CN109342911A - 一种基于积分器的igbt短路检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于积分器的IGBT短路检测装置及方法，当IGBT发生短路的同时伴随退饱和现象，通过监测IGBT集射极电压的变化能够鉴别其正常开通和短路故障；现有方法必须等待IGBT退饱和之后进行短路判断。本发明引入积分电路对集射极电压进行积分累积，能够在IGBT发生短路时，在IGBT退饱和之前检出短路故障，从而显著减小短路检测延时。本发明提出的短路检测方法由输入级减法器、中间级积分器和输出级比较器三部分构成，检测电路基于硬件实现，结构简单、易于实现、检出速度快、抗干扰性能强。本方法对IGBT及应用系统参数依赖性小、可靠性高，能快速准确检测出IGBT的短路故障。

Description

一种基于积分器的IGBT短路检测装置及方法

技术领域

本发明属于工业自动化领域，具体涉及一种针对功率变流器驱动系统中IGBT短路检测装置及方法。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)融合了大功率晶体管(GTR)和绝缘栅场效应管(MOSFET)的优势，能够承受较高的电压和较大的电流，且能工作在较高的开关频率，广泛地应用于各种功率变流器如UPS以及电机驱动产品。在功率变换器系统中，短路类型主要有桥臂短路、相间短路和接地短路。根据这三种短路类型，IGBT短路可分为I类短路和II类短路。IGBT应用的一个关键问题是短路检测，大量文献提出了各种短路检测方案。IGBT短路检测方法主要分为两类，即集电极C与发射极E压降uCE检测法和diC/dt检测方法。

第一种uCE检测方法的原理是当IGBT发生短路的同时伴随退饱和现象，可以通过在C极串联二极管检测IGBT集射极电压uCE，然后与设定阈值进行比较来判断短路故障。只需要若干个高反向耐压值的二极管和一个比较器，硬件结构简单、实用性强，在工程实践中的应用最为广泛。但是，该短路检测方法必须等到IGBT退饱和时才能检测到短路故障。另外，由于IGBT关断时串联二极管检测uCE电压与IGBT开通发生短路故障时的uCE电压相同，因此，uCE检测方案需要区分IGBT开通和关断的工作状态。现有文献一般采用软件区分方法，通过增加额外的微处理器如CPLD、FPGA等，基于pwm信号电平来识别IGBT的开关状态，从而避免IGBT关断时的误检测。采用软件辨识方法检测短路速度较慢，而且需要引入较长时间的滤波以保证检测的可靠性。

第二种diC/dt检测方法的原理是当IGBT发生短路故障时集电极电流变化率diC/dt很大，IGBT的E极和PE极之间存在寄生电感，可以通过检测发射极E和功率发射极PE之间的压降upe来判断短路故障。diC/dt检测方案的缺点是当回路中存在一定量的电感时(部分II类短路)，iC直线升高且diC/dt远小于I类短路时的diC/dt，此时，upe变化不够显著而不能通过diC/dt方案检测到短路故障。因此，diC/dt检测方案的应用范围受到限制，只能针对于I类短路和部分II类短路故障。

发明内容

本发明针对功率变流器驱动系统中IGBT短路检测问题，以及现有的基于集射极电压检测方案存在的不足，提出了一种基于积分器的IGBT短路检测装置及方法；该短路检测方案全部由硬件实现，结构简单、检测速度快、可靠性高。

本发明提供了一种基于积分器的IGBT短路检测装置，包括：减法器、积分器和比较器；所述减法器的正输入端连接输入参考电压值ref_in，负输入端连接集射极检测电压ucesat，所述减法器用于调整后级积分器输入电压的范围；所述积分器的输入端连接至所述减法器的输出端，所述积分器用于累积集射极电压，从而提前鉴别短路故障；所述比较器的反向输入端连接至所述积分器的输出端，正输入端连接给定的短路检出电压阈值ref_cmp，负输入端连接所述积分器的输出端，所述比较器用于输出反映IGBT是否产生短路的逻辑电平；所述积分器用于对集射极检测电压ucesat进行累积并进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。

其中，所述积分器包括：清零电路；当pwm脉冲为0时驱动IGBT关断，所述清零电路使得所述积分器的输出为零，以避免发生误检测；当pwm脉冲为1时驱动IGBT开通，所述清零电路关闭，积分器对集射极检测电压ucesat进行累积并进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。

更进一步地，所述输入参考电压值ref_in和所述短路检出电压阈值ref_cmp均可调节，输入级参考电压调整使得与具体的IGBT型号的电气特性匹配；输出级参考电压调整以获得所需要的短路检出阈值。

本发明还提供了一种基于权利要求1所述的IGBT短路检测装置实现短路检测的方法，包括下述步骤：当pwm脉冲为1且驱动IGBT开通并发生短路时，关闭清零电路，积分器对集射极电压uCE进行累积并迅速进入稳态；集射极检测电压ucesat升高至+15V，达到输入动作阈值，输入级减法器输出-10V，中间级积分器输出正饱和状态+15V；输出级比较器达到比较动作阈值，输出负饱和状态-15V，检测结果为“短路故障”。

其中，还包括下述步骤：

当pwm脉冲为0时驱动IGBT关断，积分器输出为零，输出级比较器没有达到比较动作阈值，输出正饱和状态+15V，检测结果为“正常运行”；

当pwm脉冲为1且驱动IGBT正常开通时，积分器对集射极电压uCE进行累积并进入稳态；集射极检测电压ucesat没有达到输入动作阈值，输入级减法器输出+1V，中间级积分器输出负饱和状态-15V；输出级比较器没有达到比较动作阈值，输出正饱和状态+15V，检测结果为“正常运行”。

本发明的技术效果体现在：

(1)根据IGBT特性，通过监测IGBT集射极电压uCE的变化来鉴别其正常开通和短路开通工况，本发明提出的IGBT短路检测方案有效可行，而且灵敏度高、可靠性高。

(2)本发明提出的IGBT短路检测方法通过引入积分器对集射极电压uCE进行累积，当IGBT发生短路故障时，在IGBT退饱和之前CE电压缓慢上升的过程中即可检出故障，对比已有方法，本发明方法能够显著减小IGBT短路检测延时。

(3)本发明检测方法的电路全部采用硬件实现，积分器增加清零电路，IGBT关断时，启用积分清零功能以避免发生误检测；IGBT开通时，关闭积分清零电路，积分器对集射极检测电压ucesat进行累积并迅速进入饱和状态，从而快速识别是否发生短路故障。积分电路结构及控制方法简单，易于实现，短路检出速度快，抗干扰性能强。

(4)本发明检测方法的硬件电路输入和输出的检测阈值均可调，对IGBT及应用系统参数依赖性小、适用性强。

附图说明

图1为IGBT的内部结构断面示意图。

图2为IGBT输出特性曲线。

图3为基于积分器的IGBT短路检测方法的原理图。

图4为基于积分器的IGBT短路检测方法的硬件电路图。

图5为本发明方法硬件电路仿真输入、输出等信号波形图。

图6为IGBT短路测试实验平台主电路结构图。

图7为基于本发明方法的IGBT短路实验波形。

具体实施方式

本发明基于监测IGBT集射极电压uCE的变化来鉴别其正常开通和短路开通工况。通过对IGBT在发生短路时的动态过程分析，提出了一种基于积分器的IGBT短路检测方法。在IGBT开通过程中在输入级对uCE进行偏移量处理后进行积分运算，在IGBT关断时对积分量清零。经过短暂的盲区时间之后，如果检测到积分量高于设定短路检测阈值即判断为短路故障。通过引入积分器对uCE进行累积作用，能够在IGBT短路时退饱和之前检测出短路故障。本发明提出的短路检测方案全部由硬件实现，结构简单、抗干扰性强，并且在检测I类、II类短路时都具有很好的快速性。

本发明提出的IGBT短路检测方案的原理是当IGBT发生短路的同时伴随退饱和现象，即当集电极电流iC超过额定电流时，电导调制效应开始失效，集射极电压uCE开始缓慢升高，在饱和区内，集射极电压uCE随着集电极电流iC升高而增大。发生I类短路故障时，IGBT不会进入饱和区，集射极电压uCE保持为较大的值。发生II类短路故障时，IGBT先进入饱和区，集电极电流iC和集射极电压uCE同时增大；当集电极电流iC升高至额定电流的4～5倍后IGBT开始退饱和，集射极电压uCE迅速升高。通过IGBT的C极串联二极管检测集射极电压uCE，检测得到的电压为ucesat。IGBT关断时，C极串联二极管反向截止，则ucesat为+15V。IGBT在正常导通时CE之间的压降为+2.5V左右，C极串联二极管正向导通约1.4V左右的压降，正常开通时ucesat电压值约+4V。短路开通时，由于电导调制效应，CE极电压升高，串联二极管反向截止，ucesat为+15V。因此，当IGBT开通时对ucesat进行积分运算，当ucesat积分量升高大于设定阈值时即判断出现短路故障。

本发明提出的IGBT短路检测电路包括输入级减法器、中间级积分器、输出级比较器三部分构成。在IGBT发生短路时CE极电压缓慢升高的阶段，引入积分器对集射极电压uCE进行累积，使得IGBT短路时退饱和之前即可检出短路故障，从而显著减小短路检测延时。另外，积分器增加清零电路，根据pwm脉冲动态调节，当pwm＝0驱动IGBT关断时，启用积分器清零电路使得中间级积分器输出为零，以避免发生误检测；当pwm＝1驱动IGBT开通时，关闭清零电路，积分器对集射极检测电压ucesat进行累积并迅速进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。

本发明提出的IGBT短路检测方法完全由硬件电路构成，积分器的积分清零电路由开关管和与之串联的电阻构成，通过控制开关管的开通和关断来控制积分清零回路是否作用于积分器。其中，开关管控制信号由pwm取反获得。因此，电路结构及控制逻辑简单，易于实现。另外，输入级减法器和输出级比较器部分的参考电压均可调节，输入级参考电压调整使得与具体的IGBT型号的电气特性匹配；输出级参考电压调整以获得所需要的短路检出阈值。

下面结合附图来对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为IGBT的内部结构断面示意图，图2为IGBT输出特性曲线。当IGBT的栅极G和发射极E之间加正向电压后，PN结J3导通。漂移区中的P区多子空穴通过扩散运动流进N+中，由于N+电子参杂浓度很高，P区中的参杂浓度很低，故扩散运动后P区中的空穴大部分流进N+区，并且N-中的少子空穴也流进N+区，使得PN结J2导通。如果CE间有正电压，PN结J1也正向导通，IGBT处于通态状态。当集电极电流iC增加时，由注入区P+注入并积累在漂移区N-中空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性，N-中的多子浓度也相应大幅增加，电阻率明显下降，即电导调制效应。当集电极电流iC在额定电流内增加时，由于电导调制效应，IGBT的通态压降几乎保持不变。当集电极电流iC继续增大时，注入区P+中的多子已经大部分流进了漂移区，电导调制效应开始失效，IGBT的通态压降开始慢慢升高。一旦注入区P+中的多子全部流进漂移区，集射极电压uCE迅速升高，IGBT退饱和。通过图2的IGBT的输出特性曲线可以观察到，在饱和区内集射极电压uCE随着集电极电流iC升高而增大。

图3为基于积分器的IGBT短路检测方法的原理图。检测电路包括输入级减法器、中间级积分器、输出级比较器三部分构成。其中，减法器和积分器均由常规运算放大器(如TL081)及基本的电阻、电容构成，减法器正输入端连接给定的输入参考电压值ref_in，负输入端连接检测信号。输出级比较器同样由常规比较器(如LM2903D)和输入电阻构成，正输入端连接给定的短路检出电压阈值ref_cmp，负输入端连接检测信号。

另外，积分器增加额外的清零电路，根据IGBT驱动pwm脉冲动态调节：当pwm＝0驱动IGBT关断时，启用积分器清零电路使得中间级积分器输出为零，以避免发生误检测；当pwm＝1驱动IGBT开通时，关闭清零电路，积分器对集射极检测电压ucesat进行累积并迅速进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。输入级减法器和输出级比较器部分的参考电压ref_in和ref_cmp均可调节，本发明提出的基于积分器的IGBT短路检测方法的工作原理如表1所示，其中，u1为输入级减法器输出电压；u2为中间级积分器输出电压；error为输出级比较器输出的短路故障标志，低电平表示检出短路故障。

表1基于积分器的IGBT短路检测方法工作原理

本发明提出的IGBT短路检测方法完全由硬件电路构成，图4为基于积分器的IGBT短路检测方法的硬件电路图。电路参数及工作原理如下所示：

(1)输入级减法器：

输入：ucesat，输出：u1；电阻：R2＝R3＝R4＝R5＝10kΩ；参考电压：ref_in＝+5.0V；传递特性：u1＝-ucesat。

(2)中间级积分器：

输入：u1，输出：u2；电阻：R6＝R8＝R9＝10kΩ，R7＝1.0kΩ；电容：C1＝22pF，C2＝50pF；pwm盲区延时3τ＝1.5us，τ＝R9*C2＝0.5us；开关管Q：数字开关管；Q开通：R7接入，启用积分清零功能；Q关断：R7开路，关闭清零功能；传递特性：Q开通：u2＝0；Q关断：u2＝-u1*(τs)^-1，τ＝R6*C1＝0.22us。

(3)输出级比较器：

输入：u2，输出：error；电阻：R10＝R11＝R12＝10kΩ；参考电压：ref_cmp＝+7.5V；传递特性：error低电平-15V代表检出短路故障。

中间级积分器增加由开关管和与之串联的电阻构成的积分清零回路，通过控制开关管的开通和关断来控制清零回路是否作用于积分器。其中，开关管Q控制信号由pwm取反获得，电路结构及控制逻辑简单，易于实现。输入级减法器和输出级比较器部分的参考电压为ref_in＝+5.0V和ref_cmp＝+7.5V，均可调节。输入级参考电压调整使得与具体的IGBT型号的电气特性匹配；输出级参考电压调整以获得所需要的短路检出阈值。

图5为本发明方法硬件电路仿真输入、输出等信号波形图。仿真基于Multisim软件实现，四条曲线从上至下依次为集射极检测电压ucesat，输入级输出电压u1，中间级积分器输出电压u2，以及输出级比较器输出的短路故障标志error。由图5可知，IGBT正常开通、关断时error信号维持高电平，开关管Q经过盲区时间后动作，盲区时间约为1.5us。IGBT短路开通时，error信号检测结果为低电平，即检出短路故障。总的检测延时约为3us，盲区延时包含在总的检测延时中。因此，本发明提出的IGBT短路检测方法的短路检测延时为3us，短路检测速度非常快。

实施例：

本发明提出的基于积分器的IGBT短路检测方法性能优异，应用广泛。下面以基于IGBT短路测试实验平台为例说明其具体实验结果。图6为基于本发明提出的短路检测方法的IGBT短路测试实验平台主电路结构图。实验使用1200V、200A等级的IGBT，其型号为FF200R12KT4(双管)。如图6所示，双管IGBT的上管驱动电压给定为-15V，即恒关断；下管进行短路测试，使用本发明方法提出的IGBT短路检测方法。主回路中采用3uH电感以模拟IGBT短路工况。实验中直流母线电压给定为600VDC，短路实验时，先闭合手动开关K对支撑电容Cdc充电，充电完成后断开K。然后开通下管IGBT，检测到短路后关断pwm驱动脉冲。

图7为基于本发明提出的短路检测方法的IGBT短路实验输出的电压、电流波形。其中，三条曲线依次为IGBT集射极电压uCE，IGBT栅极驱动电压uGE，以及IGBT输出电流iC。IGBT开通后输出电流iC迅速增大，在iC超过额定电流200A以后，uCE开始升高。ucesat为IGBT的集电极电压uCE经两个串联二极管后得到的集射极检测电压，短路检测电路对ucesat进行积分运算，如图7所示，在IGBT退饱和之前积分量已经开始累积，本发明提出的检测方法在IGBT退饱和之前就检测到短路故障。由以上结果可知，本发明基于积分器的IGBT短路检测方法运行良好，短路检测速度快，算法性能优异。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于积分器的IGBT短路检测装置，其特征在于，包括：减法器、积分器和比较器；

所述减法器的正输入端连接输入参考电压值，负输入端连接集射极电压，所述减法器用于调整后级积分器输入电压的范围；

所述积分器的输入端连接至所述减法器的输出端，所述积分器用于累积集射极电压，从而提前鉴别短路故障；

所述比较器的反向输入端连接至所述积分器的输出端，正输入端连接给定的短路检出电压阈值，负输入端连接所述积分器的输出端，所述比较器用于输出反映IGBT是否产生短路的逻辑电平；

所述积分器用于对集射极电压进行累积并进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。

2.如权利要求1所述的IGBT短路检测装置，其特征在于，所述积分器包括：清零电路；当pwm脉冲为0时驱动IGBT关断，所述清零电路使得所述积分器的输出为零，以避免发生误检测；当pwm脉冲为1时驱动IGBT开通，所述清零电路关闭，积分器对集射极检测电压ucesat进行累积并进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。

3.如权利要求1所述的IGBT短路检测装置，其特征在于，所述输入参考电压值和所述短路检出电压阈值均可调节，输入级参考电压调整使得与具体的IGBT型号的电气特性匹配；输出级参考电压调整以获得所需要的短路检出阈值。

4.一种基于权利要求1所述的IGBT短路检测装置实现短路检测的方法，其特征在于，包括下述步骤：

当pwm脉冲为1且驱动IGBT开通并发生短路时，关闭清零电路，积分器对集射极电压uCE进行累积并迅速进入稳态；集射极检测电压ucesat 升高至+15V，达到输入动作阈值，输入级减法器输出-10V，中间级积分器输出正饱和状态+15V；输出级比较器达到比较动作阈值，输出负饱和状态-15V，检测结果为“短路故障”。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

当pwm脉冲为0时驱动IGBT关断，积分器输出为零，输出级比较器没有达到比较动作阈值，输出正饱和状态+15V，检测结果为“正常运行”。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

当pwm脉冲为1且驱动IGBT正常开通时，积分器对集射极电压uCE进行累积并进入稳态；集射极检测电压ucesat没有达到输入动作阈值，输入级减法器输出+1V，中间级积分器输出负饱和状态-15V；输出级比较器没有达到比较动作阈值，输出正饱和状态+15V，检测结果为“正常运行”。