CN102201661B - 一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路及其保护方法 - Google Patents

Abstract

一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路及其保护方法，保护电路包括电压探测电路，电流探测电路，软关断保护电路，降栅压保护电路，其中，电压探测电路与电流探测电路用于探测绝缘栅双极型器件短路信号，软关断保护电路与降栅压保护电路在接受到反馈信号后，采取两步关断的方式保护绝缘栅双极型器件，电压探测电路反馈信号与一路电流探测电路反馈信号采用一对背靠背二极管隔离后接至降栅压电路，避免了相互干扰，另一路电流探测信号直接反馈至软关断电路，本发明只需要简单的电阻、电容、场效应管、二极管、齐纳管就能实现，使的短路保护结构非常简单，且响应及时、可靠，大大降低了成本，便于集成。

Description

一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路及其保护方法

技术领域

本发明涉及绝缘栅双极型器件的短路自保护技术领域，更具体的说，是关于一种用于逆变器、PDP驱动芯片中使用的绝缘栅双极型器件免于高压大电流损坏的短路自保护电路设计，为一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路及其保护方法。

背景技术

随着人们对现代化生活需求的日益增强，功率集成电路产品的性能越来越受到关注，其中功率集成电路处理高电压、大电流的能力越来越成为最为主要的性能指标之一。决定功率集成电路处理高电压、大电流能力大小的因素除了功率集成电路本身电路结构、设计以及电路所采用的制造工艺之外，相同面积的单个器件能承受的电流能力也是衡量功率集成电路性能和成本的关键。

绝缘栅双极型器件综合了双极型晶体管和绝缘栅场效应管器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。然而由于绝缘栅双极型晶体管高压大电流的属性，造成它在短路时的漏源电流极大，因而其只能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该器件的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的绝缘栅双极型器件允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的绝缘栅双极型器件允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，绝缘栅双极型器件的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。为在承受时间之内关断绝缘栅双极型器件，人们在绝缘栅双极型器件驱动电路中提出各种短路自保护方法。

绝缘栅双极型器件短路自保护电路可采取的探测原理有：检测短路时漏极与源极之间电压V_DS增大的原理、检测短路时漏极电流I_DS增大的原理，检测短路时栅压上升的原理。从而实现短路保护、降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护。上述方法中，简单、易实现的方法是检测短路时，漏极与源极之间的电压V_DS实现短路探测，又称退饱和法，此方法采用的是间接电压法。因为绝缘栅双极型器件过流时漏极与源极间电压V_DS增大且基本上为线性关系，故检测过流时的漏源电压V_DS并与设定电压进行比较。比较器输出控制驱动电路的关断也是一个很好的方法。但这种方法中普遍采用绝缘栅双极型器件专用驱动器如EXB841，价格昂贵，在中小功率的生产应用中会使得成本增加。

无论是上面所述的漏源电压探测电路，还是漏源电流探测电路，他们有一个共同的缺点，即是仅仅探测短路时一个参数值的超标，只能称之为过压探测电路或过流探测电路。因而合理的结合多种探测方法探测出绝缘栅双极型器件短路时的过压与过流，但又不使他们之间信号产生相互干扰成为短路保护电路设计时的一个极其重要的考虑因素。

发明内容

本发明要解决的问题是：绝缘栅双极型器件需要短路保护，现有的保护方式存在需要专门电路，价格昂贵，工艺复杂等缺点，且仅仅探测短路时一个参数值的超标，不能满足短路保护的需求。

本发明的技术方案为：一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路，包括电压探测电路、电流探测电路、软关断保护电路、降栅压保护电路以及被保护绝缘栅双极型器件，所述被保护绝缘栅双极型器件的输入端为驱动信号，输出端分别连接电压探测电路以及电流探测电路的输入端，电压探测电路的输出通过二极管D2连接降栅压保护电路的输入端，电流探测电路有两路输出，一路与软关断保护电路的输入端相连，另一路通过二极管D3与降栅压保护电路的输入端相连，所述二极管D2和二极管D3背靠背连接，软关断保护电路与降栅压保护电路的输出端连接至被保护绝缘栅双极型器件的输入端。

所述电压探测电路由一个二极管D1、电容C1以及电阻R1、R2和R3组成，电阻R1、R2和R3串联，驱动信号Vin的输入线与电阻R1、R2、R3并联连接至GND，电阻R3两端并联电容C1，用于调整电压上升时间，二极管D1阴极连接被保护绝缘栅双极型器件漏极，二极管D1阳极连接在电阻R1和电阻R2之间；电流探测电路包括电流感测绝缘栅双极型器件、电阻R4和电阻R5，电流感测绝缘栅双极型器件栅极为电流探测电路的输入端，电流感测绝缘栅双极型器件源极经电阻R4和电阻R5连接GND，电流感测绝缘栅双极型器件漏极接VDD，电流感测绝缘栅双极型器件源极以及电阻R4、R5之间分别引出电流探测电路的输出端；软关断保护电路由一场效应管M1构成，场效应管M1栅极为软关断保护电路的输入端，漏极接驱动信号，源极接GND；降栅压保护电路由一场效应管M2与齐纳二极管Z1、Z2组成，场效应管M2栅极为降栅压保护电路的输入端，漏极接齐纳二极管Z1阳极，源极接GND，齐纳二极管Z1阴极接驱动信号，齐纳二极管Z2阴极接场效应管M2栅极，阳极接GND，箝位M2栅压。

电压探测电路的电阻R1、R2、R3三个电阻分压，电阻R3的压降作为降栅压保护电路(4)的场效应管M2的开启压降，调整电阻R1、R2、R3的阻值比值，用于防止电压探测电路过早的触发降栅压保护电路；电流探测电路的电阻R4与R5阻值的比值设置为2∶1，用于调整降栅压保护电路与软关断保护电路开启的时间差。

电流探测电路的电流感测绝缘栅双极型器件与被保护绝缘栅双极型器件长度一致，宽度比为1∶N，使得相同栅压与漏压下二者的漏电流比为1∶N，N的值设置为800～1200。

上述一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路的保护方法，自保护电路同时采用电压探测电路与电流探测电路，通过两个背靠背二极管D2、D3使电压探测电路与电流探测电路之间的信号相互隔离，使得二者反馈信号一起连接至降栅压保护电路的信号接收端，包括以下步骤：

电压探测电路通过调整电阻R3、电容C1的值使得电容C1的充电时间Δt＝RC长于200ns，通过调整电阻R1、R2、R3的比值来控制电阻R3的压降，从而使被保护绝缘栅双极型器件开启时反馈信号强度不会触发降栅压电路动作；

当被保护绝缘栅双极型器件从正常工作状态进入短路状态时，漏源电压增大，电压探测电路的电阻R2、R3上的电压被抬高，当电阻R3上的电压差超过降栅压保护电路的场效应管M2的死区电压Vth时，场效应管M2开启，将被保护绝缘栅双极型器件栅压拉低，实现降栅压保护；

同样，当被保护绝缘栅双极型器件从正常工作状态进入短路状态时，漏源电流增大，电流探测电路的电流感测绝缘栅双极型器件漏源电流与被保护绝缘栅双极型器件成比例，当短路电流使电阻R4、R5上的总压差超过降栅压保护电路的场效应管M2的死区电压Vth时，场效应管M2开启，将被保护绝缘栅双极型器件栅压拉低，实现降栅压保护；

在降栅压保护电路启动后，若被保护绝缘栅双极型器件漏源短路电流继续增大，当短路电流使电压探测电路的电阻R5上的压差超过软关断保护电路的场效应管M1的死区电压Vth时，场效应管M1开启，彻底拉低被保护绝缘栅双极型器件的栅压，关断被保护绝缘栅双极型器件。

本发明提供一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路，它即能够在探测短路时的过压又能够探测短路时的过流现象，并采用简单的器件对信号进行隔离，最终实现绝缘栅双极型器件全面的短路自保护。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)实现被保护绝缘栅双极型器件过压与过流的双重保护，将电压探测功能与电流探测功能集成在同一简单的电路中，最终实现了过压探测，过流探测，与短路探测功能。通过图3可以看出，未保护的绝缘栅双极型器件在硬开启短路失效后达到稳态时漏源电流I_DS可以达到6或7倍的额定电流值，通过本发明的短路保护电路，短路电流降低至原短路电流的一半，即约3至4倍额定电流。

(2)保护电路分为软关断与降栅压两步进行，重点对过流与短路状态实施两步关断，对过压实施降栅压，比起单个软关断电路大大增强了抗干扰性能。

(3)工艺实现简单，可以通过高低压兼容工艺与主电路集成在一块芯片上。不必采用额外的专用驱动芯片封锁输出，大大节约了成本。

(4)电压探测与电流探测采用两个反偏二极管进行隔离，工艺实现简单，隔离效果好。

(5)本发明不影响电路正常工作，电流感测绝缘栅双极型器件(IGBT Sensor)由于面积小，功耗很低。

附图说明

图1是本发明短路自保护电路的结构框图。

图2是本发明短路自保护电路的具体电路图。

图3是本发明短路自保护电路启动时的绝缘栅双极型器件电压、电流波形，以及无短路自保护电路保护时绝缘栅双极型器件电压电流波形图的对比。

具体实施方式

如图1，本发明包括电压探测电路1、电流探测电路2、软关断保护电路3、降栅压保护电路4以及被保护绝缘栅双极型器件5，所述被保护绝缘栅双极型器件5的输入端为驱动信号，输出端分别连接电压探测电路1以及电流探测电路2的输入端，电压探测电路1的输出通过二极管D2连接降栅压保护电路4的输入端，电流探测电路2有两路输出，一路与软关断保护电路3的输入端相连，另一路通过二极管D3与降栅压保护电路4的输入端相连，所述二极管D2和二极管D3背靠背连接，软关断保护电路3与降栅压保护电路4的输出端连接至被保护绝缘栅双极型器件5的输入端。

如图2，所述电压探测电路1由一个二极管D1、电容C1以及电阻R1、R2和R3组成，用来探测被保护绝缘栅双极型器件5短路时漏压的上升，当漏压上升超过某一预设值时，将信号反馈到降栅压电路。电阻R1、R2和R3串联，驱动信号Vin的输入线与电阻R1、R2、R3并联连接至GND，电阻R3两端并联电容C1，用于调整电压上升时间，二极管D1阴极连接被保护绝缘栅双极型器件5漏极，二极管D1阳极连接在电阻R1和电阻R2之间；电流探测电路2包括电流感测绝缘栅双极型器件、电阻R4和电阻R5，电流感测绝缘栅双极型器件栅极为电流探测电路2的输入端，电流感测绝缘栅双极型器件源极经电阻R4和电阻R5连接GND，电流感测绝缘栅双极型器件漏极接VDD，电流感测绝缘栅双极型器件源极以及电阻R4、R5之间分别引出电流探测电路2的输出端，电流感测绝缘栅双极型器件IGBT Sensor与被保护绝缘栅双极型器件5各电极并连，因而二者漏电流成正比关系，当被保护绝缘栅双极型器件5经历短路状态时，电流感测绝缘栅双极型器件IGBT Sensor同样进入短路状态，将漏极电流的增大量通过电阻R4、R5转换为电压信号反馈至软关断保护电路3与降栅压保护电路4；软关断保护电路3由一场效应管M1构成，场效应管M1栅极为软关断保护电路3的输入端，漏极接驱动信号，源极接GND，当反馈信号拉高栅极电压时M1开启将被保护绝缘栅双极型器件5的栅极电压拉低至0V，彻底关断被保护绝缘栅双极型器件5，实现软关断短路保护功能；降栅压保护电路4由一场效应管M2与齐纳二极管Z1、Z2组成，场效应管M2栅极为降栅压保护电路4的输入端，漏极接齐纳二极管Z1阳极，源极接GND，齐纳二极管Z1阴极接驱动信号，齐纳二极管Z2阴极接场效应管M2栅极，阳极接GND，箝位场效应管M2栅压，当电压探测电路1或者电流探测电路2的反馈信号拉高场效应管M2的栅极时，场效应管M2开启，将被保护绝缘栅双极型器件5的栅极电压拉低至反偏齐纳二极管Z1的箝位电压8V，实现降栅压短路保护功能。

下面结合附图对本发明的保护方法进行一步描述，包括以下步骤：

电压探测电路1通过合理调整R3、电容C1的值使得电容C1的充电时间Δt长于200ns，从而使被保护绝缘栅双极型器件5开启时反馈信号强度不会触发降栅压保护电路4动作。

当被保护绝缘栅双极型器件5从正常工作状态进入短路状态时，漏源电压增大，电压探测电路1的电阻R2、R3上的电压被抬高，当电阻R3上的电压差超过降栅压保护电路4的场效应管M2的死区电压Vth时，场效应管M2开启，将被保护绝缘栅双极型器件5栅压拉低，实现降栅压保护，因此调整电阻R1、R2、R3的阻值比值可以调整电阻R3压降达到场效应管M2的死区电压Vth的时间，防止电压探测电路1过早的触发降栅压保护电路。

同样，若被保护绝缘栅双极型器件5从正常工作状态进入短路状态时，漏源电流也会增大，电流感测绝缘栅双极型器件IGBT Sensor由于与被保护绝缘栅双极型器件5共源、栅、漏，因此起漏源电流与被保护绝缘栅双极型器件5成比例。当短路电流使电流探测电路2的电阻R4、R5上的总压差超过降栅压保护电路4的场效应管M2的死区电压Vth时，场效应管M2开启，将被保护绝缘栅双极型器件5栅压拉低，实现降栅压保护。

由于过流比过压对被保护绝缘栅双极型器件5的损坏更大，因此在降栅压电路启动后，若被保护绝缘栅双极型器件5漏源短路电流继续增大，当短路电流使电流探测电路2的电阻R5上的压差超过软关断保护电路3的场效应管M1的死区电压Vth时，场效应管M1开启，彻底拉低被保护绝缘栅双极型器件5的栅压，关断被保护绝缘栅双极型器件5。

图3是本发明短路自保护电路启动时的绝缘栅双极型器件电压、电流波形，以及无短路自保护电路保护时绝缘栅双极型器件电压电流波形图的对比，其中I_DS是无短路自保护电路保护时绝缘栅双极型器件漏源电流，I_DL是采用短路自保护电路后短路时漏源电流。可以看出，在启动短路保护之后漏源电流大幅降低，从额定电流的6至7倍降低到3至4倍。

Claims (3)

1.一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路，其特征是包括电压探测电路（1）、电流探测电路（2）、软关断保护电路（3）、降栅压保护电路（4）以及被保护绝缘栅双极型器件（5），所述被保护绝缘栅双极型器件（5）的输入端为驱动信号Vin，输出端分别连接电压探测电路（1）以及电流探测电路（2）的输入端，电压探测电路（1）的输出通过二极管D2连接降栅压保护电路（4）的输入端，电流探测电路（2）有两路输出，一路与软关断保护电路（3）的输入端相连，另一路通过二极管D3与降栅压保护电路（4）的输入端相连，所述二极管D2和二极管D3背靠背连接，软关断保护电路（3）与降栅压保护电路（4）的输出端连接至被保护绝缘栅双极型器件（5）的输入端；

所述电压探测电路（1）由一个二极管D1、电容C1以及电阻R1、R2和R3组成，电阻R1、R2和R3串联连接在驱动信号Vin的输入线与GND之间，电阻R3两端并联电容C1，用于调整电压上升时间，二极管D1阴极连接被保护绝缘栅双极型器件（5）漏极，二极管D1阳极连接在电阻R1和电阻R2之间；电流探测电路（2）包括电流感测绝缘栅双极型器件、电阻R4和电阻R5，电流感测绝缘栅双极型器件栅极为电流探测电路（2）的输入端，电流感测绝缘栅双极型器件源极经电阻R4和电阻R5连接GND，电流感测绝缘栅双极型器件漏极接VDD，由电流感测绝缘栅双极型器件源极与电阻R4之间、以及电阻R4与R5之间分别引出电流探测电路（2）的输出端；软关断保护电路（3）由一场效应管M1构成，场效应管M1栅极为软关断保护电路（3）的输入端，漏极接驱动信号Vin，源极接GND；降栅压保护电路（4）由一场效应管M2与齐纳二极管Z1、Z2组成，场效应管M2栅极为降栅压保护电路（4）的输入端，漏极接齐纳二极管Z1阳极，源极接GND，齐纳二极管Z1阴极接驱动信号Vin，齐纳二极管Z2阴极接场效应管M2栅极，阳极接GND，箝位场效应管M2栅压；

电压探测电路（1）的电阻R1、R2、R3三个电阻分压，电阻R3的压降作为降栅压保护电路（4）的场效应管M2的开启压降，调整电阻R1、R2、R3的阻值比值，用于防止电压探测电路（1）过早的触发降栅压保护电路（4）；电流探测电路（2）的电阻R4与R5阻值的比值设置为2:1，用于调整降栅压保护电路（4）与软关断保护电路（3）开启的时间差。

2.根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路，其特征是电流探测电路（2）的电流感测绝缘栅双极型器件与被保护绝缘栅双极型器件（5）长度一致，宽度比为1：N，使得相同栅压与漏压下二者的漏电流比为1:N，N的值设置为800～1200。

3.权利要求1或2所述的一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路的保护方法，其特征是：所述自保护电路同时采用电压探测电路（1）与电流探测电路（2），通过两个背靠背二极管D2、D3使电压探测电路（1）与电流探测电路（2）之间的信号相互隔离，使得二者反馈信号一起连接至降栅压保护电路（4）的输入端，包括以下步骤：

电压探测电路（1）通过调整电阻R3、电容C1的值使得电容C1的充电时间Δt=RC长于200ns，通过调整电阻R1、R2、R3的比值来控制电阻R3的压降，从而使被保护绝缘栅双极型器件（5）开启时反馈信号强度不会触发降栅压保护电路（4）动作；

当被保护绝缘栅双极型器件（5）从正常工作状态进入短路状态时，漏源电压增大，电压探测电路（1）的电阻R2、R3上的电压被抬高，当电阻R3上的电压差超过降栅压保护电路（4）的场效应管M2的死区电压Vth时，场效应管M2开启，将被保护绝缘栅双极型器件（5）栅压拉低，实现降栅压保护；

同样，当被保护绝缘栅双极型器件（5）从正常工作状态进入短路状态时，漏源电流增大，电流探测电路（2）的电流感测绝缘栅双极型器件漏源电流与被保护绝缘栅双极型器件（5）的漏源电流成比例，当漏源电流使电阻R4、R5上的总压差超过降栅压保护电路（4）的场效应管M2的死区电压Vth时，场效应管M2开启，将被保护绝缘栅双极型器件（5）栅压拉低，实现降栅压保护；

在降栅压保护电路（4）启动后，若被保护绝缘栅双极型器件（5）漏源电流继续增大，当漏源电流使电压探测电路（1）的电阻R5上的压差超过软关断保护电路（3）的场效应管M1的死区电压Vth时，场效应管M1开启，彻底拉低被保护绝缘栅双极型器件（5）的栅压，关断被保护绝缘栅双极型器件（5）。

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