CN103904622A - Igbt过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT过流保护电路，包括根据IGBT的集电极电流产生过流信号的过流信号产生电路，依据过流信号的高低判断并输出封锁IGBT驱动信号的CPLD芯片，DSP控制芯片读取CPLD芯片的计数值并生成复位信号。本发明设计的过流保护电路可以向DSP反馈过流故障信号，但不依赖于芯片对电流的检测，在DSP死机的极端情况下，可以可靠地对IGBT的驱动信号实现封锁，从而保证电源系统的安全。

Description

IGBT过流保护电路

技术领域

本发明涉及一种IGBT过流保护电路，属于过流保护领域。

背景技术

在高压大功率的逆变电源中，IGBT往往承受较大的电流，可达100A以上。IGBT过流是损坏IGBT的主要原因，过流保护不仅直接关系到IGBT器件本身的工作性能和运行安全，还影响到整个电源系统的性能和安全。IGBT应用是否成功在很大程度上取决于过流保护电路的优劣。

IGBT集电极和发射极之间的电压U_CE在数值上等于集电极电流与器件通态阻抗的乘积。因此，一旦IGBT过流，U_CE会随着集电极电流的增大而增大。常见的过流保护电路根据这一特性，通过检测U_CE来判断IGBT是否过流。

这种检测方法使用分立器件，集成度较低。并且在阈值电压以下，流过IGBT的电流可能已超过额定电流，如果这种状态持续时间过长，IGBT有可能发生擎住锁定，造成IGBT的损坏。

发明内容

发明目的：本发明提出一种IGBT过流保护电路，能够可靠地对IGBT的过电流进行保护动作。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种IGBT过流保护电路，包括根据IGBT的集电极电流产生过流信号的过流信号产生电路，依据过流信号的高低判断并输出封锁IGBT驱动信号的CPLD芯片，DSP控制芯片读取CPLD芯片的计数值并生成复位信号。

优选地，所述过流信号产生电路包括依次串联的电流互感器、采样电阻、绝对值转换电路、同相电压放大电路以及比较器。

优选地，所述CPLD芯片包括依次串联的消抖电路、脉冲展宽电路以及生成封锁IGBT的驱动信号的或门，消抖电路输出端还连接过流故障计数器。所述消抖电路对过流信号进行判断，将大于1.28us的过流信号判断为真实的过流信号，将小于1.28us的过流信号判断为干扰信号。

有益效果：本发明设计的过流保护电路可以向DSP反馈过流故障信号，但不依赖于芯片对电流的检测，在DSP死机的极端情况下，可以可靠地对IGBT的驱动信号实现封锁，从而保证电源系统的安全。由迟滞比较器构成的过流信号产生电路可以可靠地产生过流信号，保护电路在IGBT允许的过流时间之内能够可靠动作。仅在电源系统确实存在的持续短路过流时才进行跳闸保护，对于瞬态电流尖峰等干扰性过流信号，具有较强的抗干扰能力。CPLD芯片拥有高性价比的集成度，以低成本增加了控制系统的灵活性，便于调试和装置升级。

附图说明

图1为为基于CPLD的IGBT过流保护电路结构框图；

图2为过流信号产生电路；

图3为由D触发器构成的消抖电路及其时序图；

图4为脉冲展宽电路输入信号的产生；

图5为脉冲展宽电路；

图6为第一次过流和第二次过流处理电路；

图7为过流保护策略。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，将流过IGBT的电流用电流互感器转换为弱电电流信号，通过采样电阻采样得到交流电压信号，经过绝对值转换电路转换后变为直流电压信号，由同相比例放大电路放大后与2.5V参考电压比较。当流过IGBT的电流过流时，迟滞比较器输出低电平的过流信号。过流信号经电平转换后由CPLD处理。如果过流信号时间小于1.28us，则认为是干扰信号。如果过流时间超过1.28us，CPLD产生1.311ms的封锁IGBT的驱动信号并发送至DSP控制芯片，IGBT过流故障计数器计数一次。如果过流信号消失，DSP控制芯片在10ms后复位计数器，电源系统继续工作。如果在1.311ms内又一次产生了过流信号，则CPLD一直产生封锁IGBT的驱动信号并发送至DSP控制芯片。直到确认故障排除后，DSP复位CPLD过流保护电路，使得电源系统重新正常工作。

（1）过流信号产生电路

如图2所示，电流互感器将流过IGBT的电流转换为100mA以内的电流信号，通过采样电阻对电流互感器副边电流信号进行采样，得到过流信号产生电路的输入电压V_in。输入电压V_in经绝对值转换电路得到输入电压的绝对值。同相电压放大电路将绝对值转换电路的输出电压放大K倍后，与2.5V参考电压通过比较器LM211进行比较。K的数值由同相电压放大器中运放的电阻决定。

图2所示的过流信号产生电路具有反相输出的施密特触发特性。当输入电压V_in低于正向阈值电压时输出高电平；V_in高于正向阈值电压时，输出低电平。输出电压V_O为低电平后，当V_in低于负向阈值电压时，输出电压才再次回到高电平。这样，一旦输出过流信号后，即使输入信号在正向阈值电压附近有微小的干扰，只要干扰不超过回差电压，输出电压就是稳定的，增加了过流信号产生电路的抗干扰性，保证了流过IGBT的电流稳定降到2.5V对应的电流值时，过流信号才会消失。

调节同相电压放大电路增益K，可以调节过流保护阈值电流，调节R₁的阻值可以调节回差电压。

（2）消抖电路

如图3所示，消抖电路时钟CLK2由50M8分频得到。过流信号产生电路的输出经电平转换后得到低电平过流信号GLXH。当出现过流信号后，在CLK2的第一个上升沿，第一D触发器D1输出低电平，第二D触发器D2在CLK2的第二个上升沿输出低电平，以此类推第八D触发器D8在CLK2第8个上升沿输出低电平。从过流信号跳变为低电平到Q8跳变为低电平的延迟时间为1.28us。过流信号时间小于1.28us，则认为是干扰信号。因为消抖电路在产生1.28us的延时后判断过流信号，消抖电路的时钟是对50MHz8分频，即50/8MHz，每个D触发器在下一个时钟的上升沿输出变化，一共8个D触发器，所以延迟 $\frac{1}{50M}*8*8=1.28\mathrm{us}.$

在图3下附了消抖电路的输入输出波形，在输入信号GLXH变为低电平1.28us后，输出信号Q8变为低电平。

本发明设计的过流保护电路的响应速度主要由消抖电路的延迟时间决定，1.28us在IGBT允许的过流时间之内。

（3）脉冲展宽电路输入信号的产生

如图4所示，SR锁存器的RD’端由Q1和Q8的与逻辑决定，SR锁存器的SD’端由Q1’和Q8’的与逻辑决定，SR锁存器的输出为脉冲展宽电路输入信号Q。Q8和过流信号同时为低电平时认为是有效的过流信号，在过流信号回到高电平时脉冲展宽电路输入信号Q回到高电平。

（4）脉冲展宽电路

如图5所示，脉冲展宽电路的时钟CLK1为50MHz，由4个16进制计数器74161和两个D触发器组成。脉冲展宽电路输入信号Q取反得到Q’，展宽脉冲由Q’的上升沿触发。展宽脉冲为D触发器D1的输出，即SPWMEN1信号。IGBT驱动信号的封锁信号由SPWMEN1和SPWMEN2的或逻辑决定，封锁信号高电平有效。

在CLK1的上升沿，D1的输出随Q’发生跳变，控制计数器的使能。U1计满16后，产生进位信号，接入U2的使能端，U2在每16个CLK1周期计数一次，U1～U4构成了16⁴分频器。U4的进位信号产生复位信号CLR，使得D1的输出变为低电平。脉冲宽度为1.311ms。

（5）过流保护策略

如图6所示，16进制计数器U1的QB输出为SPWMEN2信号。

过流保护策略如图7所示。当IGBT电流过流后，如果是第一次过流，并且不是干扰信号，CPLD过流保护电路封锁1.311ms IGBT驱动信号。因为脉冲展宽电路的时钟是50MHz，4个16进制计数器构成16⁴分频器，所以脉冲展宽电路输出脉冲的宽度是 $\frac{1}{50M}*{16}^4=1.311\mathrm{ms}.$

计数器U1随着Q’的上升沿计数，计数值变为1。第二次过流后，U1计数值变为2。由于U1将Q’和QB相或接至计数器的CLK，在计数值达到2后，CLK一直为高电平，SPWMEN2也一直为高电平，驱动信号一直被封锁，直至DSP产生复位信号DSP_CLR。

计数器U1的QA和QB分别接至DSP的GPIO引脚，从而DSP可以检测到是第一次过流还是第二次过流。在检测到第一次过流后，DSP在一段时间后复位U1。如果在这段时间内又产生过流信号，说明IGBT仍然过流，U1计数值达到2后一直封锁IGBT驱动信号，DSP将不产生复位信号。直到电源系统状态正常后，DSP再次产生复位信号，使得U1复位，电源系统继续工作。

Claims (4)

1.IGBT过流保护电路，其特征在于，包括根据IGBT的集电极电流产生过流信号的过流信号产生电路，依据过流信号的高低判断并输出封锁IGBT驱动信号的CPLD芯片，DSP控制芯片读取CPLD芯片的计数值并生成复位信号。

2.根据权利要求1所述的IGBT过流保护电路，其特征在于，所述过流信号产生电路包括依次串联的电流互感器、采样电阻、绝对值转换电路、同相电压放大电路以及比较器。

3.根据权利要求1所述的IGBT过流保护电路，其特征在于，所述CPLD芯片包括依次串联的消抖电路、脉冲展宽电路以及生成封锁IGBT的驱动信号的或门，消抖电路输出端还连接过流故障计数器。

4.根据权利要求3所述的IGBT过流保护电路，其特征在于，所述消抖电路对过流信号进行判断，将大于1.28us的过流信号判断为真实的过流信号，将小于1.28us的过流信号判断为干扰信号。

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