBT过流或短路状态检测电路，其特征在于：所述分流电路为分流器电阻。

3.根据权利要求2所述的IGBT过流或短路状态检测电路，其特征在于：所述分流器电阻为毫欧级功率电阻。

4.根据权利要求1至3任一项所述的IGBT过流或短路状态检测电路，其特征在于：所述晶体管为晶体三极管，所述开关控制极为基极，所述第二极为发射极，所述第三极为集电极。

Images