CN102222884A - 一种两步探测绝缘栅双极型器件短路自保护电路及其保护方法 - Google Patents
一种两步探测绝缘栅双极型器件短路自保护电路及其保护方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种两步探测绝缘栅双极型器件短路自保护电路及其保护方法，电路包括电流变化探测电路，电流探测电路，软关断保护电路和降栅压保护电路，电流变化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。本发明电流探测电路并不常开，采用电流变化探测电路反馈信号来启动电流探测电路，避免了不必要的功耗；电流探测电路有两路反馈信号，分别反馈至软关断电路与降栅压电路，只需要简单的电阻、电感、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，且不引入工艺复杂的器件，响应及时、可靠，大大降低了成本，便于集成。
Description
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，为一种两步探测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：检测短路时漏源极之间电压VDS增大的原理、检测短路时漏源电流IDS增大的原理，检测短路时电流变化的原理。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VDS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VDS增大且基本上为线性关系，故检测过流时的漏源电压VDS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流探测电路，还是漏源电流变化探测电路，他们都有缺点，漏源电流变化探测电路过于敏感可能对正常开启时的电流上升造成误探测，而且反馈电压的维持也需要专门电路；漏源电流探测电路由于与被保护绝缘栅双极型器件并联的电流感测绝缘栅双极型器件需要常开，因此为了降低功耗需要将器件面积做的极小，工艺实现复杂。
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，不能满足使用需求。
本发明的技术方案为：一种两步探测绝缘栅双极型器件短路自保护电路，包括电流变化探测电路、电流探测电路和软关断保护电路，被保护绝缘栅双极型器件的输出端依次连接电流变化探测电路、电流探测电路和软关断保护电路，软关断保护电路的输出端连接所述被保护绝缘栅双极型器件的输入端。
所述的电流变化探测电路由一个电感L、电压维持电路和两个齐纳二极管Z3、Z4构成，电感L接在被保护绝缘栅双极型器件源极与GND之间，电压维持电路与电感L并联，齐纳二极管Z3、Z4串联后也与电感L并联；电流探测电路包括电流感测绝缘栅双极型器件以及分压电阻R1和R2，电流感测绝缘栅双极型器件的栅极接电流变化探测电路输出，电流探测电路的输出信号从电流感测绝缘栅双极型器件的源极以及分压电阻R1、R2之间引出；软关断保护电路由一MOS管M1构成，MOS管M1栅极为软关断保护电路的输入端，漏极接被保护绝缘栅双极型器件栅控信号，源极接GND。
进一步的，还设有降栅压保护电路，所述降栅压保护电路连接在电流探测电路的输出端与被保护绝缘栅双极型器件的输入端之间，所述降栅压保护电路由一MOS管M2与齐纳二极管Z1组成，M2栅极接输入信号，漏极接Z1阳极，源极接GND，Z1阴极接驱动信号。
电流探测电路电流感测绝缘栅双极型器件在电路正常工作时关闭，电流感测绝缘栅双极型器件与被保护绝缘栅双极型器件面积比为1∶N，N的值为30至50。
上述两步探测绝缘栅双极型器件短路自保护电路的保护方法，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，其漏源电流快速上升，电流变化探测电路的电感L上产生足够大的压降，齐纳二极管Z3、Z4箝位压降在15V并反馈至电流探测电路的电流感测绝缘栅双极型器件栅极，电压维持电路维持15V的压降，启动电流探测电路；
电流探测电路启动后，当短路电流使分压电阻R2上的压差超过软关断电路的MOS管M1的死区电压Vth时，MOS管M1开启，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。
进一步的，电流探测电路启动后，当短路电流使分压电阻R1、R2上的总压差超过降栅压保护电路的MOS管M2的死区电压Vth时，MOS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；当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，当短路电流使分压电阻R2上的压差超过软关断电路的MOS管M1的死区电压Vth时，MOS管M1开启，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；其中通过分压电阻R1、R2阻值的比值来调整降栅压保护电路与软关断保护电路的开启的时间差。
本发明提供一种绝缘栅双极型器件短路自保护电路及其保护方法，它即能够在探测短路时的电流变化之后，启动电流探测电路探测电流值是否超过设置值，最终实现绝缘栅双极型器件全面的短路自保护。
本发明电流变化探测电路，探测被保护绝缘栅双极型器件漏源电流变化并反馈给电流探测电路，由电流探测电路探测是否进行短路保护。电流感测绝缘栅双极型器件(IGBTSensor)在电路正常工作时关闭，只有在电流变化探测电路反馈15V的栅压信号后才会开启，启动电流探测电路。由于电流感测绝缘栅双极型器件(IGBT Sensor)不再是常开器件，故不需要担心功耗问题，面积比N可以设置的较小，从1∶1000降到1∶30至1∶50。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)实现电流变化探测与电流探测两步探测。通过电流变化探测电路启动电流探测电路，通过图3我们可以看出，未保护的绝缘栅双极型器件(5)在硬开启短路失效后达到稳态时漏源电流IDS可以达到7或8倍的额定电流值，通过我们的新型短路保护电路，短路电流降低至原短路电流的一半，即约4至5倍额定电流。
(2)保护电路分为软关断与降栅压两步进行，根据电流感测绝缘栅双极型器件(IGBT Sensor)电流的大小判断实施哪种保护，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，由于电流感测绝缘栅双极型器件(IGBT Sensor)由以前的常开状态变成有电流辩护探测电路启动，因而可以不必考虑功率的因素，电流感测绝缘栅双极型器件(IGBT Sensor)相对于不必做的非常小，即面积比1∶N中的N可以小一些，从以前的1∶1000降到1∶30至1∶50。
(4)本发明不影响电路正常工作，没有引入工艺复杂的器件，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。
附图说明
图1是本发明的电路结构框图。
图2是本发明自保护电路的具体电路图。
图3是被保护绝缘栅双极型器件处于硬开启短路后，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，本发明的自保护电路包括电流变化探测电路1、电流探测电路2和软关断保护电路3，被保护绝缘栅双极型器件5的输出端依次连接电流变化探测电路1、电流探测电路2和软关断保护电路3，软关断保护电路3的输出端连接所述被保护绝缘栅双极型器件5的输入端。还设有降栅压保护电路4，所述降栅压保护电路4连接在电流探测电路2的输出端与被保护绝缘栅双极型器件5的输入端之间。降栅压保护电路4，用于提高保护电路的抗干扰能力。电流变化探测电路1与电流探测电路2用于探测被保护绝缘栅双极型器件5的短路信号，软关断电路3与降栅压保护电路4在接受到反馈信号后，采取两步关断的方式保护所述被保护绝缘栅双极型器件5。本发明电流探测电路2并不常开，采用电流变化探测电路1反馈信号来启动电流探测电路2，避免了不必要的功耗；电流探测电路2有两路反馈信号，分别反馈至软关断电路3与降栅压保护电路4，只需要简单的电阻、电感、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，且不引入工艺复杂的器件，响应及时、可靠，大大降低了成本，便于集成。
下面结合附图对本发明进行一步描述，参照图2，电流变化探测电路1由电感L，电压维持电路，齐纳二极管Z3、Z4构成。用来探测被保护绝缘栅双极型器件5短路时电流的微小变化，当漏源电流上升速度超过某一预设值时，将15V的箝位信号反馈到电流探测电路。电流探测电路2由电流感测绝缘栅双极型器件IGBT Sensor，以及分压电阻R1、R2构成。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经历短路状态而漏源电流增大时，电流感测绝缘栅双极型器件IGBT Sensor同样进入短路状态，漏源电流增大，将漏源电流增大时，通过分压电阻R1、R2转换为电压信号反馈至软关断电路3与降栅压保护电路4。软关断电路3由MOS管M1构成，M1漏极接被保护绝缘栅双极型器件5栅极，源极接地，栅极接电流探测电路的反馈信号，当反馈信号拉高栅极时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MOS管M2与齐纳二极管Z1、Z2构成。MOS管M2漏极经一反偏齐纳二极管Z1接至被保护绝缘栅双极型器件5栅极，源极接地。栅极接电流感测绝缘栅双极型器件IGBT Sensor源极接收电流探测电路的反馈信号，并通过另一反偏齐纳二极管Z2箝位至8V防止栅击穿。当电压探测电路或者过流探测电路的反馈信号拉高M2的栅极时，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。
其中通过分压电阻R1、R2阻值的比值来调整降栅压保护电路4与软关断保护电路3的开启的时间差，时间差过小则容易产生误动作，使降栅压保护电路4作用减弱。时间差过大将使软关断保护电路3开启延缓，被保护绝缘栅双极型器件5烧毁。
本发明电流探测电路2的电流感测绝缘栅双极型器件在电路正常工作时关闭，电流感测绝缘栅双极型器件与被保护绝缘栅双极型器件面积比为1∶N，N的值为30至50。
如图3是被保护绝缘栅双极型器件5处于硬开启短路后，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IDS是无短路自保护电路保护时绝缘栅双极型器件漏源电流，IDL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7至8倍降低到4至5倍。
Claims (7)
1.一种两步探测绝缘栅双极型器件短路自保护电路，其特征是包括电流变化探测电路(1)、电流探测电路(2)和软关断保护电路(3)，被保护绝缘栅双极型器件(5)的输出端依次连接电流变化探测电路(1)、电流探测电路(2)和软关断保护电路(3)，软关断保护电路(3)的输出端连接所述被保护绝缘栅双极型器件(5)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种两步探测绝缘栅双极型器件短路自保护电路，其特征是所述的电流变化探测电路(1)由一个电感L、电压维持电路和两个齐纳二极管Z3、Z4构成，电感L接在被保护绝缘栅双极型器件(5)源极与GND之间，电压维持电路与电感L并联，齐纳二极管Z3、Z4串联后也与电感L并联；电流探测电路(2)包括电流感测绝缘栅双极型器件以及分压电阻R1和R2，电流感测绝缘栅双极型器件的栅极接电流变化探测电路(1)输出，电流探测电路(2)的输出信号从电流感测绝缘栅双极型器件的源极以及分压电阻R1、R2之间引出；软关断保护电路(3)由一MOS管M1构成，MOS管M1栅极为软关断保护电路(3)的输入端，漏极接被保护绝缘栅双极型器件(5)栅控信号，源极接GND。
3.根据权利要求1或2所述的一种两步探测绝缘栅双极型器件短路自保护电路，其特征是还设有降栅压保护电路(4)，所述降栅压保护电路(4)连接在电流探测电路(2)的输出端与被保护绝缘栅双极型器件(5)的输入端之间，所述降栅压保护电路(4)由一MOS管M2与齐纳二极管Z1组成，M2栅极接输入信号，漏极接Z1阳极，源极接GND，Z1阴极接驱动信号。
4.根据权利要求1或2所述的一种两步探测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)电流感测绝缘栅双极型器件在电路正常工作时关闭，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)面积比为1∶N，N的值为30至50。
5.根据权利要求3所述的一种两步探测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在电路正常工作时关闭，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)面积比为1∶N，N的值为30至50。
6.权利要求1-5任一项所述的一种两步探测绝缘栅双极型器件短路自保护电路的保护方法，其特征是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，其漏源电流快速上升，电流变化探测电路(1)的电感L上产生足够大的压降，齐纳二极管Z3、Z4箝位压降在15V并反馈至电流探测电路(2)的电流感测绝缘栅双极型器件栅极，电压维持电路维持15V的压降，启动电流探测电路(2)；
电流探测电路(2)启动后，当短路电流使分压电阻R2上的压差超过软关断电路(3)的MOS管M1的死区电压Vth时，MOS管M1开启，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)。
7.根据权利要求6所述的一种两步探测绝缘栅双极型器件短路自保护电路的保护方法，其特征是电流探测电路(2)启动后，当短路电流使分压电阻R1、R2上的总压差超过降栅压保护电路(4)的MOS管M2的死区电压Vth时，MOS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；
当降栅压保护电路(4)启动后，若被保护绝缘栅双极型器件(5)漏源短路电流继续增大，当短路电流使分压电阻R2上的压差超过软关断电路(3)的MOS管M1的死区电压Vth时，MOS管M1开启，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)；其中通过分压电阻R1、R2阻值的比值来调整降栅压保护电路(4)与软关断保护电路(3)的开启的时间差。
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