CN102931960A - Igbt保护方法及保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种IGBT保护方法及保护电路，属于电子电路技术领域。解决了现有技术中IGBT短路判断的准确性低，IGBT的可靠性差的技术问题。该IGBT保护方法，包括当IGBT集电极的电压高于预设的第一阈值电压时，降低IGBT的栅极电压；当IGBT集电极的电压高于预设的第二阈值电压时，关断IGBT的栅极电压。该IGBT保护电路，包括连接于IGBT的集电极与栅极之间的降压电路和关断电路；其中，降压电路用于检测到IGBT集电极的电压高于第一阈值电压时，降低IGBT的栅极电压；关断电路用于检测到IGBT集电极的电压高于第二阈值电压时，关断IGBT的栅极电压。本发明应用于IGBT的控制与保护。

Description

IGBT保护方法及保护电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种IGBT保护方法及保护电路。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)是控制电路中常见的一种电子器件。在工作过程中，由于内部信号错误、外部干扰等原因，会造成IGBT短路，IGBT内的电流会急剧增加，此时需要关断IGBT的栅极电压，以避免IGBT被烧坏。

但是，由于外部各种不同的应用场景的原因，使IGBT在正常工作时的电流也会在短时间内小幅增加或发生短时间的短路过流，所以为了避免误报短路，目前的IGBT保护方法中利用了两次检测。如图1所示，当检测到IGBT集电极的电压过高时，延时几微秒再进行第二次检测，如果第二次检测到的IGBT集电极电压仍然过高，则判断为IGBT短路，关断IGBT的栅极电压。这样就排除了IGBT在正常范围内的暂时性电流波动，避免了短路判断过于敏感造成的误报。

本发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在以下问题：因为IGBT在短路时电流的上升速度非常快，第二次检测也只能在非常短的时间内进行，并且这段时间内电流的变化率很大，所以导致短路判断的准确性较低。另外，现有技术中IGBT在短时间内承受的电流冲击较大，影响IGBT的使用寿命和可靠性。

发明内容

本发明实施例提供了一种IGBT保护方法及保护电路，解决了现有技术中IGBT短路判断的准确性低，IGBT的可靠性差的技术问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种IGBT保护方法，预先设置了第一阈值电压和第二阈值电压，且所述第一阈值电压低于所述第二阈值电压；

所述保护方法包括：

当所述IGBT集电极的电压高于所述第一阈值电压时，降低所述IGBT的栅极电压；

当所述IGBT集电极的电压高于所述第二阈值电压时，关断所述IGBT的栅极电压。

一种IGBT保护电路，包括连接于所述IGBT的集电极与栅极之间的降压电路和关断电路，其中，所述降压电路中预设有第一阈值电压，所述关断电路中预设有第二阈值电压，且所述第一阈值电压低于所述第二阈值电压；

所述降压电路用于，检测到所述IGBT集电极的电压高于所述第一阈值电压时，降低所述IGBT的栅极电压；

所述关断电路用于，检测到所述IGBT集电极的电压高于所述第二阈值电压时，关断所述IGBT的栅极电压。

与现有技术相比，本发明所提供的上述技术方案具有如下优点：本发明中设置了相对较低的第一阈值电压，当IGBT发生短路时，集电极的电压（集电极与发射极之间的电压）将会先达到第一阈值电压，此时IGBT栅极的电压就会被降低，以降低短路电流，降低短路电流对IGBT的冲击，延长IGBT的使用寿命；并且短路电流降低之后，IGBT对该短路电就流能够承受更长的时间，所以IGBT集电极的电压也会在更长的时间之后到达第二阈值电压，从而延长了短路判断的时间，提高了短路判断的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的IGBT保护电路的示意图；

图2为本发明的实施例所提供的IGBT保护方法的流程图；

图3为本发明的实施例所提供的IGBT保护电路的示意图；

图4为本发明的实施例所提供的IGBT保护电路的具体实施方式的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例所提供的IGBT保护方法中预先设置了第一阈值电压和第二阈值电压，且第一阈值电压低于第二阈值电压。该保护方法具体包括以下步骤：

S1：当IGBT集电极的电压高于预设的第一阈值电压时，降低IGBT的栅极电压。

S2：当IGBT集电极的电压继续升高且高于预设的第二阈值电压时，关断IGBT的栅极电压。

本发明实施例中设置了相对较低的第一阈值电压，当IGBT发生短路时，集电极的电压（集电极与发射极之间的电压）将会先达到第一阈值电压，此时IGBT栅极的电压就会被降低，以降低短路电流，降低短路电流对IGBT的冲击，延长IGBT的使用寿命；并且短路电流降低之后，IGBT对该短路电流就能够承受更长的时间，所以IGBT集电极的电压也会在更长的时间之后到达第二阈值电压，从而延长了短路判断的时间，提高了短路判断的准确性。

进一步，在上述步骤S1之后，还包括：

S3：当IGBT集电极的电压下降且低于第一阈值电压时，恢复IGBT的栅极电压。

如果IGBT集电极的电压上升至第一阈值电压之后，没有继续上升至第二阈值电压，而是降低第一阈值电压以下，则可能是由于电压不稳等原因造成的IGBT集电极的电压上升。因此，当IGBT集电极的电压下降至第一阈值电压以下之后，恢复IGBT的栅极电压，使IGBT继续正常工作。这样就能够有效排除IGBT在正常范围内的暂时性电流波动，避免误报短路，进一步提高了短路判断的准确性。

如果IGBT集电极的电压在较长时间中处于第一阈值与第二阈值之间，此时可由电力系统中其他的安全分析机制对IGBT进行关断保护。因为此时集电极的电压不高，电流也不太大，所以整体功耗远远小于IGBT短路时的情形，因此电力系统有足够的时间进行关断保护的处理。

在本发明其他实施方式中，还可以将第一阈值电压扩展为多级进行检测，并且IGBT的栅极电压也相应采取逐级降低，使IGBT的保护及控制更加精确。

如图3所示，本发明实施例还提供一种IGBT保护电路，包括连接于IGBT的集电极与栅极之间的降压电路和关断电路，其中，降压电路中预设有第一阈值电压，关断电路中预设有第二阈值电压，且第一阈值电压低于第二阈值电压。

降压电路用于，检测到IGBT集电极的电压高于第一阈值电压时，降低IGBT的栅极电压。关断电路用于，检测到IGBT集电极的电压高于第二阈值电压时，关断IGBT的栅极电压。

本发明实施例在降压电路中设置了相对较低的第一阈值电压，当IGBT发生短路时，集电极的电压（集电极与发射极之间的电压）将会先达到第一阈值电压，此时降压电路就会降低IGBT栅极的电压，以降低短路电流，降低短路电流对IGBT的冲击，延长IGBT的使用寿命；并且短路电流降低之后，IGBT对该短路电流就能够承受更长的时间，所以IGBT集电极的电压也会在更长的时间之后到达关断电路中的第二阈值电压，从而延长了关断电路进行短路判断的时间，提高了短路判断的准确性。

进一步，降压电路还用于，在降低IGBT的栅极电压之后，检测到IGBT集电极的电压低于第一阈值电压时，恢复IGBT的栅极电压。

如果IGBT集电极的电压上升至第一阈值电压之后，没有继续上升至第二阈值电压，而是降回第一阈值电压以下，则可能是由于电压不稳等原因造成的IGBT集电极的电压上升。因此，当IGBT集电极的电压下降至第一阈值电压以下之后，再由降压电路恢复IGBT的栅极电压，使IGBT继续正常工作。这样就能够有效排除IGBT在正常范围内的暂时性电流波动，避免误报短路，进一步提高了短路判断的准确性。

如图3所示，本发明实施例中，还包括串联于IGBT栅极的放大电路，放大电路具体由两个三极管串联而成，形成推挽放大电路，用于放大施加在IGBT栅极的电压。

如图4所示，本实施例中，降压电路包括降压模块和检测模块。

检测模块用于检测IGBT集电极的电压Vce。其中，二极管D1、D2用于阻挡IGBT短路时或者关断时集电极可能产生的高压；电阻R1和电容C1组成RC充电电路，通过调节R1和C1的参数，设定检测到IGBT短路之后的延时；电阻R2用于阻挡D1、D2的反向恢复电流，减小该恢复电流对C1充电的影响。

降压模块的一端连接至IGBT的栅极，另一端通过检测模块连接至IGBT的集电极。其中，降压模块中设有TL431，第一阈值电压就设置于TL431中。

TL431的阳极接地，参考端通过检测模块连接至IGBT的集电极，其中，参考端与检测模块之间串联有第一分压电阻R3，参考端与地之间串联有第二分压电阻R4。通过调整R3和R4的阻值，使R4上分得合适的电压，作为预设的第一阈值电压。

利用TL431不仅简单的实现了降压电路的功能，而且相比于现有技术中使用TD350等器件，还降低了IGBT保护电路整体的成本。此外，还可以用uA431、LM431、TA7631S、YL431、uPC1039、431L或者比较器等器件代替TL431。

作为一个优选方案，R3与检测模块之间还串联有解耦二极管D3，用于阻挡检测模块与降压模块之间的交流信号，实现两个模块之间的解耦。

TL431的阴极连接至IGBT的栅极。本实施例中，TL431的阴极与IGBT的栅极之间还依次串联有稳压二极管Z1，以及由R5、C2组成的RC充电电路。其中，Z1用于提供栅极降压后的门槛电压，即降低后栅极电压的下限值。R5和C2组成的RC充电电路用于控制栅极电压的下降速度，避免栅极电压下降过快导致的Vce尖峰。进一步，在该RC充电电路与IGBT的栅极之间还串联有二极管D4，可以避免C2上的电压为负。

本实施例中的关断电路可以用现有已知的常规方式实现，因此不再对关断电路进行详细描述。

在本发明其他实施方式中，还可以在降压电路中设置多个TL431，将第一阈值电压扩展为多级进行检测，并且IGBT的栅极电压也相应采取逐级降低，使IGBT的保护及控制更加精确。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种IGBT保护方法，其特征在于，预先设置第一阈值电压和第二阈值电压，且所述第一阈值电压低于所述第二阈值电压；

所述保护方法包括：

当所述IGBT集电极的电压高于所述第一阈值电压时，降低所述IGBT的栅极电压；

当所述IGBT集电极的电压高于所述第二阈值电压时，关断所述IGBT的栅极电压。

2.根据权利要求1所述的IGBT保护方法，其特征在于：所述降低所述IGBT的栅极电压之后，

当所述IGBT集电极的电压低于所述第一阈值电压时，恢复所述IGBT的栅极电压。

3.一种IGBT保护电路，其特征在于：包括连接于所述IGBT的集电极与栅极之间的降压电路和关断电路，其中，所述降压电路中预设有第一阈值电压，所述关断电路中预设有第二阈值电压，且所述第一阈值电压低于所述第二阈值电压；

所述降压电路用于，检测到所述IGBT集电极的电压高于所述第一阈值电压时，降低所述IGBT的栅极电压；

所述关断电路用于，检测到所述IGBT集电极的电压高于所述第二阈值电压时，关断所述IGBT的栅极电压。

4.根据权利要求3所述的IGBT保护电路，其特征在于：所述降压电路还用于，在降低所述IGBT的栅极电压之后，检测到所述IGBT集电极的电压低于所述第一阈值电压时，恢复所述IGBT的栅极电压。

5.根据权利要求3所述的IGBT保护电路，其特征在于：还包括串联于所述IGBT栅极的放大电路，用于放大施加在所述IGBT栅极的电压。

6.根据权利要求3所述的IGBT保护电路，其特征在于：所述降压电路包括降压模块和检测模块；

所述降压模块的一端连接至所述IGBT的栅极，另一端通过所述检测模块连接至所述IGBT的集电极。

7.根据权利要求6所述的IGBT保护电路，其特征在于：所述降压模块中设有TL431，所述第一阈值电压设置于所述TL431中；

所述TL431的阳极接地，参考端通过所述检测模块连接至所述IGBT的集电极，其中，所述参考端与所述检测模块之间串联有第一分压电阻，所述参考端与地之间串联有第二分压电阻；

所述TL431的阴极连接至所述IGBT的栅极。

8.根据权利要求7所述的IGBT保护电路，其特征在于：所述TL431的阴极与所述IGBT的栅极之间依次串联有稳压二极管和RC充电电路。

9.根据权利要求7所述的IGBT保护电路，其特征在于：所述第一分压电阻与所述检测模块之间串联有解耦二极管。

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