CN109361383A - 一种基于半导体模块驱动的电流保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种基于半导体模块驱动的电流保护装置，该电流保护装置包括：磁感应线圈、信号调理电路、逻辑电路和半导体模块驱动电路；磁感应线圈感应半导体功率半桥模块的电流变化率信号，并输出感应电压信号至信号调理电路；信号调理电路判断半导体功率半桥模块是否存在故障，当存在故障时，输出故障信号至逻辑电路；逻辑电路对故障信号进行数字滤波，当故障信号的持续时间大于预设时间阈值时，输出关断信号至半导体模块驱动电路；半导体模块驱动电路驱动半导体功率半桥模块的开关管关断。本发明实施例提供的电流保护装置能够避免在极端温度环境下造成误保护或保护失效，且不会增加故障检测延迟。

Description

一种基于半导体模块驱动的电流保护装置
技术领域
本发明涉及电流保护领域，具体涉及一种基于半导体模块驱动的电流保护装置。
背景技术
电流保护技术是半导体模块驱动中重要的组成部分，对于电力电子设备的安全可靠运行具有重要的意义。驱动级别的电流保护技术主要有短路保护和di/dt保护。短路保护主要是在短路情况下开关管电流剧增时对于开关管的快速保护，关断开关管以保证开关管不被热击穿以及保护主电路的其他部分不受大电流的影响，di/dt保护主要是在电流变化率较大时对开关管关断，预防电流过大，对开关管造成损伤。无论是短路保护还是di/dt保护都需要检测电路能够快速检测到故障，得到故障信号之后再通过逻辑处理部分将驱动脉冲封锁。因此检测电路非常关键，能否检测到故障状态的准确性和快速性涉及到保护电路的可靠性，同样关系到电力电子设备的安全可靠运行。
现有的电流保护主要采用漏源极电压检测方案，利用SiC MOSFET(碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管)恒阻特性(或IGBT模块的饱和特性)，漏源极电压和漏源极电流的关系接近线性，通过检测漏源极电压即可反映出通过漏源极的电流，当漏源极电流增大时，漏源极电压也会相应的升高(对于IGBT模块而已，当电流增大时模块趋于饱和，电压趋于饱和压降)，但是由于开关管的漏源极电压受温度的影响较大，所以该方式受温度的影响较大，在极端温度环境下会造成误保护或保护失效。由于开关管开关过程的影响，该方式还必须设置盲区时间去避免在开关管开通时误保护，但是设置盲区时间就会使得检测到故障状态的时间推迟，减弱电流保护方案的快速性，另外这种方式在实际工程应用时由于阈值设定比较低，容易受到干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提出了一种基于半导体模块驱动的电流保护装置，用以解决现有的电流保护方案受温度影响较大、易受干扰且需要设置盲区的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
根据第一方面，本发明实施例提供了一种基于半导体模块驱动的电流保护装置，所述电流保护装置包括：磁感应线圈、信号调理电路、逻辑电路和半导体模块驱动电路；所述磁感应线圈感应半导体功率半桥模块的电流变化率信号，并输出感应电压信号至所述信号调理电路；所述信号调理电路判断所述半导体功率半桥模块是否存在故障，当存在故障时，输出故障信号至所述逻辑电路；所述逻辑电路对所述故障信号进行数字滤波，当所述故障信号的持续时间大于预设时间阈值时，输出关断信号至所述半导体模块驱动电路；所述半导体模块驱动电路驱动所述半导体功率半桥模块的开关管关断。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述磁感应线圈的数量为两个，分别设置于所述半导体功率半桥模块中上管的漏极线路和所述下管的源极线路。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，各所述磁感应线圈后级均连接有第一信号调理电路、第二信号调理电路、逻辑电路和半导体模块驱动电路。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述第一信号调理电路包括：积分电路和第一比较器电路；所述积分电路对所述感应电压信号进行积分，得到积分后的电压信号，并将所述积分后的电压信号输出至所述第一比较器电路；所述第一比较器电路将所述积分后的电压信号的电压值与第一预设阈值进行比较，当所述积分后的电压信号大于所述第一预设阈值时，输出所述故障信号至所述逻辑电路。
结合第一方面第三实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述积分电路包括：第一电阻、第二电阻、运算放大器、第一电容和复位开关，所述第一比较器电路包括：第一比较器；所述磁感应线圈的一端通过第一电阻连接所述运算放大器的反向输入端，另一端接地；所述第二电阻的一端连接所述运算放大器的正向输入端，另一端接地；所述第一电容和复位开关均并联于所述运算放大器的反向输入端和所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的输出端连接所述第一比较器的同向输入端；所述第一比较器的输出端连接所述逻辑电路的输入端。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第五实施方式中，所述第二信号调理电路包括：第二比较器电路；所述第二比较器电路将所述感应电压信号的电压值与第二预设阈值进行比较，当所述感应电压信号的电压值大于所述第二预设阈值时，输出所述故障信号至所述逻辑电路。
结合第一方面第五实施方式，在第一方面第六实施方式中，所述第二比较器电路包括：第二比较器；所述磁感应线圈的一端连接所述第二比较器的同向输入端，另一端接地；所述第二比较器的输出端连接所述逻辑电路的输入端。
结合第一方面或第一方面第一实施方式至第一方面第六实施方式中任一实施方式，在第一方面第七实施方式中，所述磁感应线圈为PCB罗氏线圈。
本发明技术方案，与现有技术相比，至少具有如下优点：
本发明实施例提供了一种基于半导体模块驱动的电流保护装置，该电流保护装置通过磁感应线圈感应半导体功率半桥模块的电流变化率信号，并输出感应电压信号至信号调理电路，通过信号调理电路判断半导体功率半桥模块是否存在故障，当存在故障时，输出故障信号至逻辑电路，通过逻辑电路对故障信号进行数字滤波，当故障信号的持续时间大于预设时间阈值时，输出关断信号至半导体模块驱动电路，通过半导体模块驱动电路驱动半导体功率半桥模块的开关管关断。本发明实施例提供的电流保护装置无需检测开关管漏源极电压，从而不受温度影响且不易受干扰，能够避免在极端温度环境下造成误保护或保护失效，也无需设置盲区时间去避免在开关管开通时误保护，从而不会增加故障检测延迟。
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为本发明实施例中基于半导体模块驱动的电流保护装置的一个具体示例的原理框图；
图2为本发明实施例中基于半导体模块驱动的电流保护装置与半导体功率半桥模块安装位置的一个具体示例的示意图；
图3为本发明实施例中基于半导体模块驱动的电流保护装置短路/过流保护(第一信号调理电路)的一个具体示例的示意图；
图4为本发明实施例中基于半导体模块驱动的电流保护装置电流变化率保护(第二信号调理电路)的一个具体示例的示意图；
图5为本发明实施例中磁感应线圈绘制的一个具体示例的示意图；
图6为本发明实施例中基于半导体模块驱动的电流保护装置的实现过程的一个具体示例的流程图。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供了一种基于半导体模块驱动的电流保护装置，如图1所示，该电流保护装置包括：磁感应线圈1、信号调理电路2、逻辑电路3和半导体模块驱动电路4；磁感应线圈1感应半导体功率半桥模块的电流变化率信号，并输出感应电压信号至信号调理电路2；信号调理电路2判断半导体功率半桥模块是否存在故障，当存在故障时，输出故障信号至逻辑电路3；逻辑电路3对故障信号进行数字滤波，当故障信号的持续时间大于预设时间阈值时，输出关断信号至半导体模块驱动电路4；半导体模块驱动电路4驱动半导体功率半桥模块的开关管关断。
本发明实施例提供的基于半导体模块驱动的电流保护装置通过磁感应线圈感应半导体功率半桥模块的电流变化率信号，并输出感应电压信号至信号调理电路，通过信号调理电路判断半导体功率半桥模块是否存在故障，当存在故障时，输出故障信号至逻辑电路，通过逻辑电路对故障信号进行数字滤波，当故障信号的持续时间大于预设时间阈值时，输出关断信号至半导体模块驱动电路，通过半导体模块驱动电路驱动半导体功率半桥模块的开关管关断。本发明实施例提供的电流保护装置无需检测开关管漏源极电压，从而不受温度影响且不易受干扰，能够避免在极端温度环境下造成误保护或保护失效，也无需设置盲区时间去避免在开关管开通时误保护，从而不会增加故障检测延迟。
需要说明的是，上述预设时间阈值可以根据需要和经验进行合理设定，设定方法可以是采用现有技术中的方法，本发明不做限定。
在一具体实施例中，如图2所示，上述半导体功率半桥模块包括：上管和下管，上管和下管相互串联。磁感应线圈为两个，分别设置于半导体功率半桥模块中上管的漏极线路和下管的源极线路。各磁感应线圈后级均连接有第一信号调理电路、第二信号调理电路、逻辑电路和半导体模块驱动电路，半导体模块驱动电路连接半导体功率半桥模块。
在本发明的一个具体实施例中，上述第一信号调理电路2包括：积分电路和第一比较器电路，积分电路对感应电压信号进行积分，得到积分后的电压信号，并将积分后的电压信号输出至第一比较器电路，第一比较器电路将积分后的电压信号的电压值与第一预设阈值Vref1进行比较，当积分后的电压信号大于第一预设阈值时，输出故障信号至逻辑电路3。采用该第一信号调理电路2可以实现短路/过流保护，当逻辑电路3输出关断信号至半导体模块驱动电路4，会使半导体功率半桥模块的栅源极电压降为负压，形成关断，以达到保护的目的。
如图3所示，上述积分电路可以包括：第一电阻R1、第二电阻R2、运算放大器O、第一电容C1和复位开关S1，第一比较器电路包括：第一比较器VC1；磁感应线圈1的一端通过第一电阻R1连接运算放大器O的反向输入端，另一端接地G；第二电阻R2的一端连接运算放大器O的正向输入端，另一端接地G；第一电容C1和复位开关S1均并联于运算放大器O的反向输入端和运算放大器O的输出端；运算放大器O的输出端连接第一比较器VC1的同向输入端；第一比较器VC1的输出端连接逻辑电路3的输入端。复位开关S1的设置是为了使第一电容C1放电，以防止积分值漂移，每次开关管关断时都需要使第一电容C1放电。
在一具体实施例中，上述积分电路的输出值可以表示为其中，I为半导体功率半桥模块中开关管的实际电流值；M为磁感应线圈的互感；R1和C1分别为上述积分电路中对应的第一电阻和第一电容；v0为上述积分电路的输出电压。可以看出，当半导体功率半桥模块的开关管的实际电流达到一定值时，积分电路输出值也会达到一定值，大于上述运算放大器的参考电压，也就是上述的第一预设阈值，此时运算放大器输出故障信号。
在本发明的一个具体的实施例中，上述第二信号调理电路2包括：第二比较器电路，第二比较器电路将上述感应电压信号的电压值与第二预设阈值Vref2进行比较，当感应电压信号的电压值大于第二预设阈值时，输出故障信号至逻辑电路3。采用该第二信号调理电路2可以实现di/dt保护，当逻辑电路3输出关断信号至半导体模块驱动电路4，会使半导体功率半桥模块的栅源极电压降为负压，形成关断，以达到保护的目的。
如图4所示，上述第二比较器电路包括：第二比较器VC2；磁感应线圈1的一端连接第二比较器VC2的同向输入端，另一端接地G；第二比较器VC2的输出端连接逻辑电路3的输入端。
需要说明的是，上述第一预设阈值和第二预设阈值可以根据需要和经验进行合理设定，设定方法可以是采用现有技术中的方法，本发明不做限定。
在一较佳实施例中，磁感应线圈1可以是PCB罗氏线圈，其可以是以印制PCB板为基础，不同变化率的电流会使磁感应线圈1输出不同大小的电压信号。如图5所示，左侧为半导体功率半桥模块的上管漏极(3-D)连接线路上磁感应线圈的绕制示意图，右侧为半导体功率半桥模块的下管源极(2-S)连接线路上磁感应线圈的绕制示意图，本发明实施例采用的印制电流磁感应线圈是在多层PCB板上利用线路和过孔进行设计实现的，可以根据所使用的模块进行感应线圈的中间电流穿孔大小的设计以及外径的设计，以增大外径内径比，增加导线匝数，从而增大磁感应线圈的互感。另外为了减小与半导体功率半桥模块相连的载流导线不在中心位置时对于互感的影响，使得导线的一端先围成一圈回绕线，再以回绕线及其四周的PCB板材为骨架绕制多匝导线线圈。
在本发明的其中一些实施例中，上述逻辑电路3可以是采用FPGA，在本发明的其他实施例中，也可以是采用其他的逻辑门电路，本发明不以此为限。
下面结合图6对本发明实施例提供的基于半导体模块驱动的电流保护装置的具体实现过程进行说明：
对于短路/过流保护，半导体模块驱动电路给开关管开通信号，半导体功率半桥模块所在的功率回路中的电流通过开关管的漏源极，开关管漏源极电流逐渐增大至功率回路电流，此过程中磁感应线圈输出电压信号，在积分电路输出端形成积分后的结果，此结果反映了当前开关管漏源极的实际电流值。如果电路正常工作，开关管漏源极电流会随着上述功率回路的运作而改变，但是始终处于一个正常的电流范围内，积分电路输出的结果不会超过所设定的参考值。如果电路发生短路/过流，积分电路的输出值超过所设定的参考值(第一预设阈值Vref1)，说明漏源极电流已经超过了管子所承受的最大电流值，运算放大器将输出故障信号，此故障信号会输入到FPGA(或其他逻辑门电路)中进行逻辑处理，在逻辑电路中进行数字滤波，当故障信号的持续时间超过预设时间阈值时输出关断信号，关断信号输出到半导体模块驱动电路，使半导体功率半桥模块中的开关管栅源极电压降为负压，形成关断，以达到保护的目的。
此外，由于在逻辑电路给出关断信号之后，开关管开始关断，漏源极电流下降，下降时负的电流保护率会使磁感应线圈输出负向电压信号，短路/过流保护中积分电路输出电压也会随之降低，在开关管关断之后，短路保护/过流保护中积分电路复位开关进行复位动作，使积分电路中第一电容的电压复位为0，整个开关过程结束。
对于di/dt保护，当电路中出现超过合理范围的异常的电流变化率，磁感应线圈输出端将输出一个较大的输出电压，此时该输出电压就会超过上述第二比较器电路所设定的电压参考值(第二预设阈值Vref2)，第二比较器电路输出故障信号，此故障信号会输入到FPGA(或其他逻辑门电路)中进行逻辑处理，在逻辑电路中进行数字滤波，当故障信号的持续时间超过预设时间阈值时输出关断信号，关断信号输出到半导体模块驱动电路，使开关管栅源极电压降为负压，形成关断，以达到保护的目的。
本发明实施例提出的基于半导体模块驱动的电流保护装置，不受温度影响，不易受干扰，无需设置盲区时间而增加故障检测延迟，无需在主功率电路中接入新的元器件，可将磁感应线圈和信号调理电路包含在整体驱动板上，安装方便，同时还可以兼顾短路/过流保护和di/dt保护。
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 (8)

1.一种基于半导体模块驱动的电流保护装置，其特征在于，包括：磁感应线圈、信号调理电路、逻辑电路和半导体模块驱动电路；
所述磁感应线圈感应半导体功率半桥模块的电流变化率信号，并输出感应电压信号至所述信号调理电路；
所述信号调理电路判断所述半导体功率半桥模块是否存在故障，当存在故障时，输出故障信号至所述逻辑电路；
所述逻辑电路对所述故障信号进行数字滤波，当所述故障信号的持续时间大于预设时间阈值时，输出关断信号至所述半导体模块驱动电路；
所述半导体模块驱动电路驱动所述半导体功率半桥模块的开关管关断。
2.根据权利要求1所述的电流保护装置，其特征在于，所述磁感应线圈的数量为两个，分别设置于所述半导体功率半桥模块中上管的漏极线路和所述下管的源极线路。
3.根据权利要求2所述的电流保护装置，其特征在于，各所述磁感应线圈后级均连接有第一信号调理电路、第二信号调理电路、逻辑电路和半导体模块驱动电路。
4.根据权利要求3所述的电流保护装置，其特征在于，所述第一信号调理电路包括：积分电路和第一比较器电路；
所述积分电路对所述感应电压信号进行积分，得到积分后的电压信号，并将所述积分后的电压信号输出至所述第一比较器电路；
所述第一比较器电路将所述积分后的电压信号的电压值与第一预设阈值进行比较，当所述积分后的电压信号大于所述第一预设阈值时，输出所述故障信号至所述逻辑电路。
5.根据权利要求4所述的电流保护装置，其特征在于，所述积分电路包括：第一电阻、第二电阻、运算放大器、第一电容和复位开关，所述第一比较器电路包括：第一比较器；
所述磁感应线圈的一端通过第一电阻连接所述运算放大器的反向输入端，另一端接地；所述第二电阻的一端连接所述运算放大器的正向输入端，另一端接地；所述第一电容和复位开关均并联于所述运算放大器的反向输入端和所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的输出端连接所述第一比较器的同向输入端；所述第一比较器的输出端连接所述逻辑电路的输入端。
6.根据权利要求3所述的电流保护装置，其特征在于，所述第二信号调理电路包括：第二比较器电路；
所述第二比较器电路将所述感应电压信号的电压值与第二预设阈值进行比较，当所述感应电压信号的电压值大于所述第二预设阈值时，输出所述故障信号至所述逻辑电路。
7.根据权利要求6所述的电流保护装置，其特征在于，所述第二比较器电路包括：第二比较器；
所述磁感应线圈的一端连接所述第二比较器的同向输入端，另一端接地；所述第二比较器的输出端连接所述逻辑电路的输入端。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电流保护装置，其特征在于，所述磁感应线圈为PCB罗氏线圈。
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