CN104659757A - 一种igbt过压保护电路及一种igbt过压保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT过压保护电路及一种IGBT过压保护方法，其中IGBT过压保护电路包括IGBT、驱动电源、集电极过压保护电路和驱动控制电路，其中驱动电源与IGBT的门极相连；集电极过压保护电路用于监测IGBT的集电极的电压，当IGBT的集电极的电压超过预定值时，集电极过压保护电路将过压信号传输给驱动控制电路，并传输电流使IGBT的门极电位上升以抑制IGBT集电极电压的上升；驱动控制电路在接收到所述过压信号时中止IGBT的关断。由于在本发明提供的IGBT过压保护电路产生过压保护时还通过驱动控制电路来控制停止IGBT的关断，使得IGBT门极充电的电流需求较小，大大缩短了过压保护的响应时间，更加及时的保护IGBT。

Description

一种IGBT过压保护电路及一种IGBT过压保护方法

技术领域

本发明涉及IGBT技术领域，尤其涉及一种IGBT过压保护电路及一种IGBT过压保护方法。

背景技术

IGBT广泛应用于新型的电力电子变换领域，光伏、风力发电、变频、电动汽车等热门行业都能见到IGBT在其中发挥非常重要的作用。在工作过程中，IGBT在开通和关断中不断地切换，IGBT失效主要是由于过流及过压两种原因引起；IGBT过流会引起IGBT芯片内部温度升高，当温度超过芯片内部结温的承受范围，则会发生PN结击穿，导致IGBT失效。目前实际使用中，由于针对IGBT器件都会有过流及短路保护电路，所以一般情况下IGBT都不会因为过流而直接导致IGBT器件失效。而由于IGBT本身是电压敏感型器件，一旦电压超过芯片承受电压，则IGBT就会击穿失效。根据统计，IGBT器件失效占市场返修产品的50％以上，而过压导致的IGBT失效，占IGBT器件失效的75％以上；绝大部分IGBT失效都是因为IGBT承受了超过器件本身承受的电压所致。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种IGBT过压保护电路及一种IGBT过压保护方法，能够准确地监测IGBT的集电极电压，并通过设定预定值来对IGBT的集电极电压进行有效的箝位，从而避免IGBT过压击穿，达到保护IGBT的效果。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种IGBT过压保护电路，包括IGBT、驱动电源、集电极过压保护电路和驱动控制电路，所述驱动电源与所述IGBT的门极相连，所述集电极过压保护电路用于监测所述IGBT的集电极的电压，当所述IGBT的集电极的电压超过预定值时，所述集电极过压保护电路将过压信号传输给所述驱动控制电路，并传输电流使所述IGBT的门极电位上升以抑制IGBT集电极电压的上升；所述驱动控制电路在接收到所述过压信号时中止所述IGBT的关断。

优选地，所述集电极过压保护电路包括TVS管，所述TVS管的负极与所述IGBT的集电极相连，所述TVS管的正极与所述驱动控制电路相连，所述TVS管的正极还与所述IGBT的门极相连。

优选地，所述集电极过压保护电路还包括第一二极管，所述第一二极管的正极与所述IGBT的门极相连，所述第一二极管的负极与所述驱动电源相连。

优选地，所述集电极过压保护电路还包括第二电阻、第三电阻、第二二极管和第一电容，其中：所述第二电阻连接于所述TVS管的正极和所述驱动控制电路之间，所述第一电容与所述第三电阻并联连接于所述TVS管的正极和所述第二二极管的正极之间，所述第二二极管的负极与所述IGBT的门极相连。

优选地，所述驱动控制电路包括缓冲器、或非门、第一MOS管(金属-氧化层半导体场效晶体管)和第二MOS管，其中所述缓冲器的输入端和所述或非门的第一输入端相连，所述或非门的第二输入端与所述集电极过压保护电路相连并接地；

所述第一MOS管的门极与所述缓冲器的输出端相连，所述第一MOS管的漏极与所述驱动电源相连，所述第一MOS管的源极与所述IGBT的门极相连；

所述第二MOS管的门极与所述或非门的输出端相连，所述第二MOS管的漏极与所述IGBT的门极相连，所述第二MOS管的源极接地。

优选地，所述或非门的第二输入端通过第一电阻再接地。

优选地，所述第一MOS管的源极通过第四电阻与与所述IGBT的门极连接，所述第二MOS管的漏极通过第五电阻与所述IGBT的门极连接。

优选地，所述IGBT过压保护电路还包括门极过压保护电路，所述门极过压保护电路包括双向TVS管和第六电阻，所述双向TVS管和所述第六电阻并联连接于所述IGBT的门极和发射极之间。

本发明另外还公开了一种IGBT过压保护方法，包括以下步骤：

集电极过压保护电路监测所述IGBT的集电极的电压；

当所述IGBT的集电极的电压超过预定值时，所述集电极过压保护电路将过压信号传输给所述驱动控制电路，并传输电流使所述IGBT的门极电位上升以抑制IGBT集电极电压的上升；

所述驱动控制电路接收到所述过压信号时中止所述IGBT的关断。

优选地，所述集电极过压保护电路通过TVS管监测所述IGBT的集电极的电压；当所述IGBT的集电极的电压超过所述TVS管所设置的预定值时，所述TVS管导通，所述TVS管将过压信号传输给所述驱动控制电路，并传输电流使所述IGBT的门极电位上升以抑制IGBT集电极电压的上升；所述驱动控制电路接收到所述过压信号时中止所述IGBT的关断。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明提供的IGBT过压保护电路及IGBT过压保护方法，在IGBT的集电极的电压超过预定值时，集电极过压保护电路就会传输过压信号给驱动控制电路以中止IGBT的关断，并且传输电流至IGBT的门极，使IGBT的门极电位上升，从而抑制IGBT的集电极电压上升，起到IGBT过压保护的作用；由于该过程中还通过驱动控制电路来控制停止IGBT的关断，使得IGBT门极充电的电流需求较小，大大缩短了过压保护的响应时间，更加及时的保护IGBT。

在优选的方案中，集电极过压保护电路采用TVS管进行监测IGBT的集电极的电压，当TVS管监测到IGBT的集电极电压超过预定值时，TVS管导通，并将电流一方面传输给驱动控制电路以中止IGBT的关断，另一方面传输至IGBT的门极，使IGBT的门极电位上升，从而抑制IGBT的集电极电压上升，起到IGBT过压保护的作用；由于该过程中还通过驱动控制电路来控制停止IGBT的关断，使得IGBT门极充电的电流需求较小，从而使IGBT在TVS管的额定工作点的时候就可以达到抑制其集电极电压的作用，也使得TVS管的负载要求非常小。而由于该电路中TVS管的负载要求很小，所以可以采用功率较小的TVS管，从而降低该过压保护电路的成本，有利于大批量生产和使用。

在更加优选的方案中，本发明提供的IGBT过压电路还包括门极过压保护电路，门极过压保护电路中的双向TVS管可以防止IGBT门极与发射极之间过压击穿，与双向TVS管并联的第六电阻能够防止干扰信号造成的IGBT误开通。

附图说明

图1是本发明优选实施例的IGBT过压保护电路图；

图2是本发明优选实施例的IGBT过压保护电路在IGBT关断时产生过压保护的波形图；

图3是本发明优选实施例的IGBT过压保护电路在IGBT短路保护产生过压保护的波形图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明优选实施例的IBGT过压保护电路包括IGBT、驱动电源VISO、集电极过压保护电路1、门极过压保护电路2和驱动控制电路3；其中集电极过压保护电路1用于监测IGBT的集电极的电压，一旦检测到集电极的电压超过预定值时，集电极过压保护电路1就会将过压信号传输给驱动控制电路3，使驱动控制电路3中止IGBT的关断过程，同时还会传输电流到IGBT的门极，使IGBT的门极的电位上升，从而抑制IGBT的集电极电压上升，起到IGBT过压保护的作用；门极过压保护电路2是用于在IGBT门极电压过高的时候，使IGBT的门极电压箝住；驱动控制电路3用于接收正常的IGBT的开通及关断的信号，还用于接收集电极过压保护电路1的过压信号，以控制IGBT的门极电平。

在本发明优选实施例中，集电极过压保护电路1包括TVS管D3、第二电阻R2、第三电阻R3、第一二极管D1、第二二极管D2和第一电容C1；其中TVS管D3的负极与IGBT的集电极相连，正极与第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1相连；第二电阻R2的另一端输出至驱动控制电路3；第一电容C1与第三电阻R3并联相接，第一电容C1与第三电阻R3的另一端与第二二极管D2的正极相连，第二二极管D2的负极连接至IGBT的门极；第一二极管D1的负极连接驱动电源VISO，正极连接至IGBT的门极。门极过压保护电路2包括双向TVS管D4和第六电阻R6，其中双向TVS管D4和第六电阻R6并联相接，连接于IGBT的门极和发射极之间。驱动控制电路3包括缓冲器U1、或非门U2、第一电阻R1、第四电阻R4、第五电阻R5、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2；其中缓冲器U1的输入端和或非门U2的第一输入端相连，用于接收控制IGBT的开关信号，或非门U2的第二输入端通过第一电阻R1接地，缓冲器U1、或非门U2的输出端分别与第一MOS管Q1、第二MOS管Q2的门极相连；第一MOS管Q1的漏极连接驱动电源VISO，源极通过第四电阻R4与IGBT的门极相连；第二MOS管Q2的源极接地，漏极通过第五电阻R5与IGBT的门极相连；优选缓冲器U1选用增益缓冲器。

本发明优选实施例的电路的具体工作过程为：在正常情况下(IGBT没有发生过压)，驱动控制电路3接收正常的PWM信号，控制IGBT开通和关断，第四电阻R4和第五电阻R5分别用于控制IGBT开通及关断的速度，也可分别称为开通电阻和关断电阻；第一电阻R1是下拉电阻，防止干扰信号对或非门U2的影响。第一MOS管Q1和第二MOS管Q2用于控制IGBT开通和关断；当需要IGBT开通时，第一MOS管Q1导通而第二MOS管Q2关断，使IGBT的门极电压等于驱动电源VISO，IGBT就处于开通状态；当需要IGBT关断时，第一MOS管Q1关断而第二MOS管Q2开通，使IGBT的门极电压等于GND，IGBT就处于关断状态。

在集电极过压保护电路1中，TVS管D3是用于设置预定值；在更加优选的实施例中，考虑到实际设定的电压预定值较高，一般采用多个低电压值的TVS管串联而形成TVS管D3。当IGBT的集电极电压低于预定值时，TVS管D3处于截止状态，集电极过压保护电路1不起作用。当IGBT关断时候，IGBT的集电极电压超过了TVS管D3所设置的预定值时，TVS管D3导通，则关断时产生的瞬时电流由IGBT的集电极经过TVS管D3分为两边走，一边电流会通过第二电阻R2将驱动控制电路3中的或非门U2的第二输入端置高，这样就使得第二MOS管Q2关断从而停止IGBT的关断，另一边电流还会通过第三电阻R3、第一电容C1、第二二极管D2向IGBT的门极充电，使IGBT的门极电位上升，以抑制IGBT集电极电压的上升，达到保护IGBT的效果。由于在保护IGBT的过程中，控制使得第二MOS管Q2处于关断的状态，使得IGBT的门极充电的电流需求较小，从而使IGBT可以在TVS管D3的额定工作点时就能够达到抑制其集电极电压的作用，也使得TVS管的负载要求非常小；而由于IGBT的门极充电的电流需求较小，也大大缩短了过压保护的响应时间，在本实施例中的过压保护响应时间在100ns左右，更加及时的保护IGBT。其中第一二极管D1连接在IGBT的门极与驱动电源VISO之间，可以防止IGBT门极电压过高而导致门极击穿；第二电阻R2起到限流的目的；第一电容C1提高瞬间的响应速度，第二二极管D2则防止了IGBT的门极电压比集电极电压高时(IGBT开通时)电流从门极流向集电极。

更加优选的实施例中，在门极过压保护电路2中，双向TVS管D4一般选用双向稳压值为15～18V的TVS管，可以防止门极与发射极之间的过压击穿；第六电阻R6为下拉电阻，可以防止干扰信号造成的IGBT误开通。

下面对图1所示的IGBT过压保护电路进行试验测试，测试条件为IGBT的VCE电压(集电极相对发射极间的电压)为850V，门极电阻R4＝R5＝5Ω，TVS管D3设置的预定值为1000V。图2为IGBT正常关断时候产生过压保护的波形图，图2中横坐标表示时间，且每格为400ns；曲线10为流过IGBT的电流，其中曲线10的纵坐标起始点为点A，纵坐标刻度为100A/div；曲线20为IGBT的VGE波形(门极相对于发射极的电压波形)，其中曲线20的纵坐标起始点为点B，纵坐标刻度为5V/div；曲线30为IGBT的VCE波形(集电极相对发射极的电压波形)，其中曲线30的纵坐标起始点为点C，纵坐标刻度为200V/div。从图2中可以看出，IGBT的VCE电压被限制在了1100V以下，门极电压在IGBT关断的时候有几次上升的过程就是过压保护电路进行过压保护动作的时刻。图3为IGBT短路保护发生过压保护的波形图，图3中横坐标表示时间，且每格为2μs；曲线40为流过IGBT的电流，其中曲线40的纵坐标起始点为点D，纵坐标刻度为100A/div；曲线50为IGBT的VGE波形(门极相对于发射极的电压波形)，其中曲线50的纵坐标起始点为点E，纵坐标刻度为5V/div；曲线60为IGBT的VCE波形(集电极相对发射极的电压波形)，其中曲线60的纵坐标起始点为点F，纵坐标刻度为200V/div。从图3中可以看出，IGBE的VCE电压被限制在了990V以下，由于短路时关断电流达到1700A左右，IGBT过压保护电路动作持续时间较长才将电路稳定下来。

综上所述，本发明提供的IGBT过压保护电路通过电路全方面地保护了IGBT免受过压情况而导致失效。首先集电极过压保护电路1可以实时监测IGBT的集电极是否有过压的情况发生，一旦IGBT发生过压，集电极过压保护电路1便会导通IGBT的同时通过控制驱动控制电路3中的第二MOS管Q2，使TVS管D3工作在额定工作点；与此同时，门极过压保护电路2也同时工作，防止IGBT的门极电压过高，从而防止了IGBT出现过压情况。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种IGBT过压保护电路，包括IGBT和驱动电源，所述驱动电源与所述IGBT的门极相连，其特征在于，还包括集电极过压保护电路和驱动控制电路；所述集电极过压保护电路用于监测所述IGBT的集电极的电压，当所述IGBT的集电极的电压超过预定值时，所述集电极过压保护电路将过压信号传输给所述驱动控制电路，并传输电流使所述IGBT的门极电位上升以抑制IGBT集电极电压的上升；所述驱动控制电路在接收到所述过压信号时中止所述IGBT的关断。

2.根据权利要求1所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述集电极过压保护电路包括TVS管，所述TVS管的负极与所述IGBT的集电极相连，所述TVS管的正极与所述驱动控制电路相连，所述TVS管的正极还与所述IGBT的门极相连。

3.根据权利要求2所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述集电极过压保护电路还包括第一二极管，所述第一二极管的正极与所述IGBT的门极相连，所述第一二极管的负极与所述驱动电源相连。

4.根据权利要求2所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述集电极过压保护电路还包括第二电阻、第三电阻、第二二极管和第一电容，其中：所述第二电阻连接于所述TVS管的正极和所述驱动控制电路之间，所述第一电容与所述第三电阻并联连接于所述TVS管的正极和所述第二二极管的正极之间，所述第二二极管的负极与所述IGBT的门极相连。

5.根据权利要求1所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述驱动控制电路包括缓冲器、或非门、第一MOS管和第二MOS管，其中所述缓冲器的输入端和所述或非门的第一输入端相连，所述或非门的第二输入端与所述集电极过压保护电路相连并接地；

所述第一MOS管的门极与所述缓冲器的输出端相连，所述第一MOS管的漏极与所述驱动电源相连，所述第一MOS管的源极与所述IGBT的门极相连；

所述第二MOS管的门极与所述或非门的输出端相连，所述第二MOS管的漏极与所述IGBT的门极相连，所述第二MOS管的源极接地。

6.根据权利要求5所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述或非门的第二输入端通过第一电阻再接地。

7.根据权利要求5所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述第一MOS管的源极通过第四电阻与所述IGBT的门极连接，所述第二MOS管的漏极通过第五电阻与所述IGBT的门极连接。

8.根据权利要求1至7任一项所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，还包括门极过压保护电路，所述门极过压保护电路包括双向TVS管和第六电阻，所述双向TVS管和所述第六电阻并联连接于所述IGBT的门极和发射极之间。

9.一种IGBT过压保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

集电极过压保护电路监测所述IGBT的集电极的电压；

当所述IGBT的集电极的电压超过预定值时，所述集电极过压保护电路将过压信号传输给所述驱动控制电路，并传输电流使所述IGBT的门极电位上升以抑制IGBT集电极电压的上升；

所述驱动控制电路接收到所述过压信号时中止所述IGBT的关断。

10.根据权利要求9所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述集电极过压保护电路通过TVS管监测所述IGBT的集电极的电压；当所述IGBT的集电极的电压超过所述TVS管所设置的预定值时，所述TVS管导通，所述TVS管将过压信号传输给所述驱动控制电路，并传输电流使所述IGBT的门极电位上升以抑制IGBT集电极电压的上升；所述驱动控制电路接收到所述过压信号时中止所述IGBT的关断。