CN107342755A - 一种igbt过流保护方法和装置 - Google Patents

一种igbt过流保护方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种IGBT过流保护方法和装置,该方法包括:获取待保护IGBT的当前结温和所述当前结温与集电极发射极电压集电极电流特性的对应关系;根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值。由此,可以使IGBT发生过流动作时的实际Ic更接近设定的过流保护Ic值。

Description

一种IGBT过流保护方法和装置
技术领域
本发明涉及电力设备保护技术领域,具体涉及一种IGBT过流保护方法和装置。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT),是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点,非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
生产厂家对IGBT提供的安全工作区有严格的限制条件,且IGBT承受过电流的时间仅为几微秒(SCR、GTR等器件承受过流时间为几十微秒),耐过流量小,因此使用IGBT首要注意的是过流保护。产生过流的原因大致有:晶体管或二极管损坏、控制与驱动电路故障或干扰等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、输出端对地短路与电机绝缘损坏、逆变桥的桥臂短路等。
IGBT的过流保护通常采用监测集电极发射极电压Uce实现,其原理是某一温度时IGBT的管压降,即Uce,随着IGBT的集电极电流Ic的增加而增加。如图1所示,该图为某公司的IGBT的Uce与Ic的特性曲线。对于预先设定的过流保护Ic值,模拟驱动和数字驱动通常根据Uce与Ic、温度T的特性曲线设定相应的Uce过流动作值,但是IGBT工作时的温度(一般是结温Tj)通常不是设定过流保护选定的温度,所以IGBT过流动作时的实际Ic值会与设定的过流保护Ic值存在偏差(通常会有30%左右)。通常选定的Uce与Ic的特性曲线对应的温度在90°到125°之间,所以尤其当IGBT工作环境温度较低,发生过流动作时的实际Ic值会比设定的过流保护Ic值高很多。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于,IGBT工作时的温度通常不是设定过流保护选定的温度,导致IGBT发生过流动作时的实际Ic值会与设定的过流保护Ic值存在偏差。
为了解决上述问题,本发明实施例提供了一种IGBT过流保护方法,包括:获取待保护IGBT的当前结温和所述当前结温与集电极发射极电压集电极电流特性的对应关系;根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值。
可选的,所述获取待保护IGBT的当前结温Tj包括:获取所述待保护IGBT的当前集电极发射极电压Uce;获取系统电流;根据所述系统电流计算出所述待保护IGBT的当前集电极电流有效值Ic;根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj。
可选的,所述根据所述Uce和所述Ic获取获取当前结温Tj,包括:
由公式(1)获取中间值KTj
Uce=Uce0+KTj×Ic (1);
根据所述KTj和公式(2)获取当前结温Tj
可选的,所述根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj包括:当所述Uce和所述Ic基本趋于稳定时,获取当前结温Tj。
可选的,所述根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值,包括:通过查表的方式获取所述对应的集电极发射极电压值。
本发明实施例还提供了一种IGBT过流保护装置,包括:IGBT结温获取单元,用于获取待保护IGBT的当前结温;对应关系获取单元,用于获取所述当前结温与集电极发射极电压集电极电流特性的对应关系;集电极发射极过流保护电压值获取单元,用于根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值。
可选的,在所述IGBT结温获取单元中,所述获取待保护IGBT的当前结温Tj包括:获取所述待保护IGBT的当前集电极发射极电压Uce;获取系统电流;根据所述系统电流计算出所述待保护IGBT的当前集电极电流有效值Ic;根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj。
可选的,在所述IGBT结温获取单元中,所述根据所述Uce和所述Ic获取获取当前结温Tj,包括:
由公式(1)获取中间值KTj
Uce=Uce0+KTj×Ic (1);
根据所述KTj和公式(2)获取当前结温Tj
可选的,在所述IGBT结温获取单元中,所述根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj包括:当所述Uce和所述Ic基本趋于稳定时,获取当前结温Tj。
可选的,在所述集电极发射极过流保护电压值获取单元中,所述根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值,包括:通过查表的方式获取所述对应的集电极发射极电压值。。
本发明实施例的IGBT过流保护方法和装置,通过获取IGBT的当前结温,并基于该结温设定适合当前状况的过流保护值,从而使IGBT发生过流动作时的实际Ic更接近设定的过流保护Ic值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为IGBT的特性曲线示意图;
图2为本发明实施例的一种IGBT过流保护方法的流程图;
图3为IGBT驱动器的结构示意图;
图4为根据IGBT的特性曲线获取拟合直线和Uce0的示意图;
图5为本发明实施例的一种IGBT过流保护装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参见图2,本发明实施例提供了一种IGBT过流保护方法,包括:
S21.获取待保护IGBT的当前结温Tj和所述当前结温与集电极发射极电压Uce-集电极电流Ic特性的对应关系;
具体地,结温(junction temperature,Tj)是处于电子设备中实际半导体芯片(晶圆、裸片)的中PN结的工作温度,它通常高于外壳温度和器件表面温度;对于给定的IGBT,生产厂商均会提供类似图1的Uce-Ic特性曲线,其描述了结温与Uce-Ic特性的对应关系。
S22.根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值(Ic)获取对应的集电极发射极电压Uce值作为集电极发射极过流保护电压值。
具体地,以图1为例,如果当前结温是25度,预设的过流保护Ic值是1500A,则过流保护Uce值应当为2.5V。
可选的,可以通过查表的方式获取所述对应的集电极发射极电压值。
本发明实施例的IGBT过流保护方法,通过获取IGBT的当前结温,并基于该结温设定适合当前状况的过流保护值,从而使IGBT发生过流动作时的实际Ic更接近设定的过流保护Ic值。
在一个可选的实施例中,获取待保护IGBT的当前结温Tj可以具体包括:
获取所述待保护IGBT的当前集电极发射极电压Uce;现有的大功率IGBT驱动器一般都具有导通压降Uce的测量功能,具体地是通过集成的模拟数字转换器(ADC)采集Uce;
获取系统电流;现有的大功率IGBT驱动器很少具备电流采集功能,即使具有该功能,也是推算出的大概值,如果用于保护容易造成误动作;以图3所示的IGBT驱动器为例,该IGBT驱动器包括由4个IGBT组成的IGBT模组,该IGBT模组连接在两条系统母线之间,且与阀基控制设备相连,以在IGBT模组和阀基控制设备间进行触发指令、驱动电流、状态回报等信息的传递,该阀基控制设备还与系统控制层相连,以在阀基控制设备和系统控制层之间进行控制信息和状态反馈等信息的传递,系统控制保护层还与系统母线相连,以获取包括系统电流在内的系统各状态量参数,本实施例可以通过系统控制保护层采集系统电流;
根据所述系统电流计算出所述待保护IGBT的当前集电极电流有效值Ic;仍然以图3所示的IGBT驱动器为例,本实施例可以通过系统控制保护层计算出每只IGBT流通的电流有效值,该系统控制保护层可以包括相应的处理器和存储器,该存储器存储有电流有效值计算程序,以使得该处理器可以根据该存储器存储的电流有效值计算程序计算出电流有效值;
根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj;优选地,当所述Uce和所述Ic基本趋于稳定时,再计算当前结温Tj,以此提高计算结果的可靠性。以图3所示的IGBT驱动器为例,当系统控制保护层计算出每只IGBT流通的电流有效值Ic后,将Ic发送至阀基控制设备,阀基控制设备根据该Ic值和自身采集到的Uce计算出当前IGBT工作时的结温;可选的,阀基控制设备还可以计算出的结温反馈给中央控制保护系统,用于监控IGBT是否出现过温。具体地,根据Uce和Ic计算当前结温Tj,参见图4,可以包括以下步骤:
由公式(1)获取中间值KTj
Uce=Uce0+KTj×Ic (1);
其中,Uceo是根据厂商提供的特性曲线进行线性拟合,获取的导通电压,以图4为例,分别将结温为25度和125度的特性曲线进行线性拟合获得两条拟合直线,两条拟合直线相交于Uce轴,交点即为Uceo;
根据所述KTj和公式(2)获取当前结温Tj
其中,仍以图4为例,T1是25,T2是125,对应结温为25度时的拟合直线的斜率为K25,对应结温为125度时的拟合直线的斜率是K125,则根据已知的T1、T2、KT1、KT2和KTj,以及公式(2),就可以求出当前结温Tj。
请参见图5,本发明实施例提供了一种IGBT过流保护装置,包括:
IGBT结温获取单元51,用于获取待保护IGBT的当前结温;
对应关系获取单元52,用于获取所述当前结温与集电极发射极电压集电极电流特性的对应关系;
集电极发射极过流保护电压值获取单元53,用于根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值。
本发明实施例的IGBT过流保护装置,通过IGBT结温获取单元获取IGBT的当前结温,并基于该结温通过对应关系获取单元和集电极发射极过流保护电压值获取单元设定适合当前状况的过流保护值,从而使IGBT发生过流动作时的实际Ic更接近设定的过流保护Ic值。
可选的,在所述IGBT结温获取单元中,所述获取待保护IGBT的当前结温Tj包括:
获取所述待保护IGBT的当前集电极发射极电压Uce
获取系统电流;
根据所述系统电流计算出所述待保护IGBT的当前集电极电流有效值Ic
根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj。
可选的,在所述IGBT结温获取单元中,所述根据所述Uce和所述Ic获取获取当前结温Tj,包括:
由公式(1)获取中间值KTj
Uce=Uce0+KTj×Ic (1);
根据所述KTj和公式(2)获取当前结温Tj
可选的,在所述IGBT结温获取单元中,所述根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj包括:当所述Uce和所述Ic基本趋于稳定时,获取当前结温Tj。
可选的,在所述集电极发射极过流保护电压值获取单元中,所述根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值,包括:通过查表的方式获取所述对应的集电极发射极电压值。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种IGBT过流保护方法,其特征在于,包括:
获取待保护IGBT的当前结温和所述当前结温与集电极发射极电压集电极电流特性的对应关系;
根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述获取待保护IGBT的当前结温Tj包括:
获取所述待保护IGBT的当前集电极发射极电压Uce
获取系统电流;
根据所述系统电流计算出所述待保护IGBT的当前集电极电流有效值Ic
根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述根据所述Uce和所述Ic获取获取当前结温Tj,包括
由公式(1)获取中间值KTj
Uce=Uce0+KTj×Ic (1);
根据所述KTj和公式(2)获取当前结温Tj
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mi>j</mi> <mo>-</mo> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
4.根据权利要求2或3所述的方法,其特征在于,所述根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj包括:当所述Uce和所述Ic基本趋于稳定时,获取当前结温Tj。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于,所述根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值,包括:通过查表的方式获取所述对应的集电极发射极电压值。
6.一种IGBT过流保护装置,其特征在于,包括:
IGBT结温获取单元,用于获取待保护IGBT的当前结温;
对应关系获取单元,用于获取所述当前结温与集电极发射极电压集电极电流特性的对应关系;
集电极发射极过流保护电压值获取单元,用于根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,在所述IGBT结温获取单元中,所述获取待保护IGBT的当前结温Tj包括:
获取所述待保护IGBT的当前集电极发射极电压Uce
获取系统电流;
根据所述系统电流计算出所述待保护IGBT的当前集电极电流有效值Ic
根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,在所述IGBT结温获取单元中,所述根据所述Uce和所述Ic获取获取当前结温Tj,包括:
由公式(1)获取中间值KTj
Uce=Uce0+KTj×Ic (1);
根据所述KTj和公式(2)获取当前结温Tj
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mi>j</mi> <mo>-</mo> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
9.根据权利要求7或8所述的装置,其特征在于,在所述IGBT结温获取单元中,所述根据所述Uce和所述Ic获取当前结温Tj包括:当所述Uce和所述Ic基本趋于稳定时,获取当前结温Tj。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的装置,其特征在于,在所述集电极发射极过流保护电压值获取单元中,所述根据所述对应关系,通过预设的集电极过流保护电流值获取对应的集电极发射极电压值作为集电极发射极过流保护电压值,包括:通过查表的方式获取所述对应的集电极发射极电压值。
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