CN103490602A - Igbt桥臂短路时vce振荡电压的抑制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，该电路包括IGBT、用于驱动IGBT的通断并检测控制IGBT的VCE电压的Pc929驱动子电路和直流母线回路；Pc929驱动子电路和直流母线回路分别与IGBT连接；IGBT内部的芯片为反并联排布。本发明Pc929驱动子电路带有硬件保护功能，可有效检测并判断出IGBT桥臂短路时，VCE振荡电压是否在合理的工作范围内，若检测到IGBT流过异常电流时，该Pc929驱动子电路就自动报警并封锁脉冲信号以实施保护动作，且通过减小直流母线回路的杂散电感及降低IGBT的寄生电感这三种方式的结合，可最终抑制桥臂短路时VCE的振荡电压。

Description

IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路

 

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路。

 

背景技术

随着功率半导体器件技术的快速发展，无论是功率容量还是开关速度等性能上都在大幅提高。尽管功率半导体器件IGBT的工作频率不断提高，SOA即工作安全区域不断扩展，但由于其应用场合的特殊性就使得功率开关器件的可靠性也需进一步提高。对于功率开关器件的工作状态及安全性能直接影响开关变换器性能的优劣，而功率开关器件的驱动电路就是确保其安全可靠运行的关键。驱动电路是主电路与控制电路之间的桥梁，它的设计确保功率开关器件工作在理想的开关状态，并在故障异常时保证功率器件不受损坏。

由于变频器应用场合的复杂性，在异常情况下会出现过压、过流等短路故障。因此，在这些情况下变频器的保护功能就显得异常重要，尤其是驱动电路的短路保护，在IGBT桥臂短路时的情况下抛开现场负载将整个系统缩小，把变频器看做一个系统，当IGBT短路时，瞬间会有很大的电流，就IGBT本身的承受电流能力而言只能是短时间内承受一定值的电流，这可以由IGBT的输出特性曲线图中得出它的安全工作区SOA，如下图10所示，图中清楚的描述了Ic（集电极电流）、VCE（IGBT集电极与发射极之间电压）与Vge（栅极与发射极的驱动电压）之间的关系，驱动电压在15V～17V之间的条件下，短路时IGBT只能承受4～8倍的IN（额定电流），承受时间在10us内，这也就是IGBT的极限承受能力。因此在设计时，需要将短路时的短路电流以及关断时的VCE电压尖峰控制在安全范围内，以保证IGBT不致失效。

而现有技术无法有效的抑制VCE振荡电压，因此影响IGBT的工作效率及使用寿命，因此需要对现有的抑制方式进行改善。

       

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，该电路通过Pc929驱动子电路和直流母线回路的作用，可有效避免短路情况下VCE振荡电压尖峰造成IGBT的失效。

为实现上述目的，本发明提供一种IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，包括IGBT、用于驱动IGBT的通断并检测控制IGBT的VCE电压的Pc929驱动子电路和直流母线回路；所述Pc929驱动子电路和直流母线回路分别与IGBT连接；所述IGBT内部的芯片为反并联排布。

其中，所述Pc929驱动子电路包括型号为Pc929的光电隔离器、用于检测IGBT导通时的管压降的VCE电压检测回路、第一三极管和第二三极管；所述光电隔离器的第二引脚及第三引脚与变频器连接且输入脉冲信号电流，所述光电隔离器的第十一引脚也与变频器连接且产生驱动电压信号，所述光电隔离器的第八引脚与第十一引脚连接且实施封锁脉冲信号，所述光电隔离器的第九引脚与VCE电压检测回路连接且进行故障报警，所述第一三极管和第二三极管串联，且第一三极管和第二三极管的基极公共端通过第一电阻连接第十一引脚，且第一三极管和第二三极管的发射极公共端与IGBT的栅极连接，所述第九引脚通过VCE电压检测回路与IGBT的基极连接。

其中，所述直流母线回路包括多个平行放置的滤波电容组，每个滤波电容组的一端连接至IGBT的P极, 每个滤波电容组的另一端连接至IGBT的N极，且所述滤波电容组和IGBT的P极之间的走线与滤波电容组和IGBT的N极之间的走线呈平行排布。

其中，所述每个滤波电容组由多个串联的滤波电容构成。

其中，所述VCE电压检测回路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第一二极管；所述第九引脚通过并联的第五电阻和第六电阻与第七电阻连接，所述第七电阻依次通过串联的第八电阻和第一二极管后连接至IGBT的基极。

其中，所述Pc929驱动子电路还包括第一电容、第二电容和第三电容，所述光电隔离器的第十二引脚和十三引脚分别与第一电容的一端连接，所述光电隔离器的第十引脚和第十四引脚分别与第一电容的另一端连接，所述光电隔离器的第九引脚通过第三电容连接第二三极管的集电极，所述第五电阻和第六电阻的公共端通过第二二极管与第二电容连接，且所述第一三极管的集电极连接电源电压。

其中，所述Pc929驱动子电路还包括第三二极管及串联第一稳压管和第二稳压管；所述第一三极管和第二三极管的发射极公共端通过串联的第三二极管和第三电阻后与IGBT的栅极连接，所述第一三极管和第二三极管的发射极公共端又通过串联的第二电阻、第四电阻和第九电阻后接地，所述串联第一稳压管和第二稳压管分别连接在IGBT的栅极与发射极之间。

与现有技术相比，本发明提供的IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路,具有以下有益效果：

1）Pc929驱动子电路带有硬件保护功能，可有效检测并判断出IGBT桥臂短路时，VCE振荡电压是否在合理的工作范围内，若检测到IGBT流过异常电流时，该Pc929驱动子电路就自动报警并封锁脉冲信号以实施保护动作，该子电路能保证在VCE电压突升前就进行保护，提高了IGBT工作的稳定可靠性。

2）直流母线回路上滤波电容组之间平行放置，且滤波电容组和IGBT的P极之间的走线与滤波电容组和IGBT的N极之间的走线呈平行排布，可有效减少母排的杂散电感，降低线路的分布电感，从而降低了IGBT两端的反向峰值电压及降低IGBT对电压保护吸收电路的要求，由此控制VCE振荡电压尖峰。

3）IGBT内部的芯片为反并联排布，减少寄生电感，避免了传统IGBT内部的芯片并联时寄生电感引起芯片动态不均衡及芯片间振荡的问题，可有效改善IGBT在桥臂短路关断时VCE的振荡电压。

4）本发明通过Pc929驱动子电路的可靠性、减小直流母线回路的杂散电感及降低IGBT的寄生电感这三种方式的结合，可最终抑制桥臂短路时VCE的振荡电压。

5）本发明具有电路简单、结构合理、灵敏度高、工作性能可靠稳定、保护效果好、适用性强等特点。

 

附图说明

图1为本发明的IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路的工作方框图；

图2为本发明中直流母线回路的连接示意图；

图3为本发明中直流母线回路上大电感排布图；

图4为本发明中直流母线回路上小电感排布图；

图5为本发明中Pc929驱动子电路的工作原理图；

图6为现有技术中母线PN输入100V时桥臂短路VCE波形图；

图7为现有技术中母线PN输入500V时桥臂短路VCE波形图；

图8为本发明中母线PN输入100V时桥臂短路VCE波形图；

图9为本发明中母线PN输入500V时桥臂短路VCE波形图；

图10为IGBT桥臂短路时，Ic、VCE与Vge之间的关系图。

 

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

请参阅图1-4，本发明的IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，包括IGBT、用于驱动IGBT的通断并检测控制IGBT的VCE电压的Pc929驱动子电路1和直流母线回路2；Pc929驱动子电路1和直流母线回路2分别与IGBT连接；IGBT内部的芯片为反并联排布。直流母线回路2包括多个平行放置的滤波电容组20，每个滤波电容组20的一端连接至IGBT的P极, 每个滤波电容组20的另一端连接至IGBT的N极，且滤波电容组20和IGBT的P极之间的走线与滤波电容组20和IGBT的N极之间的走线呈平行排布。

请进一步参阅图5，Pc929驱动子电路1包括型号为Pc929的光电隔离器、用于检测IGBT导通时的管压降的VCE电压检测回路、第一三极管Q1和第二三极管Q2；光电隔离器的第二引脚2及第三引脚3与变频器连接且输入脉冲信号电流，光电隔离器的第十一引脚11也与变频器连接且产生驱动电压信号，光电隔离器的第八引脚8与第十一引脚11连接且实施封锁脉冲信号，光电隔离器的第九引脚9与VCE电压检测回路连接且进行故障报警，第一三极管Q1和第二三极管Q2串联，且第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极公共端通过第一电阻R1连接第十一引脚11，且第一三极管Q1和第二三极管Q2的发射极公共端与IGBT的栅极连接，第九引脚9通过VCE电压检测回路与IGBT的基极连接。VCE电压检测回路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第一二极管D1；第九引脚9通过并联的第五电阻R5和第六电阻R6与第七电阻R7连接，第七电阻R7依次通过串联的第八电阻R8和第一二极管D1后连接至IGBT的基极。上述Pc929内部IGBT保护电路的动作过程如下：在正常状态下，变频器无论处于待机或运行状态，第二引脚2及第三引脚3输入脉冲信号电流，第十一引脚11相继产驱动电压信号，此时Pc929的第八引脚（FS）8一直为高电平状态；当所驱动的IGBT流过异常电流时，如4倍以上额定电流时，IGBT的导通管压降迅速上升，使第九引脚9电压到达故障报警阀值，Pc929内部的IGBT保护电路工作，第十一引脚11输出的正向驱动电压降低，使IGBT的导通电流下降，同时控制第八引脚8输出一个低电平的FAU号，并实施封锁脉冲信号以实施保护动作。检测动作是由第九引脚9的外围电路，即VCE电压检测回路完成。因为IGBT的VCE的sat即集电极与发射极的通态饱和压降与集电极电流Ic之间有线性关系，即利用检测VCE的sat来判断Ic的大小，当Ic迅速上升时通态饱和压降就会增加，这种特性有利于短路过流的识别，在设计VCE电压检测回路时需要关注的主要参数有两点：1.保护电压点；2.保护延时。也就是当短路后电流上升时Pc929的第九引脚9检测到VCE电压达到保护点后，内部保护电路工作关断栅极驱动电压。保护时间要小于IGBT的短路过流时间。

在本实施例中，Pc929驱动子电路1还包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第三二极管D3及串联第一稳压管Z1和第二稳压管Z2，光电隔离器的第十二引脚12和十三引脚13分别与第一电容C1的一端连接，光电隔离器的第十引脚10和第十四引脚14分别与第一电容C1的另一端连接，光电隔离器的第九引脚9通过第三电容C3连接第二三极管Q2的集电极，第五电阻R5和第六电阻R6的公共端通过第二二极管D2与第二电容C2连接，且第一三极管Q1的集电极连接电源电压,该电压为15V。第一三极管Q1和第二三极管Q2的发射极公共端通过串联的第三二极管D2和第三电阻R3后与IGBT的栅极连接，第一三极管Q1和第二三极管Q2的发射极公共端又通过串联的第二电阻R2、第四电阻R4和第九电阻R9后接地，串联第一稳压管Z1和第二稳压管Z2分别连接在IGBT的栅极与发射极之间。通过第一稳压管Z1和第二稳压管Z2的稳压作用可有效的防止IGBT引过流而损坏。

在本实施例中，每个滤波电容组20由多个串联的滤波电容构成，本实施例中一组滤波电容组20由两个串联的滤波电容构成。当然，并不局限于滤波电容组20中滤波电容的数量，还可以根据场合的需要，选择不同数量。

对于直流母线回路2部分，经过研究，母排的杂散电感是影响VCE电压尖峰的一大因素，因此要降低短路时VCE电压尖峰就要降低整个直流回路的杂散电感，对于直流环节的杂散电感，计算IGBT关断时的VCE值可以参考这样一个公式：VCE=L*di/dt。此外，产生大的杂散电感的原因还与母排之间的相对截面积之差有关，1 cm2 ≈ 10 nH所以让PN尽量的平行走线，相当于电流反并联，会有效降低杂散电感。此外，滤波电容的排布也能有效减小杂散电感，如图3-4示意图比较,两种电流环路方向可明显看出环路区别。

因此，解决这种杂散电感首先需要分析出杂散电感从何而来，对于整个系统，一方面是IGBT自身内部的引线产生的电感Lm，这部分的杂散电感对于我们很难解决；另一方面是由于主回路母线铜排上的电感Ls以及PCB上PN铜箔以及主电容板的排布也会产生。针对这种分析，就需要在铜排的走线，电容板的排布进行优化，降低线路的分布电感，从而降低功率器件两端的反向峰值电压降低功率器件对电压保护吸收电路的要求，即减小杂散电感，就能控制VCE振荡尖峰电压。

对于IGBT模块内部的寄生电感也会影响短路时IGBT关断VCE尖峰电压。由于模块内部芯片之间的连接以及芯片对模块端子的连接、外部接线和内部连线必不可少，所以产生了电感。由于这些电感会在关断时感应过电压，在开通时延缓电流的上升速度以及在控制和功率回路之间引起电感式耦合，减小它们会直接影响到功率模块的使用。另外，如果模块内部的芯片是并联的则寄生电感会引起芯片的动态不均衡以及芯片之间的振荡。因此，本发明采用IGBT内部的芯片为反并联排布的方式及选用杂散电感小的IGBT，优良的IGBT排布可以改善IGBT模块的在桥臂短路关断时VCE电压振荡。

IGBT桥臂短路时，变频器的IGBT中发生负载短路或同一桥臂出现直通现象时，母线电压直接加到IGBT的C、E两极之间，流过IGBT的集电极电流将会急剧增加，此时如不迅速撤除栅极驱动信号，Ic电流迅速上升，当超过IGBT的Im最大电流时就会烧毁IGBT。IGBT能在不损坏的前提下承受电流的时间称为允许短路时间。变频器为了防止由于短路故障而造成IGBT损坏，制定了完善的故障检测与保护环节，及时检出过电流故障，并迅速切断输出。调整合适的外围电路参数可实现软关断，采用软关断的方式防止di/dt（电流上升率）产生过高的电压和电流下降的变化率过大，减少保护动作的延迟时间。在短路过流时，在直流母线回路中的杂散电感会引起很高的反向电动势因而造成较高的VCE尖峰电压，当尖峰电压超过IGBT的最高承受电压时就会损坏IGBT。因此，Pc929驱动子电路1在可靠保护下，合理设计直流母线回路2，使杂散电感降低，优选排放IGBT,最终抑制IGBT的VCE振荡电压，有效降低短路保护时对IGBT的功率和热应力冲击，避免了产生的感应电压损坏IGBT。

具体应用例：以下是用30KW通用型变频器为验证对象，进行桥臂短路试验。测试仪器：被测试整机、示波器、电流放大器、短接线1根。

测试方法及测试条件，现有技术与本发明的条件是一样的：

针对上述Pc929驱动子电路1，进行下桥保护测试，短接上桥IGBT的C、E，控制脉冲由下桥给出；将电流放大器安装在短接线上，运行后触发捕捉保护点波形，使用高压探头挂下桥IGBT的C、E两端电压。实验时整机开关电源部分采用直流调压电源供电，主回路部分调压上电，主回路中的接触器及电抗器等均使用粗导线短接，短接导线使用4m *4mm2多芯电缆线。

请参阅图6，为现有技术母线PN输入100V时桥臂短路VCE波形图，U相下桥臂C、E电压波动峰值ΔU：370V；请参阅图7，为现有技术母线PN输入500V时桥臂短路VCE波形图，U相下桥臂C、E电压波动峰值ΔU：204V。由图6和7可得出IGBT上桥臂短路时，驱动波形快速关断，此时VCE电压振荡严重。由于VCE的振荡还引起了驱动电压关断时的振荡，对于IGBT的控制极为不利，这样有可能出现VCE与Vge的恶性循环最终导致IGBT失效。产生振荡的主要原因是由于变频器的主回路中有用于功率传递的感性元件以及母线引线产生的杂散电感，IGBT在快速开关时因杂散电感中积蓄的能量释放或次回路中续流二极管反向恢复而产生开关振荡尖峰电压。当这种振荡尖峰电压的幅值与振荡时间较大时就会危害IGBT的系统安全工作。

请参阅图8，为本发明母线PN输入100V时桥臂短路VCE波形图，U相下桥臂C、E电压波动峰值ΔU：120V；图9为母线PN输入500V时桥臂短路VCE波形图，U相下桥臂C、E电压波动峰值ΔU：152V。对比更改设计前后两次测试结果，母线PN输入100V时桥臂短路VCE 由370V减小到120V，母线PN输入500V时桥臂短路VCE由204V减小到96V。对比现有技术和本发明，更改后这种设计有效的降低杂散电感造成的电压尖峰振荡，让IGBT工作于安全区域，延长功率器件的使用寿命，并且降低了系统噪声和电磁干扰，极大地提高了系统工作的可靠性。因此，这种通过变频器IGBT桥臂短路的测试，对整个系统Pc929驱动子电路1，直流母线回路2，主电容以及IGBT的设计进行了合理的测试验证，经过对改善前后测试波形的对比，证明了本发明提出的IGBT桥臂短路时VCE振荡电压抑制方法是有效并且实用性高的改善措施。注：图中示波器通道标注CH1：VCE；CH2：Ic ；CH3：Vge。

本发明具有以下优势：

1）Pc929驱动子电路1带有硬件保护功能，可有效检测并判断出IGBT桥臂短路时，VCE振荡电压是否在合理的工作范围内，若检测到IGBT流过异常电流时，该Pc929驱动子电路1就自动报警并封锁脉冲信号以实施保护动作，该子电路能保证在VCE电压突升前就进行保护，提高了IGBT工作的稳定可靠性。

2）直流母线回路2上滤波电容组20之间平行放置，且滤波电容组20和IGBT的P极之间的走线与滤波电容组和IGBT的N极之间的走线呈平行排布，可有效减少母排的杂散电感，降低线路的分布电感，从而降低了IGBT两端的反向峰值电压及降低IGBT对电压保护吸收电路的要求，由此控制VCE振荡电压尖峰。

3）IGBT内部的芯片为反并联排布，减少寄生电感，避免了传统IGBT内部的芯片并联时寄生电感引起芯片动态不均衡及芯片间振荡的问题，可有效改善IGBT在桥臂短路关断时VCE的振荡电压。

4）本发明通过Pc929驱动子电路1的可靠性、减小直流母线回路2的杂散电感及降低IGBT的寄生电感这三种方式的结合，可最终抑制桥臂短路时VCE的振荡电压。

5）本发明具有电路简单、结构合理、灵敏度高、工作性能可靠稳定、保护效果好、适用性强等特点。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，其特征在于，包括IGBT、用于驱动IGBT的通断并检测控制IGBT的VCE电压的Pc929驱动子电路和直流母线回路；所述Pc929驱动子电路和直流母线回路分别与IGBT连接；所述IGBT内部的芯片为反并联排布。

2.根据权利要求1所述的IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，其特征在于，所述Pc929驱动子电路包括型号为Pc929的光电隔离器、用于检测IGBT导通时的管压降的VCE电压检测回路、第一三极管和第二三极管；所述光电隔离器的第二引脚及第三引脚与变频器连接且输入脉冲信号电流，所述光电隔离器的第十一引脚也与变频器连接且产生驱动电压信号，所述光电隔离器的第八引脚与第十一引脚连接且实施封锁脉冲信号，所述光电隔离器的第九引脚与VCE电压检测回路连接且进行故障报警，所述第一三极管和第二三极管串联，且第一三极管和第二三极管的基极公共端通过第一电阻连接第十一引脚，且第一三极管和第二三极管的发射极公共端与IGBT的栅极连接，所述第九引脚通过VCE电压检测回路与IGBT的基极连接。

3.根据权利要求1所述的IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，其特征在于，所述直流母线回路包括多个平行放置的滤波电容组，每个滤波电容组的一端连接至IGBT的P极, 每个滤波电容组的另一端连接至IGBT的N极，且所述滤波电容组和IGBT的P极之间的走线与滤波电容组和IGBT的N极之间的走线呈平行排布。

4.根据权利要求1所述的IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，其特征在于，所述每个滤波电容组由多个串联的滤波电容构成。

5.根据权利要求2所述的IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，其特征在于，所述VCE电压检测回路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第一二极管；所述第九引脚通过并联的第五电阻和第六电阻与第七电阻连接，所述第七电阻依次通过串联的第八电阻和第一二极管后连接至IGBT的基极。

6.根据权利要求5所述的IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，其特征在于，所述Pc929驱动子电路还包括第一电容、第二电容和第三电容，所述光电隔离器的第十二引脚和十三引脚分别与第一电容的一端连接，所述光电隔离器的第十引脚和第十四引脚分别与第一电容的另一端连接，所述光电隔离器的第九引脚通过第三电容连接第二三极管的集电极，所述第五电阻和第六电阻的公共端通过第二二极管与第二电容连接，且所述第一三极管的集电极连接电源电压。

7.根据权利要求6所述的IGBT桥臂短路时VCE振荡电压的抑制电路，其特征在于，所述Pc929驱动子电路还包括第三二极管及串联第一稳压管和第二稳压管；所述第一三极管和第二三极管的发射极公共端通过串联的第三二极管和第三电阻后与IGBT的栅极连接，所述第一三极管和第二三极管的发射极公共端又通过串联的第二电阻、第四电阻和第九电阻后接地，所述串联第一稳压管和第二稳压管分别连接在IGBT的栅极与发射极之间。

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