CN102157921B - 一种igbt短路保护电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种IGBT短路保护电路及其控制方法。包括比较器，光电耦合器，信号延时电路。其目的是为了提供一种结构简单、成本低的IGBT短路保护装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种短路保护电路及控制方法，特别是涉及一种用于实现IGBT短路保护的电路及控制方法。
背景技术
目前IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)作为一种大功率开关器件被广泛应用，但是IGBT的保护一直是个难点，一般的IGBT驱动保护模块就是通过监控Vce是否大于饱和压降，来实现IGBT过流保护的，现在广泛使用的方案一种是采用西门康及三菱的驱动保护模块，但是该方案成本太高，尤其在小功率机型上不能产品化；另一种方案是通过霍尔电路检测输出电流实现保护，但是该方案不能直接检测每一个IGBT的电流，不能完全可靠实现短路保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于IGBT的短路保护电路，解决当IGBT模块短路时不能可靠保护的问题。
本电路利用比较器实现对Vce变化的快速响应，通过光电耦合器及时触发CPU关断IGBT驱动信号，避免IGBT短路。
饱和压降Vce是衡量IGBT是否过流的重要指标，在门极驱动电压存在的情况下，发生IGBT过流，Vce会急剧上升，一般当Vce大于饱和压降10微秒(us)左右，IGBT就会损坏。如图1所示，当栅极与发射极电压Vge为15V时，IGBT结温温度为25℃至125℃时，IGBT饱和导通后的压降Vce随着Ice的增大而增大，本设计正是利用IGBT的此种特性，通过检测Vce的压降来判断IGBT是否处于短路状态(通常认为IGBT的电流大于其额定值的3倍即认为其处于短路状态)，若达到电压阈值便通过比较器输出信号导通光电耦合器，触发CPU的硬件中断来封锁IGBT的驱动信号。
如图2所示，IGBT短路保护电路包括快恢复二极管D01，钳位二极管D02，分压电阻R04，R05，R06和比较器U01，电阻R01，R03，R07，R08；IGBT的集电极连接快恢复二极管D01，快恢复二极管D01连接电阻R1，电阻R1连接分压电阻R6，分压电阻R6连接分压电阻R5，分压电阻R5连接分压电阻R4，分压电阻R4连接IGBT的发射极，IGBT的栅极连接钳位二极管D02，钳位二极管D02连接电阻R03，电阻R03与分压电阻R04并联，比较器U01的引脚1连接电阻R08，电阻R08连接随后的光电耦合器输入端，比较器的引脚2连接分压电阻R05，比较起的引脚1连接电阻R08，比较器的引脚6连接分压电阻R04，比较器的引脚7连接电阻R08。
在IGBT栅极有驱动电压时，当发生IGBT过流时，IGBT集电极与发射极间的电压快速升高，当超过比较器U01的引脚3或引脚5所设定的2.5V时，比较器U01的引脚1或引脚7将发生翻转，该信号将导通随后的光电耦合器光电耦合器的输出端信号，触发CPU的硬件中断来封锁IGBT的驱动信号。
本发明通过检测IGBT的Vce压降实现短路保护，电路简单可靠，尤其适合小功率机器采用，可以单独控制每一块IGBT模块的关断，通过对比较器阀值的灵活设定，满足了对不同IGBT模块的短路保护。
下面结合附图对本发明的短路保护电路作进一步说明。
附图说明
图1为本发明中Vce-Ice特征曲线的示意图；
图2为本发明电路结构示意图；
图3为本发明实施例中电路结构示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施例如图3所示，IGBT光电耦合器驱动模块U1选用HCPL3120，二极管D1选用快速恢复高压二极管SF1600，比较器U2选用LM393，二极管D2选用1N4148，光电耦合器PC1选用PS2701。二极管D1的功能与二极管D01相同，二极管D2的功能与二极管D02相同，分压电阻R4，R5，R6的功能与电阻R04，R05，R06相同，比较器U2的功能与比较器U01相同。
在本实施例IGBT短路保护电路中，包括电阻RG1，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R7，电阻R8，电阻R9，电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容C5，电容C6，电容C7，电容C8，电容C9，二极管D3，稳压管V1，稳压管Z1，电容E1，电容E2，电容E3，端点P连接IGBT的集电极，端点COM连接IGBT的发射极；还包括，二极管D1，二极管D2，电阻R4，电阻R5，电阻R6，比较器U2，光电耦合器模块PC1，电阻R10，电容C10，二极管D1连接电阻R1；二极管D2位于电阻RG1与电阻R3之间；电阻R4位于电阻R3与稳压管V1之间；电阻R5与电阻R6串联，位于电阻R7与电容C4之间，光电耦合器模块PC1的输入端连接二极管D3，电阻R10连接电阻R5，电容C10连接电阻R10，比较器U2的引脚2连接电阻R10，比较器U2的引脚6连接电阻R3，比较器U2的引脚2连接电阻R10，比较器U2的引脚7连接电容C8，比较器U2的引脚1连接电容C8，比较器U2的引脚3连接电阻R2，比较器U2的引脚5连接电阻R2。
本保护电路能够在短路发生的6US之内关断IGBT，可靠实现短路保护，并且利用光电耦合器隔离了电路过压信号和过流信号向CPU控制电路的传播。
IGBT一般只能承受几十个μs甚至几个μs的过载电流，一旦短路发生就要求保护电路能在尽可能短的时间内关断开关器件，切断短路电流，使开关器件不致于因过流而损坏。但是，在短路情况下迅速关断开关器件，将导致负载电流下降过快而产生过大的di/dt，由于引线电感和漏感的存在，过大的电流变化量di/dt将产生很高的过电压，而使开关器件面临过压击穿的危险。对于IGBT，过高的电压又可能导致器件内部产生擎住效应失控而损坏器件。
在本实施例中，当IGBT导通时，二极管(D1)检测到IGBT的导通压降，通过电阻(R4)，电阻(R5)，电阻(R6)进行分压；
若比较器(U2)的引脚(6)电压超过2.5V，则认为IGBT处于短路状态，比较器(U2)的引脚(7)输出翻转为低电平，光电耦合器模块(PC1)导通，光电耦合器模块(PC1)的输出端(OC)信号为低电平，触发CPU的硬件中断关断IGBT的驱动信号。
当IGBT处于关断状态时，二极管(D2)将比较器(U2)的引脚(6)和引脚(2)电压钳位至低于2.5V的值，比较器(U2)不反转，可以实现在IGBT关断状态时不会误保护。
若比较器(U2)的引脚(6)电压超过2.5V，则认为IGBT处于短路状态，比较器(U2)的引脚(1)输出翻转为低电平，经电阻(R10)与电容(C10)组成的延时电路，光电耦合器模块(PC1)导通，光电耦合器模块(PC1)的输出端(OC)信号为低电平，触发CPU的硬件中断关断IGBT的驱动信号。
利用电阻R5的分压作用，比较器U2的引脚2的电压会比引脚6的电压高，这就会导致比较器U2的引脚1会比引脚7在更低的Ice电流时翻转，但由于电阻R10及电容C10组成的强延时电路的作用，比较器U2的引脚1的电平翻转时间会有较大时间的延迟，从而可以实现IGBT短路保护的二级阀值，在Ice电流达到低阀值时，通过延时后，比较器U2的引脚1翻转，光电耦合器CP1导通，触发CPU的硬件中断关断IGBT的驱动信号，保护IGBT，IGBT的二级保护由于有RC延时网络，所以一般可以把二级保护的阈值整定为IGBT的过流保护，通过调节电阻R5的阻值，可以方便的求出二级保护时对应的IGBT的电流阈值，用户可以根据不同的使用场合整定不同的保护阈值；当电流上升很快，Ice达到低阀值而比较器U2的引脚1还没有来得及翻转时Ice电流达到高阀值，此时比较器U2的引脚7会马上翻转为低电平，触发CPU的硬件中断关断IGBT的驱动信号，快速关断IGBT。
以FP40R12KE3IGBT模块为例，按照上图的参数配置则比较器7脚翻转时IGBT的Vce压降为U，则U/2.5V＝(R4+R5+R6)/R4，得出U＝5.4V。若二极管D1的正向压降为0.8V，则保护时的Vce压降为4.6V。参照图1(以125℃曲线为例)，可以看出保护时IGBT的Ice电流峰值约为110A左右，未超过IGBT的承受能力。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种IGBT短路保护电路，其特征在于：包括电阻RG1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10，还包括电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容C5，电容C6，电容C7，电容C8，电容C9，电容C10和电容C11，还包括二极管D1、二极管D2和二极管D3，还包括稳压管V1，稳压管Z1，极性电容E1，极性电容E2，极性电容E3，还包括光电耦合器模块PC1和比较器U2，比较器U2采用LM393，光电耦合器PC1采用PS2701；
IGBT的栅极串联电阻RG1后连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极串联电阻R3后连接比较器U2的引脚6，IGBT的集电极连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极串联电阻R1后连接稳压管Z1的阴极，稳压管Z1的阳极与阴极之间并联电容C1，IGBT的发射极串联电容C6、电阻R8后连接比较器U2的引脚7，IGBT的发射极串联电容C6、电阻R7后连接稳压管Z1的阴极，IGBT的发射极串联电容C6、电阻R7、电阻R6、电阻R10后连接比较器U2的引脚2，比较器U2的引脚3和引脚5连接，比较器U2的引脚5和引脚2之间连接电容C10，IGBT的发射极串联电容C6、电阻R7、电阻R6、电阻R5后连接比较器U2的引脚6，比较器U2的引脚1和引脚7相连；
比较器U2的引脚7串联电阻R9连接光电耦合器PC1的阴极输入端，光电耦合器PC1的阳极输入端连接二极管D3的阴极，光电耦合器PC1的阴极输入端连接二极管D3的阳极，光电耦合器PC1的发射极输出端和集电极输出端之间连接电容C11，电容C9与二极管D3并联，比较器U2的引脚7串联电容C8、电容C4后连接比较器U2的引脚6，比较器U2的引脚7串联电容C8、电容C7后连接光电耦合器PC1的阳极输入端，比较器U2的引脚5和引脚6之间串联电容C4和电容C5，比较器U2的引脚5和引脚6之间串联稳压管V1和电阻R4，电容C4和电容C5形成的串联电路，与稳压管V1和电阻R4形成的串联电路间并联，稳压管V1的阳极连接电阻R4，稳压管V1的阴极连接比较器U2的引脚5，极性电容E1、电容C2、极性电容E3分别与稳压管V1并联，极性电容E1和极性电容E3的阳极连接稳压管V1的阴极，电容C2的一端与极性电容E3的阳极间连接电阻R2，电容C2的另一端连接极性电容E2的阳极，极性电容E2的阴极和极性电容E3的阴极之间连接电容C3。
2.利用如权利要求1所述IGBT短路保护电路的控制方法，其步骤是：当IGBT导通时，二极管D1检测到IGBT的导通压降，通过电阻R4，电阻R5，电阻R6进行分压；
若比较器U2的引脚6电压超过2.5V，则认为IGBT处于短路状态，比较器U2的引脚7输出翻转为低电平，光电耦合器模块PC1导通，光电耦合器模块PC1的输出端OC信号为低电平，触发CPU的硬件中断关断IGBT的驱动信号。
3.如权利要求2所述IGBT短路保护电路的控制方法，其步骤还包括：当IGBT处于关断状态时，二极管D2将比较器U2的引脚6和引脚2电压钳位至低于2.5V的值，比较器U2的输出不反转。
4.如权利要求3所述IGBT短路保护电路的控制方法，其步骤还包括：若比较器U2的引脚6电压超过2.5V，则认为IGBT处于短路状态，比较器U2的引脚2输出翻转为低电平，经电阻R10与电容C10组成的延时电路，光电耦合器模块PC1导通，光电耦合器模块PC1的输出端OC信号为低电平，触发CPU的硬件中断关断IGBT的驱动信号。
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Denomination of invention: Insulated gate bipolar transistor (IGBT) short circuit protection circuit and control method Effective date of registration: 20180726 Granted publication date: 20141029 Pledgee: Bank of Qingdao Co Yantai branch Pledgor: EURA Drives Electric Co., Ltd. Registration number: 2018980000108 |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
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Address after: 264006 No. 17 Fuzhou Road, Yantai Economic and Technological Development Zone, Shandong Province Patentee after: EURA Drives Electric Co., Ltd. Address before: 264006, 11, the Yellow River Road, Yantai economic and Technological Development Zone, Shandong, China Patentee before: EURA Drives Electric Co., Ltd. |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Date of cancellation: 20190902 Granted publication date: 20141029 Pledgee: Bank of Qingdao Co Yantai branch Pledgor: EURA Drives Electric Co., Ltd. Registration number: 2018980000108 |