CN103066819A

CN103066819A - Igbt过流保护电路

Info

Publication number: CN103066819A
Application number: CN2012105088931A
Authority: CN
Inventors: 王山山; 李紫奎
Original assignee: Suzhou Inovance Technology Co Ltd; Shenzhen Inovance Technology Co Ltd; Suzhou Monarch Control Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Inovance Technology Co Ltd; Shenzhen Inovance Technology Co Ltd; Suzhou Monarch Control Technology Co Ltd
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明提供了一种IGBT过流保护电路，包括电流采样单元、全波整流单元、峰值获取单元、电流比较单元、控制单元以及IGBT驱动单元，其中：电流采样单元用于获取三相输出电流；全桥整流单元，用于将所述三相输出电流分别转换成三个单一方向的电流；峰值获取单元用于获取三个单一方向的电流中最大的一个电流并输出；电流比较单元用于将所述峰值获取单元输出的电流分别与快速限流保护点、极限保护点比较；控制单元用于根据电流比较单元的输出使IGBT驱动单元封锁IGBT或打开IGBT。本发明通过将采样的三相输出电流进行全波整流后取波峰作为过流比较的依据，可对IGBT有效进行快速限流保护和极限保护。

Description

IGBT过流保护电路

技术领域

本发明涉及功率器件保护电路，更具体地说，涉及一种IGBT过流保护电路。

背景技术

随着自动化程度的提高以及节能降耗需求，变频调速设备得到了广泛的应用。由于IGBT结合了MOSFET与GTR的优点，具有开关频率高、导通压降低、驱动功率小等优点，在交流调速系统占据了主导地位。

在IGBT的使用中，对IGBT的保护最为关键，一方面是因为IGBT器件本身较为昂贵性，另一方面是由于IGBT损坏将带来严重影响与伤害。此外，IGBT在功率变换及交流调速中起到核心作用，并且其应用场合多变、使用环境恶劣，所以对IGBT进行可靠保护至关重要。

IGBT在使用中主要做两方面的保护工作，一方面是变频器过载时IGBT的快速限流保护；另一方面是在发生意外极限情况下的保护，比如变频器输出相间短路，以及输出对地短路，又叫短路保护。目前对于IGBT过流检测主要有两种方法：

一是利用IGBT导通时，管压降V_ce与集电极电流I_C成比例的特性进行保护，即当集电极电流增加时，管压降V_ce也随之增大。当IGBT出现过流时，V_ce也增大到IGBT保护的阈值，此时便触发驱动电路关断IGBT。依据IGBT的这个特性，目前已经有很多厂家开发出集IGBT驱动、过流保护，甚至驱动欠压保护功能于一体的驱动光耦，如HCPL-316和PC929等。

二是利用变频器作为控制反馈的电流采样电路来进行保护。通常需针对三相电流反馈值分别做保护。就单独一相而言，由于电流采样值是周期性的交流信号，所以对其正负值都要进行保护，具体做法便是用比较器电路对其正负值分别设置对称的保护点。当电流到达设定的阈值时，便触发比较器输出，该信号作为封锁IGBT的触发信号，实现对IGBT的保护。

然而，上述第一种方式集驱动与保护于一体，其必须采用高成本的驱动光耦，其保护灵敏及时，所以适用于大功率的IGBT上。而对于小功率、低成本变频器，甚至采用非隔离方式的变频器，则不适合采用该方案。

对于上述第二种方法，由于其利用采样电流进行保护，所以针对任何一种情况都要做正负值的保护，即需要两个比较器，就一相而言又分快速限流保护与极限保护，所以一相需要4个比较器，则三相共需要12个比较器。如此多的比较器将占据较大的单板面积，并且该方案更容易受到干扰，导致变频器的误报故障与误处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述IGBT过流保护成本较高及占用单板面积较大的问题，提供一种IGBT过流保护电路。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种IGBT过流保护电路，包括电流采样单元、全波整流单元、峰值获取单元、电流比较单元、控制单元以及IGBT驱动单元，其中：所述电流采样单元，用于获取三相输出电流；所述全桥整流单元，用于将所述三相输出电流分别转换成三个单一方向的电流；所述峰值获取单元，用于获取三个单一方向的电流中最大的一个电流并输出；电流比较单元，用于将所述峰值获取单元输出的电流分别与快速限流保护点、极限保护点比较；所述控制单元，用于根据电流比较单元的输出使IGBT驱动单元封锁IGBT或打开IGBT。

在本发明所述的IGBT过流保护电路中，所述全波整流单元包括分别用于处理三相输出电流的三路整流电路，每一路整流电路用于将电流采样单元的一相输出电流整流为正半周期保持不变、负半周期反向的电流。

在本发明所述的IGBT过流保护电路中，每一路整流电路包括相连的半波整流电路和反向求和电路；所述半波整流电路用于将电流采样单元的一相输出电流转换为正半周期幅值为原来的-2倍、负半周期幅值为零的半波整流电流；所述反向求和电路的输入端连接电流采样单元的一相输出电流及半波整流电路的输出端。

在本发明所述的IGBT过流保护电路中，所述峰值获取单元包括三个二极管且该三个二极管的阳极各连接到一路整流电路中反向求和电路的输出端、阴极连接到电流比较单元的输入端。

在本发明所述的IGBT过流保护电路中，所述半波整流电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、两个串联的二极管以及第一运算放大器，且第三电阻的阻值为第一电阻阻值的两倍，其中电流采样单元的一相输出电流经由第一电阻连接到第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的同相输入端经由第二电阻接地、输出端连接到两个串联的二极管的中点，所述两个串联的二极管的阴极连接到第一运算放大器的反相输入端、阳极为该半波整流电路的输出端，所述第三电阻的两端分别连接第一运算放大器的反相输入端和半波整流电路的输出端。

在本发明所述的IGBT过流保护电路中，所述反向求和电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第二运算放大器，其中电流采样单元的一相输出电流经由第四电阻、所述半波整流电路的输出端经由第五电阻同时连接到第二运算放大器的反相输入端，所述第二运算放大器的同相输入端经由第六电阻接地，所述第二运算放大器的输出端连接到所述峰值获取单元中一个二极管的阳极、反相输入端经由第七电阻连接到该二极管的阴极。

在本发明所述的IGBT过流保护电路中，所述电流比较单元包括输出端分别连接到控制单元不同引脚的第一比较器和第二比较器，且所述第一比较器的两个输入端分别连接到峰值获取单元的输出端以及快速限流参考电压，所述第二比较器的两个输入端分别连接到峰值获取单元的输出端以及极限保护参考电压。

在本发明所述的IGBT过流保护电路中，所述电流采样单元从电机的输入端获得三相输出电流。

在本发明所述的IGBT过流保护电路中，所述电流采样单元从三个分别接于IGBT的下桥臂与负直流母线间的电阻获得三相输出电流。

本发明的IGBT过流保护电路，通过将采样的三相输出电流进行全波整流后取波峰作为过流比较的依据，可对IGBT有效进行快速限流保护和极限保护。

相对于已有方案，本发明不仅可以同时实现变频器快速限流保护和极限保护，而且无需驱动光耦集成IGBT的保护功能，大大降低了产品成本，可以满足小功率、低成本变频器的需求。并且本发明的方案可大大减少电子元件，减少对PCB面积的占用，且不会误报故障与误处理。

附图说明

图1是输出到电机的三相电流的示意图。

图2是本发明IGBT过流保护电路实施例的示意图。

图3是图2中IGBT过流保护电路的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，输出到电机的三相电流相位差依次为120°，且一个周期内存在六个波峰，该六个波峰相位差为60°；此外，在任何一个时间点，三相电流中的一相电流为另外两相电流之和，即幅值最大相电流即为电机实际电流。

由此，可将三相电流在一个周期内的六个波峰取出，并以此作为依据，便可以实现对IGBT的过流保护。因为六个波峰便是电机的实际电流，即IGBT的电流，且在极限情况下短路相电流最大，也可以被取出。

如图2所示，是本发明IGBT过流保护电路实施例的示意图。本实施例中的IGBT过流保护电路包括电流采样单元21、全波整流单元22、峰值获取单元23、电流比较单元14、控制单元25以及IGBT驱动单元26，上述电流采样单元21、全波整流单元22、峰值获取单元23、电流比较单元14、控制单元25以及IGBT驱动单元26依次连接，IGBT驱动单元26的输出端连接到IGBT的控制信号输入端。

电流采样单元21用于获取三相输出电流。具体地，电流采样单元21可通过采样电机的输入端获得上述三相输出电流，该方式适用于精度要求较高的系统，实现成本也较高。此外，电流采样单元21也可从三个分别接于IGBT的下桥臂与负直流母线间的电阻获得三相输出电流，该方式适用于低成本的方案中。

全桥整流单元22用于将电流采样单元21采样获得的三相输出电流分别转换成三个单一方向的电流。具体地，该全桥整流单元22保留三相电流正半周期不变、负半周期反向。

峰值获取单元23用于从全桥整流单元22整流获得的三个单一方向的电流中获得最大的一个电流并输出。

电流比较单元24用于将峰值获取单元23输出的电流分别与快速限流保护点、极限保护点比较，并生成两个信号输出。控制单元25可以为一块控制芯片，并用于根据电流比较单元24的输出使IGBT驱动单元26封锁IGBT或打开IGBT。在具体实现时，上述电流比较单元24和控制单元25也可集成到一块控制芯片上。

如图3所示，是图2中的IGBT过流保护电路实施例的电路示意图，该电路可以实现全波精密整流以及取六个波峰，以节省比较器的个数，使整个IGBT过流保护电路占用较小的PCB面积。

图2中的全波整流单元22包括分别用于处理三相输出电流（IU、IV、IW）的三路整流电路，每一路整流电路用于将电流采样单元的一相输出电流整流为正半周期保持不变、负半周期反向的电流。

每一路整流电路包括相连的半波整流电路和反向求和电路，其中半波整流电路用于将电流采样单元的一相输出电流转换为正半周期幅值为原来的-2倍、负半周期幅值为零的半波整流电流，反向求和电路的输入端连接电流采样单元的一相输出电流及半波整流电路的输出端。

以下以相电流IU为例，说明上述一路整流电路的构成。

半波整流电路包括第一电阻R24、第二电阻R25、第三电阻R23、两个串联的二极管D6以及第一运算放大器U1-A，且第三电阻R23的阻值为第一电阻R24阻值的两倍。电流采样单元21输出的相电流IU经由第一电阻R24连接到第一运算放大器U1-A的反相输入端，第一运算放大器U1-A的同相输入端经由第二电阻R25接地、输出端连接到两个串联的二极管D6的中点。两个串联的二极管D6的阴极连接到第一运算放大器U1-A的反相输入端、阳极为该半波整流电路的输出端。第三电阻R23的两端分别连接第一运算放大器U1-A的反相输入端和半波整流电路的输出端。

反向求和电路包括第四电阻R2、第五电阻R1、第六电阻R14、第七电阻R3以及第二运算放大器U1-B,且第四电阻R2、第五电阻R1、第七电阻R3的阻值相等，即R1=R2=R3。电流采样单元21的输出的相电流IU经由第四电阻R2、半波整流电路的输出端经由第五电阻R1同时连接到第二运算放大器U1-B的反相输入端。第二运算放大器U1-B的同相输入端经由第六电阻R14接地。第二运算放大器U1-B的输出端连接到峰值获取单元23中的一个二极管的阳极、反相输入端经由第七电阻R3连接到该二极管的阴极。

峰值获取单元23包括三个二极管且该三个二极管的阳极各连接到一路整流电路中反向求和电路的输出端、阴极连接到电流比较单元24的输入端。由于二极管正向导通，反向截止的特性，可以保证取出三相电流的波峰。

电流比较单元24包括输出端分别连接到控制单元25的不同引脚的第一比较器U4-A和第二比较器U4-B，分别设定快速限流点（即快速限流参考电压）和极限保护点（即极限保护参考电压）。第一比较器U4-A的两个输入端分别连接到峰值获取单元23的输出端以及快速限流参考电压VREF1，第二比较器U4-B的两个输入端分别连接到峰值获取单元23的输出端（经由分压电阻）以及极限保护参考电压VREF2。通过上述两个比较器，

从而控制单元25可根据两个比较器的输出控制IGBT驱动单元26执行相应操作：如果达到快速限流保护点（即峰值获取单元23的输出大于或等于快速限流参考电压VREF1）便会封锁IGBT，小于它便打开IGBT，以满足变频器在过载时的正常运行的需求；如果出现短路极限情况，则达到极限保护点（即峰值获取单元23的输出大于或等于极限保护参考电压VREF2），之后会完全封锁IGBT，不再自动打开。

上述IGBT过流保护电路可同时实现变频器快速限流保护和极限保护，不仅可以大大减少成本，满足小功率、低成本变频器的需求，而且仅需两个比较器及较少的外围电阻器件，可大大减少PCB的占用面积，间接节省了成本。此外，上述IGBT过流保护电路还具有更好的可靠性，不会误报故障与误处理。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种IGBT过流保护电路，其特征在于：包括电流采样单元、全波整流单元、峰值获取单元、电流比较单元、控制单元以及IGBT驱动单元，其中：所述电流采样单元，用于获取三相输出电流；所述全桥整流单元，用于将所述三相输出电流分别转换成三个单一方向的电流；所述峰值获取单元，用于获取三个单一方向的电流中最大的一个电流并输出；电流比较单元，用于将所述峰值获取单元输出的电流分别与快速限流保护点、极限保护点比较；所述控制单元，用于根据电流比较单元的输出使IGBT驱动单元封锁IGBT或打开IGBT。

2.根据权利要求1所述的IGBT过流保护电路，其特征在于：所述全波整流单元包括分别用于处理三相输出电流的三路整流电路，每一路整流电路用于将电流采样单元的一相输出电流整流为正半周期保持不变、负半周期反向的电流。

3.根据权利要求2所述的IGBT过流保护电路，其特征在于：每一路整流电路包括相连的半波整流电路和反向求和电路；所述半波整流电路用于将电流采样单元的一相输出电流转换为正半周期幅值为原来的-2倍、负半周期幅值为零的半波整流电流；所述反向求和电路的输入端连接电流采样单元的一相输出电流及半波整流电路的输出端。

4.根据权利要求3所述的IGBT过流保护电路，其特征在于：所述峰值获取单元包括三个二极管且该三个二极管的阳极各连接到一路整流电路中反向求和电路的输出端、阴极连接到电流比较单元的输入端。

5.根据权利要求3或4所述的IGBT过流保护电路，其特征在于：所述半波整流电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、两个串联的二极管以及第一运算放大器，且第三电阻的阻值为第一电阻阻值的两倍，其中电流采样单元的一相输出电流经由第一电阻连接到第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的同相输入端经由第二电阻接地、输出端连接到两个串联的二极管的中点，所述两个串联的二极管的阴极连接到第一运算放大器的反相输入端、阳极为该半波整流电路的输出端，所述第三电阻的两端分别连接第一运算放大器的反相输入端和半波整流电路的输出端。

6.根据权利要求4所述的IGBT过流保护电路，其特征在于：所述反向求和电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第二运算放大器，其中电流采样单元的一相输出电流经由第四电阻、所述半波整流电路的输出端经由第五电阻同时连接到第二运算放大器的反相输入端，所述第二运算放大器的同相输入端经由第六电阻接地，所述第二运算放大器的输出端连接到所述峰值获取单元中一个二极管的阳极、反相输入端经由第七电阻连接到该二极管的阴极。

7.根据权利要求1所述的IGBT过流保护电路，其特征在于：所述电流比较单元包括输出端分别连接到控制单元不同引脚的第一比较器和第二比较器，且所述第一比较器的两个输入端分别连接到峰值获取单元的输出端以及快速限流参考电压，所述第二比较器的两个输入端分别连接到峰值获取单元的输出端以及极限保护参考电压。

8.根据权利要求6所述的IGBT过流保护电路，其特征在于：所述电流采样单元从电机的输入端获得三相输出电流。

9.根据权利要求6所述的IGBT过流保护电路，其特征在于：所述电流采样单元从三个分别接于IGBT的下桥臂与负直流母线间的电阻获得三相输出电流。