CN110336250A - 一种igbt功能复用的硬件软保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT功能复用的硬件软保护电路，包括：IGBT软关断单元，故障发生时，故障信号通过锁存器、数字隔离芯片后，控制副边MOS管强制给驱动芯片DESAT引脚充电，达到阈值触发DESAT保护，驱动芯片实现软关断保护；副边PWM波形检测单元，副边IGBT门级PWM信号通过数字隔离芯片传递回原边，DSP监控传递回的PWM信号与DSP发送的PWM信号占空比、周期是否保持一致；DESAT功能检测单元，采用数字隔离芯片将DSP给定控制信号传递至副边控制MOS管导通，触发驱动芯片DESAT软关断保护，DSP通过检测IGBT反馈的PWM信号电平高低属性判断DESAT功能是否正常。本发明在全范围内对IGBT实行软关断保护，减小器件应力，避免IGBT退饱和电流期间硬关断，同时可以检测副边PWM波形和驱动芯片DESAT功能完整性。

Description

一种IGBT功能复用的硬件软保护电路

技术领域

本发明涉及IGBT保护领域，特别涉及一种IGBT功能复用的硬件软保护电路。

背景技术

现有IGBT在发生过压、过流、过温等一系列故障时，硬件一般是通过强制关闭PWM的方式来进行保护，此方式在小电流时可以有效保护系统安全，但在电流较大时，强制硬关断会在很大程度上加大器件应力，减少器件使用寿命。特别是在IGBT额定电流到退饱和电流期间，目前尚无针对此阶段的保护策略，如果此阶段硬关断极大可能造成IGBT因承受瞬时过压而损坏。同时考虑功能安全需求，对于IGBT的门级PWM信号实时监测也成为安全性考量的重要指标之一。本专利从上述两点出发，提出了一种功能复用的电路解决了上述两个问题，并降低了实现成本。

现有IGBT硬件保护策略主要有：

（1）现有IGBT在过压、过流、过温等故障时，主要采取强制关闭PWM的方式，在大电流时硬关断会加大IGBT器件应力；

（2）现有IGBT发生短路时，在IGBT退饱和后，驱动芯片会触发软关断或者二电平关断来抑制关断时的尖峰电压，但在其他情况都无法触发软关断保护；

（3）现有IGBT在额定电流到退饱和电流期间均未做有效地保护措施，此期间若触发硬关断极大可能会导致IGBT损坏。

（4）现有对副边IGBT门级PWM信号低成本实时监控方案不多。

发明内容

本发明目的是：本发明提出了一种IGBT功能复用的硬件软保护电路，可以有效地在全范围内对IGBT实行软关断保护，减小器件应力，有效地解决了现有方案在IGBT额定电流到退饱和电流期间硬关断的风险问题，同时可以检测副边IGBT门级PWM波形，上电检测驱动芯片DESAT功能，提高器件使用的安全性，电路复用使电路成本进一步降低。

本发明的技术方案是：

一种IGBT功能复用的硬件软保护电路，包括：

IGBT软关断单元，包括依次连接的锁存器、数字隔离芯片、充电开关；故障发生时，锁存器输出高电平，经过数字隔离芯片后，充电开关控制驱动芯片DESAT引脚充电，触发驱动芯片软关断保护，IGBT关断变缓；

副边PWM波形检测单元，采用数字隔离芯片将IGBT门级PWM信号传递回原边，DSP实时监控传递回的PWM信号占空比、周期数据是否与DSP发送的PWM信号保持一致；

驱动芯片DESAT功能检测单元，采用数字隔离芯片将DSP给定的高电平传递给充电开关，驱动副边MOS管导通给DESAT管脚充电，触发驱动芯片软关断保护；IGBT门级信号通过隔离芯片反馈回初级侧，DSP检测该PWM信号若为低电平表明DESAT功能正常，否则为异常。

优选的，所述IGBT软关断单元还包括若干采集故障信号的二极管，各二极管阴极分别接各种故障信号输出端，阳极共接一个上拉电阻构成多输入或门，或门输出端通过滤波电路连接锁存器；所述故障信号包括至少包括过流、过压、过温、欠压，当有故障发生时对应的总故障信号为低电平，锁存器输入端也为低电平，锁存器输出高电平并锁存。

优选的，所述锁存器输出高电平依次串联的电阻R8、二极管D5输入到数字隔离芯片，数字隔离芯片输出端通过电阻R6驱动充电开关导通；充电开关包括PMOS管Q1和NMOS管Q2，NMOS管Q2的栅极连接电阻R6，漏极通过串联的电阻R3、R1连接15V电压，源极接地；PMOS管Q1的栅极连接电阻R3，源极连接15V电压，漏极通过电容C9接地，电容C9连接驱动芯片DESAT引脚，15V给电容C9充电到DESAT阈值后触发驱动芯片实现软关断。

优选的，所述驱动芯片实现软关断的同时，锁存器输出的高电平连接到电平转换芯片的使能端，关闭所有的初级侧PWM信号传输，DSP同时检测该信号做相应软件处理；硬件故障触发软保护动作后，故障消除时，需要DSP给锁存器发出复位信号才能解除保护功能，复位信号经过R15、C6滤波后输入到锁存器复位端U2的5脚。

优选的，所述副边PWM波形检测单元，在正常IGBT控制过程中，IGBT门级PWM驱动信号经过电阻R12、R7分压和D2限幅后输入到数字隔离芯片U1的7脚，最后从数字隔离芯片U1的2脚输出到R2，DSP通过检测R2端的波形实现对副边PWM波形进行实时检测。

优选的，所述驱动芯片DESAT功能检测单元，在无高压输入前提下，低压上电后DSP发送PWM波形，同时DSP通过二极管D1给定高电平从数字隔离芯片U1的3脚输入，从6脚输出，驱动NMOS管Q2导通，从而PMOS管Q1导通，15V给电容C9充电到DESAT阈值后触发驱动芯片实现软关断；同时副边PWM波形经过R12、R7分压后经过数字隔离芯片、电阻R2到DSP，DSP检测该PWM信号是否被拉低，若拉低证明DESAT功能正常；若没有，证明DESAT功能异常。

优选的，所述IGBT软关断单元的软关断包括三种模式：

（1）上三桥软关断、下三桥硬关断；

（2）上三桥硬关断，下三桥软关断；

（3）三相桥全部软关断。

优选的，所述软关断三种模式中模式（1）、模式（2）对时序无要求；模式（3）通过配置RC延时控制时序：

1）对于上三桥先于下三桥软关断情况，必须保证上三桥软关断结束后再触发下三桥软关断；

2）对于下三桥先于上三桥软关断情况，必须保证下三桥软关断结束后再触发上三桥软关断。

本发明的优点是：

（1）本发明提出的功能复用IGBT硬件软保护电路，包括驱动芯片DESAT功能检测、副边PWM波形回采和复用电路的硬件软保护，实现多种功能的复用，满足功能安全性的同时，进一步降低成本；

（2）本发明提出的电路在全范围内保证发生故障时硬件实施软关断功能，极大地降低了IGBT的关断应力；

（3）本发明提出的电路解决了现有保护在额定电流到退饱和电流期间硬关断的风险问题。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为IGBT门级信号检测工作流程；

图2为DESAT功能上电检测工作流程；

图3为硬件故障软保护工作流程；

图4为IGBT功能复用的硬件软保护电路的原理图。

具体实施方式

本发明的IGBT功能复用的硬件软保护电路，包括IGBT软关断单元、副边PWM波形检测单元和驱动芯片DESAT功能检测单元，可以有效地在全范围内对IGBT实行软关断保护，同时可以检测副边PWM波形，上电检测驱动芯片DESAT功能。

如图1所示，本发明的IGBT门级PWM信号检测工作流程，上电后DSP给定PWM信号实现正常IGBT控制，IGBT门级PWM信号通过电阻分压后经过数字隔离芯片传递回原边，DSP通过捕获单元实时监控该PWM占空比、周期等关键数据是否与DSP发送的PWM信号保持一致。

如图2所示，本发明的DESAT功能上电检测工作流程，只上低电压，DSP给定PWM信号，DSP给定DESAT检测控制信号Desat_Control_DSP为高电平，经过数字隔离芯片后，驱动副边NMOS管导通间接使PMOS管导通，15V给驱动芯片DESAT引脚充电，触发驱动芯片实现软关断保护，此时门级PWM信号通过隔离芯片反馈回原边，DSP检测该PWM信号若为低电平表明DESAT功能正常，否则为异常。

如图3所示，本发明的硬件故障软保护工作流程，当故障发生时，锁存器输出高电平，经过数字隔离芯片后驱动副边NMOS管导通间接使PMOS导通，15V给驱动芯片DESAT引脚充电，触发驱动芯片实现软关断保护，IGBT关断变缓。同时锁存器输出的高电平经过滤波后送入DSP中且连接到电平转换芯片的使能端，关闭所有的原边PWM信号传输，此故障动作后，在故障消除时，需要DSP给定复位信号才能解除该保护功能。若无故障发生则实行正常的IGBT控制。

如图4所示，为本发明的IGBT功能复用的硬件软保护电路的原理图。

图4中，IGBT软关断单元，包括若干采集故障信号的二极管D3、D4、D6…D7，各二极管阴极分别接各种故障信号(主要包括过流、过压、过温、欠压等一系列硬件故障）输出端，当有故障发生时对应的故障信号为低电平。各二极管阳极共接一个上拉电阻R4到3.3V构成多输入或门，R5、C2对故障信号做滤波处理，U2A、U2B构成简易的锁存器，5脚为锁存复位端，DSP给定低电平锁存复位。当有故障发生时，锁存器输入端1脚为低电平，锁存器3脚输出高电平并锁存。锁存器输出高电平依次串联的电阻R8、二极管D5输入到数字隔离芯片U1的3脚，数字隔离芯片输出端通过电阻R6驱动充电开关导通；充电开关包括PMOS管Q1和NMOS管Q2，NMOS管Q2的栅极连接电阻R6，漏极通过串联的电阻R3、R1连接15V电压，源极接地；PMOS管Q1的栅极连接电阻R3，源极连接15V电压，漏极通过电容C9接地，电容C9连接驱动芯片DESAT引脚，15V给电容C9充电到DESAT阈值后触发驱动芯片实现软关断。

所述IGBT软关断单元的软关断包括三种模式：

（1）上三桥软关断、下三桥硬关断；

（2）上三桥硬关断，下三桥软关断；

（3）三相桥全部软关断。

所述软关断三种模式中模式（1）、模式（2）对时序无要求；模式（3）必须考虑上三桥与下三桥进入软关断的时序，防止上下桥软关断同时触发造成的直通问题，通过配置RC延时控制时序：

1）对于上三桥先于下三桥软关断情况，必须保证上三桥软关断结束后再触发下三桥软关断；

2）对于下三桥先于上三桥软关断情况，必须保证下三桥软关断结束后再触发上三桥软关断。

工作模式（1）、（2）已满足一般工况的要求，若特殊工况需要工作模式（3），需要前期对时序进行充分验证。

图4中，副边PWM波形检测单元，在正常IGBT控制过程中，IGBT门级驱动PWM信号U_Gate经过电阻R12、R7分压和D2限幅后输入到数字隔离芯片，最后从数字隔离芯片输出到R2，DSP通过检测R2端的波形对副边PWM波形进行实时检测。

图4中，驱动芯片DESAT功能检测单元，在只上低电后DSP发送PWM波形，同时DSP通过二极管D1给定高电平经过数字隔离器输出，驱动NMOS管Q2导通，从而PMOS管Q1导通，15V给电容C9充电到DESAT阈值后触发驱动芯片实现软关断；同时副边PWM波形经过R12、R7分压后经过数字隔离芯片、电阻R2到DSP，DSP检测该PWM信号是否被拉低，若拉低证明DESAT功能正常；若没有，证明DESAT功能异常。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种IGBT功能复用的硬件软保护电路，其特征在于，包括：

IGBT软关断单元，包括依次连接的锁存器U2A和U2B、数字隔离芯片U1、充电开关Q1和Q2；故障发生时，锁存器输出高电平，经过数字隔离芯片后，充电开关控制驱动芯片DESAT引脚充电，触发驱动芯片软关断保护，IGBT关断变缓；

副边PWM波形检测单元，采用数字隔离芯片将IGBT门级PWM信号传递回原边，DSP实时监控传递回的PWM信号占空比、周期数据是否与DSP发送的PWM信号保持一致；

驱动芯片DESAT功能检测单元，采用数字隔离芯片将DSP给定的高电平传递给充电开关，驱动副边MOS管导通给DESAT管脚充电，触发驱动芯片软关断保护；IGBT门级PWM信号通过隔离芯片反馈回原边，DSP检测该PWM信号若为低电平表明DESAT功能正常，否则为异常。

2.根据权利要求1所述的IGBT功能复用的硬件软保护电路，其特征在于，所述IGBT软关断单元还包括若干采集故障信号的二极管，各二极管阴极分别接各种故障信号输出端，阳极共接一个上拉电阻构成多输入或门，或门输出端通过滤波电路连接锁存器；所述故障信号包括至少包括过流、过压、过温、欠压，当有故障发生时对应的总故障信号为低电平，锁存器输入端也为低电平，锁存器输出高电平并锁存。

3.根据权利要求2所述的IGBT功能复用的硬件软保护电路，其特征在于，所述锁存器输出高电平依次串联的电阻R8、二极管D5输入到数字隔离芯片，数字隔离芯片输出端通过电阻R6驱动充电开关导通；充电开关包括PMOS管Q1和NMOS管Q2，NMOS管Q2的栅极连接电阻R6，漏极通过串联的电阻R3、R1连接15V电压，源极接地；PMOS管Q1的栅极连接电阻R3，源极连接15V电压，漏极通过电容C9接地，电容C9连接驱动芯片DESAT引脚，15V给电容C9充电到DESAT阈值后触发驱动芯片实现软关断。

4.根据权利要求3所述的IGBT功能复用的硬件软保护电路，其特征在于，所述驱动芯片实现软关断的同时，锁存器输出的高电平连接到电平转换芯片的使能端，关闭所有的初级侧PWM信号传输，DSP同时检测该信号做相应软件处理；硬件故障触发软保护动作后，故障消除时，需要DSP给锁存器发出复位信号才能解除保护功能，复位信号经过R15、C6滤波后输入到锁存器复位端U2的5脚。

5.根据权利要求3所述的IGBT功能复用的硬件软保护电路，其特征在于，所述副边PWM波形检测单元，在正常IGBT控制过程中，IGBT门级PWM驱动信号经过电阻R12、R7分压和D2限幅后输入到数字隔离芯片U1的7脚，最后从数字隔离芯片U1的2脚输出到R2，DSP通过检测R2端的波形实现对副边PWM波形进行实时检测。

6.根据权利要求5所述的IGBT功能复用的硬件软保护电路，其特征在于，所述驱动芯片DESAT功能检测单元，在无高压输入前提下，低压上电后DSP发送PWM波形，同时DSP通过二极管D1给定高电平从数字隔离芯片U1的3脚输入，从6脚输出，驱动NMOS管Q2导通，从而PMOS管Q1导通，15V给电容C9充电到DESAT阈值后触发驱动芯片实现软关断；同时副边PWM波形经过R12、R7分压后经过数字隔离芯片、电阻R2到DSP，DSP检测该PWM信号是否被拉低，若拉低证明DESAT功能正常；若没有，证明DESAT功能异常。

7.根据权利要求4所述的IGBT功能复用的硬件软保护电路，其特征在于：所述IGBT软关断单元的软关断包括三种模式：

（1）上三桥软关断、下三桥硬关断；

（2）上三桥硬关断，下三桥软关断；

（3）三相桥全部软关断。

8.根据权利要求7所述的IGBT功能复用的硬件软保护电路，其特征在于：所述软关断三种模式中模式（1）、模式（2）对时序无要求；模式（3）需要通过配置RC延时控制时序：

1）对于上三桥先于下三桥软关断情况，必须保证上三桥软关断结束后再触发下三桥软关断；

2）对于下三桥先于上三桥软关断情况，必须保证下三桥软关断结束后再触发上三桥软关断。