CN104300511A - 一种基于vce检测的igbt短路保护自适应优化单元及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元及方法，包含比较单元、反相单元、触发单元、或单元、下拉单元和最长延时单元。本发明中，当IGBT刚开通时，驱动芯片检测V_CE的引脚DESAT被屏蔽，即短路保护功能此时无效，此后当IGBT管压V_CE低于比较单元预设阈值时，此时DESAT引脚屏蔽将取消，开始检测IGBT的C-E端电压，从而判断IGBT是否发生短路故障。本发明能够自动判断驱动芯片何时开始检测管压V_CE，即自动判断何时开始短路故障检测，避免因不同类型IGBT模块及不同工况下存在的差异性所带来的影响。

Description

一种基于VCE检测的IGBT短路保护自适应优化单元及方法

技术领域

本发明涉及一种IGBT短路保护自适应优化方法，尤其涉及一种基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元及方法。

背景技术

IGBT作为一种新型的功率半导体开关器件，在大功率领域正得到越来越广泛的应用。IGBT及其驱动保护电路的设计关系到整个系统的稳定性运行，因此IGBT驱动保护电路的设计尤为重要。在IGBT的诸多保护类型中，短路保护尤其是桥臂短路是尤为严重的情况，在该种情况下，故障的IGBT需要能够被快速有效关断，否则会损坏IGBT模块，进而可能会危害整个功率系统。现有的主流短路保护方法按检测方式分类主要有检测IGBT的C-E电压、集电极电流和集电极电流变化率等。采用检测集电极电压V_CE的短路保护方法的工作原理为当发生短路故障尤其是桥臂短路故障时，IGBT集电极电流迅速上升，由IGBT输出特性可知，IGBT由饱和区退出进入有源区，V_CE迅速上升至母线电压，因此可以在IGBT导通的状态下，通过实时检测V_CE的大小来判断IGBT是否发生短路故障。由于检测IGBT管压V_CE方法的便捷性，现在大多数的驱动保护芯片均集成了该种短路保护的方法，但这种方法在实际应用中会有两点不足，一是屏蔽时间长短的精确设置问题；二是加入的屏蔽电路所造成的短路保护延时问题。

具体来说，由于大多数驱动集成芯片是在IGBT开通状态下放开V_CE检测引脚DESAT，而在关断状态下拉低该引脚，因此在IGBT开通瞬间，该检测引脚便开始工作；同时，由于IGBT门极在开通时短路保护检测引脚开始工作，但此时V_CE依然很高，需要经过一段时间才会到达通态压降，因此需要将这一段时间进行屏蔽以保证工作的可靠性，否则在IGBT开通时，保护电路会立即触发，产生误信号。现有的IGBT驱动保护集成芯片不能够自动判断在IGBT开通后何时开始检测集电极电压V_CE，即不能自动判断何时开始检测短路故障，因此需要设置该段时间，其长短需要进行实验测试，以选取合适的屏蔽时间，或者选择比较长的屏蔽时间。通常会设计R_blocking与C_blocking组成的RC屏蔽电路进行屏蔽，这样在IGBT开通并经过一段特定的屏蔽时间后，V_CE才会被实时检测以判断电路工作状态。考虑到不同模块及不同工况所需要屏蔽时间不同，因此一般会将该段屏蔽时间设置较长。同时，也需注意避免该屏蔽时间过长，以免在发生短路保护时，屏蔽电路所造成的延时过长，不能够快速关断IGBT，增大IGBT发生损坏的概率。

有鉴于此，如何对现有的基于V_CE检测的短路保护方法进行优化，使得现有的集成驱动芯片能够在IGBT开通过程中自动判断驱动芯片的短路保护检测引脚何时开始检测IGBT的管压V_CE，即何时开始进行短路故障检测，且能够适应不同的IGBT模块及不同工况，同时能够减小因屏蔽电路所造成的延时时间。

发明内容

针对现有的IGBT集成驱动芯片在应用中存在的如上所述的在短路保护方面的不足，提出了一种基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元及方法。

本发明解决上述不足所采取的技术方法是：

基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元包含比较单元、反相单元、触发单元、或单元、下拉单元和最长延时单元：

比较单元，其第一输入端连接于功率半导体开关IGBT的集电极C端，用于检测功率半导体开关IGBT的集电极端电压信号V_CE，其第二输入端接一预设电压阈值V_REF，其输出端连接至触发单元的第一输入端；

反相单元，其输入端连接至IGBT驱动芯片单元的VOUT引脚输出的一驱动信号V_OUT，对其进行反相处理，将反相信号通过输出端输出至触发单元的第二输入端；

触发单元，其第一输入端连接至所述比较单元的输出端，第二输入端连接至所述反相单元的输出端，输出端连接至或单元的输入端；

或单元，其第一输入端连接至触发单元的输出端，第二输入端连接至最长延时单元的输出端，输出端连接至下拉单元的输入端；

下拉单元，其输入端连接至所述或单元的输出端，输出端连接至IGBT驱动芯片单元的短路保护检测引脚DESAT；

最长延时单元，输入端连接至IGBT驱动芯片单元的VOUT引脚输出的一驱动信号V_OUT，输出端连接至所述或单元的输入端。

当IGBT处于正常导通状态时，所述比较单元输出端为高；当IGBT处于关断或短路故障状态时，所述比较单元输出端为低。

所述反相单元对IGBT驱动芯片单元输出的驱动信号V_OUT进行反相处理；当IGBT驱动芯片单元输出的驱动信号V_OUT为高时，反相单元的输出端为低；当IGBT驱动芯片单元输出的驱动信号V_OUT为低时，反相单元的输出端为高。

当所述触发单元的第一输入端、第二输入端均为高时，其输出端为高；当第一输入端、第二输入端均为低时，输出端与之前状态一致，不变化；当第一输入端为高，第二输入端为低时，输出端为低；当第一输入端为低，第二输入端为高时，输出端为高。

当所述或单元的第一输入端、第二输入端中任一端为低时，其输出端为低；当第一输入端、第二输入端均为高时，其输出端为高。

当所述下拉单元的输入端为高时，其输出端为低，即IGBT驱动芯片单元的DESAT引脚将被下拉至地，不对V_CE进行检测；当所述下拉单元的输入端为低时，其输出端呈现高阻态，此时V_CE将被IGBT驱动芯片单元进行检测以判断是否发生短路故障。

所述最长延时单元的延时时间为一固定延时时间，应用于IGBT在开通过程中发生短路故障的情况；当IGBT在开通过程中发生短路故障，所述的比较单元、反相单元、触发单元、或单元、下拉单元并不会将所述IGBT驱动芯片单元的短路故障检测引脚DESAT放开检测V_CE，因此在此种情况下，最长延时单元在IGBT开通经过一段延时后其输出端由高变低，最终将所述短路故障检测引脚DESAT放开对V_CE进行检测以判断是否发生短路故障。

所述单元的基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化方法是：

IGBT开始导通后，管压V_CE开始不发生变化，远高于比较单元中预设阈值V_REF，比较单元的输出端为低，由于此时IGBT驱动芯片单元输出的驱动信号V_OUT由低变高，反相单元的输出端由高变低，触发单元的输出端不发生变化，为高，因此下拉单元的输入端为高，不变化，其输出端将IGBT驱动芯片单元的DESAT检测引脚下拉至地；

当IGBT进入开通过程中的米勒平台后，V_CE开始下降，直至IGBT管压V_CE低于比较单元中的预设阈值V_REF，此时比较单元的输出端由低变高，而反相单元的输出端为低不变，因此触发单元的输出端由高变低，下拉单元的输入端由高变低，输出端呈现高阻态将DESAT检测引脚放开实时检测IGBT的管压以判断是否发生短路故障，在此后的通态状态下所述的自适应优化单元在这个开关周期内不再起作用，不对驱动芯片单元的工作造成干扰。

本发明的有益效果如下：

本发明结合传统驱动保护集成芯片设计了基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元及方法，使得在IGBT开通时，短路电路能够自动判断屏蔽时间的长短，即能够自动判断开通后IGBT管压V_CE何时到达通态压降，自动判断何时开始检测短路故障，同时由于优化了传统的屏蔽电路，短路故障发生后至IGBT本身及系统关断之间的延时更小，使得功率系统运行更为可靠。

附图说明

图1为基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化方法的电路框图；

图2为基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化方法的一种实际电路图；

图3为IGBT正常开通过程中的各波形图；

图4为IGBT短路保护检测引脚传统屏蔽电路；

图5为本发明中触发单元的RS触发器的真值表；

图6为本发明中触发单元的RS触发器的输入输出波形；

图7为IGBT在开通过程中发生短路故障的各波形图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1示出本发明的电路框图，图2示出本发明所采用的一种具体电路图。参考图1、图2，本发明所提出的方法包括比较单元1、反相单元2、触发单元3、或单元4、下拉单元5和最长延时单元6。各个单元之间电性连接。

比较单元1，其第一输入端1-1连接于功率半导体开关IGBT的集电极C端，其第二输入端1-2连接一预设电压阈值V_REF，将所述功率半导体开关集电极端信号V_CE与预设阈值V_REF进行比较，其比较结果连接至比较单元1输出端1-3，同时该输出端1-3连接至触发单元3的第一输入端3-1；所述比较单元1包括电阻R11、R12，二极管D11，比较器IC11；R11的一端和R12的一端接于电源VDD，R11的另一端和D11的正端接于比较器的负输入端，D11的负端接于功率半导体开关IGBT的集电极C端，R12的另一端和IC11的输出端比较单元1的输出端1-3，IC11的正输入端接一预设阈值V_REF1；

反相单元2，其输入端2-1连接至驱动芯片单元101的VOUT引脚输出的一驱动信号V_OUT，对其进行反相处理，将反相信号连接至反相单元2的输出端2-2，并输出至触发单元3的第二输入端3-2；所述反相单元2包括电阻R21、R22，三极管Q21；R21的一端接于电源VDD，R21的另一端接于Q21及反相单元2的输出端2-2；R22的一端接于Q21，另一端接于反相单元2的输入端2-1；Q21的一端c接于R21及输出端2-2，一端b接于R22，一端e接于地；

触发单元3，其第一输入端3-1连接至所述比较单元1的输出端1-2，第二输入端3-2连接至所述反相单元2的输出端2-2，输出端3-3连接至或单元4的第一输入端4-1；所述触发单元3即为一RS触发器，R端接于第一输入端3-1，S端接于第二输入端3-2，输出Q端接于输出端3-3；

或单元4，其第一输入端4-1连接至触发单元3的输出端3-3，第二输入端4-2连接至最长延时单元6的输出端6-2，输出端4-3连接至下拉单元5的输入端5-1；所述或单元4包括电阻R41，二极管D41、D42；D41的负端接于触发单元3，D42的负端接于最长延时单元6，D41、D42的正端以及R41的一端接于或单元4的输出端4-3，R41的另一端接于电源VDD；

下拉单元5，其输入端5-1连接至所述或单元4的输出端4-3，输出端5-2连接至IGBT驱动芯片单元101的短路保护检测引脚DESAT；所述下拉单元5包括电阻R51，MOS管Q51；R51的一端接至输入端5-1，R51的另一端接Q51的第一端G，Q51的第二端S接地，Q51的第三端D接输出端5-2；

最长延时单元6，输入端6-1连接至驱动芯片单元101的VOUT引脚输出的一驱动信号V_OUT，输出端6-2连接至所述或单元4的第二输入端4-2；所述最长延时单元6包括电阻R61、R62，电容C61，比较器IC61；R61的一端接于电源VDD，R61的另一端和IC61的输出端接于输出端6-2，R62的一端和C61的一端接于IC61的负输入端，R62的另一端连接至输入端6-1，C61的另一端接地，IC61的正输入端接一预设参考电压V_REF2。

本发明的工作原理过程如下：

参照图3，对IGBT的开通过程先行进行说明。如图3为IGBT开通时的波形，t₁时刻IGBT开通，门极电压V_GE开始上升，此时IGBT管压V_CE并未开始下降，直到IGBT进入米勒平台即t₂时刻，V_CE开始下降，至t₃时刻，管压V_CE降至通态压降，而后IGBT进入完全导通状态。

如图1、图2所示，本发明所设计的基于检测V_CE的短路保护方法正是通过检测IGBT在开通后管压V_CE何时到达通态压降，并同时让驱动保护集成芯片开始实时检测V_CE来判断IGBT是否发生短路故障。

t₁时刻，IGBT开始导通，门极电压开始上升，但在t₁时刻前后，管压V_CE不发生变化，为高，且远高于比较单元1中电源VDD，因此二极管D11处于阻断状态，比较器IC11负输入端为电源VDD，高于负输入端的预设阈值V_REF1，比较单元1的输出端1-2依旧为低。同时由于此时驱动芯片单元101输出的驱动信号V_OUT由低变高，因而反相单元2的输出端2-2由高变低。图5为触发单元中RS触发器的真值表，由此可以推断出触发单元3的输出端3-3不发生变化，为高。因此t₁时刻前后下拉单元5的输入端5-1为高，不变化，即MOS管Q51保持导通状态，将驱动芯片单元101的DESAT检测引脚下拉至地，即使此时驱动芯片内部已经将该引脚放开。

t₂时刻，IGBT进入开通过程中的米勒平台，此时V_CE开始下降。直到t₃时刻，IGBT的管压V_CE低于比较单元1中的预设门槛值V_REF1，此时比较单元1的输出端1-2由低变高，而此时反相单元2的输出端2-2为低不变，因此根据该RS触发器的真值表即图5，此时触发单元3的输出端3-3由高变低，因此下拉单元5的输入端5-1由高变低，下拉单元5中的MOS管Q51关断，将DESAT检测引脚放开实时检测IGBT的管压以判断是否发生短路故障，由该RS触发器的真值表可以发现，此后本设计方法所涉及到的几个单元在这个开关周期内不再起作用，不对驱动芯片单元的工作造成干扰。图6即为正常开关过程中驱动信号和RS触发器的输入输出信号。其中灰色部分即t1至t3时刻为本优化方法自动判断的屏蔽时间长短，也即是IGBT开通后IGBT管压V_CE到达通态压降的时间。

这里还需要着重说明的是最长延时单元6的作用，这是产生最长屏蔽时间的一个单元，应用于IGBT在开通时发生短路故障的情况。通过前面的逻辑分析，可以发现，优化方法中根据检测IGBT管压来自动判断检测引脚DESAT何时开始检测是基于这样一个前提，即IGBT管压须先降至预设门槛值，一般设置为7V或9V，再触发上述电路。然后在实际工作中，依然存在这样的情况，即在IGBT开通时段便发生了桥臂短路故障，如图7为该种情况下IGBT的开通波形，此时IGBT的管压并不会降低至预设门槛值之下，因此并不会触发前述各单元。鉴于此，本处设置了产生最长屏蔽时间的电路，即当IGBT在开通时发生短路故障，在经过这个最长屏蔽时间之后，驱动芯片的检测引脚DESAT亦开始实时检测V_CE，进而监测IGBT的工作状态。在开通时发生短路故障，由前述分析可知，触发单元3输出将一直为高，此时检测驱动芯片单元检测引脚DESAT一直被MOS管Q51拉低，此时经过最长延时时间后，单元6的输出由高变低，将Q51关断即放开检测引脚DESAT，此时驱动芯片单元将关断该IGBT模块及整个系统。另外，此处的最长屏蔽时间长短可直接参考传统方法中所采用的固定屏蔽时间。

需要注意的是，相比于传统的检测V_CE的短路保护方法，由于本优化方法中驱动芯片单元的检测引脚DESAT处RC屏蔽网络时间常数的减少，此处仅仅使用了滤波电容C101滤除高频干扰，因此在检测引脚开始工作后，若发生短路故障，检测引脚能够迅速的检测到而不会存在过大的延时。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元，其特征在于包含比较单元（1）、反相单元（2）、触发单元（3）、或单元（4）、下拉单元（5）和最长延时单元（6）：

比较单元(1)，其第一输入端（1-1）连接于功率半导体开关IGBT的集电极C端，用于检测功率半导体开关IGBT的集电极端电压信号V_CE，其第二输入端(1-2)接一预设电压阈值V_REF，其输出端(1-3)连接至触发单元(3)的第一输入端(3-1)；

反相单元(2)，其输入端(2-1)连接至IGBT驱动芯片单元(101)的VOUT引脚输出的一驱动信号V_OUT，对其进行反相处理，将反相信号通过输出端(2-2)输出至触发单元(3)的第二输入端(3-2)；

触发单元(3)，其第一输入端(3-1)连接至所述比较单元(1)的输出端(1-2)，第二输入端(3-2)连接至所述反相单元(2)的输出端(2-2)，输出端(3-3)连接至或单元(4)的第一输入端(4-1)；

或单元（4），其第一输入端（4-1）连接至触发单元（3）的输出端（3-3），第二输入端（4-2）连接至最长延时单元（6）的输出端（6-2），输出端（4-3）连接至下拉单元（5）的输入端（5-1）；

下拉单元（5），其输入端（5-1）连接至所述或单元（4）的输出端（4-3），输出端（5-2）连接至IGBT驱动芯片单元（101）的短路保护检测引脚DESAT；

最长延时单元（6），输入端（6-1）连接至IGBT驱动芯片单元（101）的VOUT引脚输出的一驱动信号V_OUT，输出端（6-2）连接至所述或单元（4）的第二输入端（4-2）。

2. 根据权利要求1所述的基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元，其特征在于，当IGBT处于正常导通状态时，所述比较单元(1)输出端(1-3)为高；当IGBT处于关断或短路故障状态时，所述比较单元(1)输出端(1-3)为低。

3. 根据权利要求1所述的基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元，其特征在于，所述反相单元(2)对IGBT驱动芯片单元（101）输出的驱动信号V_OUT进行反相处理；当IGBT驱动芯片单元(101)输出的驱动信号V_OUT为高时，反相单元的输出端(2-2)为低；当IGBT驱动芯片单元(101)输出的驱动信号V_OUT为低时，反相单元的输出端(2-2)为高。

4.根据权利要求1所述的基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元，其特征在于，当所述触发单元(3)的第一输入端(3-1)、第二输入端(3-2)均为高时，其输出端为高；当第一输入端(3-1)、第二输入端(3-2)均为低时，输出端与之前状态一致，不变化；当第一输入端(3-1)为高，第二输入端(3-2)为低时，输出端(3-3)为低；当第一输入端(3-1)为低，第二输入端(3-2)为高时，输出端(3-3)为高。

5. 根据权利要求1所述的基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元，其特征在于，当所述或单元(4)的第一输入端(4-1)、第二输入端(4-2)中任一端为低时，其输出端(4-3)为低；当第一输入端(4-1)、第二输入端(4-2)均为高时，其输出端(4-3)为高。

6. 根据权利要求1所述的基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元，其特征在于，当所述下拉单元(5)的输入端(5-1)为高时，其输出端(5-2)为低，即IGBT驱动芯片单元(101)的DESAT引脚将被下拉至地，不对V_CE进行检测；当所述下拉单元(5)的输入端(5-1)为低时，其输出端(5-2)呈现高阻态，此时V_CE将被IGBT驱动芯片单元(101)进行检测以判断是否发生短路故障。

7. 根据权利要求1所述的基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化单元，其特征在于，所述最长延时单元(6)的延时时间为一固定延时时间，应用于IGBT在开通过程中发生短路故障的情况；当IGBT在开通过程中发生短路故障，所述的比较单元（1）、反相单元（2）、触发单元（3）、或单元（4）、下拉单元（5）并不会将所述IGBT驱动芯片单元(101)的短路故障检测引脚DESAT放开检测V_CE，因此在此种情况下，最长延时单元(6)在IGBT开通经过一段延时后其输出端(6-2)由高变低，最终将所述短路故障检测引脚DESAT放开对V_CE进行检测以判断是否发生短路故障。

8. 一种如权利要求1所述单元的基于V_CE检测的IGBT短路保护自适应优化方法，其特征在于：

IGBT开始导通后，管压V_CE开始不发生变化，远高于比较单元(1)中预设阈值V_REF，比较单元(1)的输出端(1-3)为低，由于此时IGBT驱动芯片单元(101)输出的驱动信号V_OUT由低变高，反相单元(2)的输出端(2-2)由高变低，触发单元(3)的输出端(3-3)不发生变化，为高，因此下拉单元(5)的输入端(5-1)为高，不变化，其输出端(5-2)将IGBT驱动芯片单元(101)的DESAT检测引脚下拉至地；

当IGBT进入开通过程中的米勒平台后，V_CE开始下降，直至IGBT管压V_CE低于比较单元(1)中的预设阈值V_REF，此时比较单元(1)的输出端(1-3)由低变高，而反相单元(2)的输出端(2-2)为低不变，因此触发单元(3)的输出端(3-3)由高变低，下拉单元(5)的输入端(5-1)由高变低，输出端(5-2)呈现高阻态将DESAT检测引脚放开实时检测IGBT的管压以判断是否发生短路故障，在此后的通态状态下所述的自适应优化单元在这个开关周期内不再起作用，不对驱动芯片单元的工作造成干扰，从而实现了自动判断合适开始启动短路故障检测的功能。