CN111929485A - 一种igbt饱和导通电压测量电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT饱和导通电压测量电路，用于在IGBT饱和导通时测量饱和导通电压，所述电路包括二极管D1及相同型号的二极管D2，以分别用于与IGBT的集电极和发射极电连接，所述电路还包括电流源模块、电压转换模块及电压测量模块，所述电流源模块包括检流电阻，用于在IGBT饱和导通时产生第一电流，并在第一电流流经检流电阻后输出至二极管D1。所述电压转换模块用于获取检流电阻的压降，并对检流电阻的压降进行转换，以输出与第一电流大小相等的第二电流至二极管D2。所述电压测量模块用于根据二极管D1与二极管D2的阳极电压输出测量电压。如此，实现准确测量IGBT饱和电压的同时可减小PCB板占用面积、降低设计成本。
Description
技术领域
本发明涉及测量电路领域，尤其涉及一种IGBT饱和导通电压测量电路。
背景技术
IGBT饱和导通电压是在预定栅极电压驱动下，IGBT工作于饱和区时集电极与发射极之间的电压差。饱和导通电压作为大功率IGBT的一个重要电气参数，对IGBT的正常运行有着重要作用。越来越多的应用环境对这个参数的测量提出了需求，以此判断系统的运行状态。
申请号为201610996707.1的专利申请文件中公开了一种IGBT集电极电压分立测量电路，该技术通过两个型号相同的电流源Is1～Is2分别向对应连接于IGBT的集电极与发射极的两个二极管D1～D2注入相同电流，然后通过差分放大器U1获取这两个二极管D1～D2的压降，以输出对应于IGBT集电极电压的测量电压。然而为了保证足够低的检测误差，该方法采用数量为2个的高精密线性电流源芯片，这使得PCB板占用面积较大，且极大增加了设计成本。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种IGBT饱和导通电压测量电路，能够在实现饱和导通电压的精准测量的目的同时，减小PCB板占用面积、降低设计成本。
本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：
一种IGBT饱和导通电压测量电路，用于在IGBT饱和导通时测量集电极与发射极之间的电压，所述IGBT饱和导通电压测量电路包括二极管D1及与所述二极管D1相同型号规格的二极管D2，所述二极管D1的阴极用于与IGBT的集电极电连接，所述二极管D2的阴极用于与IGBT的发射极电连接，所述IGBT饱和导通电压测量电路还包括：
电流源模块，包括检流电阻RS，所述电流源模块通过所述检流电阻RS连接至所述二极管D1的阳极，所述电流源模块用于在IGBT饱和导通时产生第一电流，并在所述第一电流流经所述检流电阻RS后输出至所述二极管D1；
电压转换模块，所述电压转换模块的输入端与所述电流源模块电连接，所述电压转换模块的输出端与所述二极管D2的阳极电连接，所述电压转换模块用于获取所述检流电阻RS的压降，并对所述检流电阻RS的压降进行转换，以输出与所述第一电流大小相等的第二电流至所述二极管D2；
电压测量模块，所述电压测量模块的输入端电连接于所述二极管D1和所述二极管D2的阳极，用于获取所述二极管D1与所述二极管D2的阳极电压，并根据所述二极管D1与所述二极管D2的阳极电压输出与所述IGBT的集电极-发射极间电压大小相等的测量电压。
进一步地，所述电流源模块还包括电流产生单元，所述电流产生单元与所述检流电阻RS的第一端电连接，所述检流电阻RS的第二端连接至所述二极管D1的阳极，所述电流产生单元用于产生所述第一电流。
进一步地，所述电压转换电路包括差分放大器AMP1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，所述差分放大器AMP1的同相输入端通过所述电阻R2连接至所述检流电阻RS的第一端，所述差分放大器AMP1的同相输入端还通过所述电阻R4连接至所述二极管D2的阳极，所述差分放大器AMP1的反相输入端通过所述电阻R1连接至所述检流电阻RS的第二端，所述差分放大器AMP1的反相输入端还通过所述电阻R3连接至所述差分放大器AMP1的输出端，所述差分放大器AMP1的输出端通过所述电阻R5连接至所述二极管D2的阳极，用于输出第二电流至所述二极管D2。
进一步地，所述电阻R1与所述电阻R2电阻值相等，所述电阻R3与所述电阻R4的电阻值相等，所述电阻R3的电阻值等于所述电阻R1的电阻值的k倍，且所述电阻R5电阻值等于所述检流电阻RS的电阻值的k倍，k为大于或等于1的整数。
进一步地，所述电流产生单元包括PNP三极管Q1、PNP三极管Q2、PNP三极管Q3、调节电阻Rref及电源Vcc，所述PNP三极管Q1的基极通过所述调节电阻Rref接地，所述PNP三极管Q1的集电极电连接于所述检流电阻RS的第一端，所述PNP三极管Q1的发射极与所述PNP三极管Q2的集电极电连接，所述PNP三极管Q2的基极与所述PNP三极管Q2的集电极电连接，所述PNP三极管Q2的发射极连接于所述电源Vcc，所述PNP三极管Q3的基极与所述PNP三极管Q2的基极电连接，所述PNP三极管Q3的发射极与所述PNP三极管Q2的发射极电连接，所述PNP三极管Q3的集电极与所述PNP三极管Q1的基极电连接。
进一步地，所述电压测量模块包括差分放大器AMP2及电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9，所述差分放大器AMP2的同相输入端通过所述电阻R7连接至所述二极管D1的阳极，所述差分放大器AMP2的同相输入端还通过所述电阻R9接地，所述差分放大器AMP2的反相输入端通过所述电阻R6连接至所述二极管D2的阳极，所述差分放大器AMP2的反相输入端还通过所述电阻R8连接至所述差分放大器AMP2的输出端，所述差分放大器AMP2的输出端用于输出所述测量电压。
进一步地，所述电阻R6、所述电阻R7、所述电阻R8及所述电阻R9的电阻值均相等。
上述IGBT饱和导通电压测量电路在饱和导通时通过电流源模块产生第一电流，并使得所述第一电流流经检流电阻RS后输出至与IGBT集电极电连接的二极管D1；又通过电压转换模块获取所述检流电阻RS两端的压降，并根据所述压降进行转换，以输出与所述第一电流大小相等的第二电流至与IGBT发射极电连接的二极管D2；还通过电压测量模块根据所述二极管D1及二极管D2的阳极电压，输出与IGBT饱和导通电压大小相等的测量电压。本发明的电路结构简单，在保证测量精确度的同时可减小PCB板占用面积、降低设计成本。
附图说明
图1是本发明IGBT饱和导通电压测量电路的一较佳实施方式的方框图。
图2是本发明IGBT饱和导通电压测量电路的一较佳实施方式的电路连接图。
主要元件符号说明
IGBT饱和导通电压测量电路 100
电流源模块 10
电流产生单元 12
电压转换模块 20
电压测量模块 30
检流电阻 RS
调节电阻 Rref
二极管 D1、D2
PNP三极管 Q1、Q2、Q3
电阻 R1、R2、R3、R4、R5、
R6、R7、R8、R9
电源 Vcc
差分放大器 AMP1、AMP2
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1，本发明提供一种IGBT饱和导通电压测量电路100，用于在IGBT饱和导通时测量集电极与发射极之间的电压。所述IGBT饱和导通电压测量电路100包括二极管D1及与所述二极管D1相同型号规格的二极管D2，所述二极管D1的阴极用于与IGBT的集电极电连接，所述二极管D2的阴极用于与IGBT的发射极电连接。
所述IGBT饱和导通电压测量电路100还包括电流源模块10、电压转换模块20及电压测量模块30。所述电流源模块10包括检流电阻RS。所述电流源模块10通过所述检流电阻RS连接至所述二极管D1的阳极。所述电流源模块10用于在IGBT饱和导通时产生第一电流，并在所述第一电流流经所述检流电阻RS后输出至所述二极管D1。
所述电压转换模块20的输入端与所述电流源模块10电连接，所述电压转换模块20的输出端与所述二极管D2的阳极电连接。所述电压转换模块20用于获取所述检流电阻RS的压降，并对所述检流电阻RS的压降进行转换，以输出与所述第一电流大小相等的第二电流至所述二极管D2。
所述电压测量模块30的输入端电连接于所述二极管D1和所述二极管D2的阳极，用于获取所述二极管D1与所述二极管D2的阳极电压，并根据所述二极管D1与所述二极管D2的阳极电压输出与所述IGBT的集电极-发射极间电压大小相等的测量电压。
请参考图2，图2为本发明的一较佳实施方式的电路连接图。在本实施方式中，所述电流源模块10还包括电流产生单元12，所述电流产生单元12与所述检流电阻RS的第一端电连接，所述检流电阻RS的第二端连接至所述二极管D1的阳极。所述电流产生单元12用于产生所述第一电流。
在本实施方式中，所述电流产生单元12包括三个PNP三极管Q1～Q3、调节电阻Rref及电源Vcc。所述PNP三极管Q1的基极通过所述调节电阻Rref接地，所述PNP三极管Q1的集电极电连接于所述检流电阻RS的第一端，所述PNP三极管Q1的发射极与所述PNP三极管Q2的集电极电连接。所述PNP三极管Q2的基极与所述PNP三极管Q2的集电极电连接，所述PNP三极管Q2的发射极连接于所述电源Vcc。所述PNP三极管Q3的基极与所述PNP三极管Q2的基极电连接，所述PNP三极管Q3的发射极与所述PNP三极管Q2的发射极电连接，所述PNP三极管Q3的集电极与所述PNP三极管Q1的基极电连接。
其中，所述三个PNP三极管Q1～Q3、调节电阻Rref及电源Vcc构成镜像电流源电路，通过改变所述调节电阻Rref的阻值，可使得所述PNP三极管Q1的集电极产生不同的第一电流Iref，所述第一电流Iref在流经所述检流电阻RS时产生压降，然后输出至所述二极管D1的阳极。需要说明的是，本发明中所述电流产生单元12的电路形式不限于此，其作用主要是产生所述第一电流Iref。在其他实施方式中，也可以通过三个NPN三极管来构建所述电流产生单元12的电路结构。
在本实施方式中，所述电压转换电路20包括差分放大器AMP1及五个电阻R1～R5。所述差分放大器AMP1的同相输入端通过电阻R2连接至所述检流电阻RS的第一端，所述差分放大器AMP1的同相输入端还通过电阻R4连接至所述二极管D2的阳极。所述差分放大器AMP1的反相输入端通过电阻R1连接至所述检流电阻RS的第二端，所述差分放大器AMP1的反相输入端还通过电阻R3连接至所述差分放大器AMP1的输出端。所述差分放大器AMP1的输出端通过电阻R5连接至所述二极管D2的阳极，用于输出第二电流Io至所述二极管D2。在本实施方式中，所述电阻R1与所述电阻R2电阻值相等，所述电阻R3与所述电阻R4的电阻值相等，所述电阻R3的电阻值等于所述电阻R1的电阻值的k倍，且所述电阻R5电阻值等于所述检流电阻RS的电阻值的k倍，即：k*r1＝k*r2＝r3＝r4，且k*rs＝r5(其中r1～r5分别为电阻R1～R5的电阻值，rs为所述检流电阻RS的电阻值，k为大于或等于1的整数)。如此，无论所述电流产生单元12所产生的第一电流Iref是否恒定，可保证所述电压转换电路20输出的第二电流Io始终与所述所述电流源模块10输出的第一电流Iref相等。
在本实施方式中，所述电压测量模块30包括差分放大器AMP2及四个电阻R6～R9。所述差分放大器AMP2的同相输入端通过电阻R7连接至所述二极管D1的阳极，所述差分放大器AMP2的同相输入端还通过电阻R9接地。所述差分放大器AMP2的反相输入端通过电阻R6连接至所述二极管D2的阳极，所述差分放大器AMP2的反相输入端还通过电阻R8连接至所述差分放大器AMP2的输出端。所述差分放大器AMP2的输出端用于输出测量电压Vo。在本实施方式中，所述电阻R6、所述电阻R7、所述电阻R8及所述电阻R9的电阻值均相等，即：r6＝r7＝r8＝r9(其中r6～r9分别为电阻R6～R9的电阻值)。由于所述二极管D1与所述二极管D2的型号规格相同，同时流过所述二极管D1第一电流Iref与流过所述二极管D2的第二电流Io相等，则可认为所述二极管D1的正向导通压降Vd1与所述二极管D2的正向导通压降Vd2相等，则有等式：Vo＝Vd1+Vcesat-Vd2＝Vcesat(其中，Vd1、Vd2分别为二极管D1和二极管D2的压降，Vcesat为IGBT集电极与发射极之间的饱和导通电压)。
所述电流源模块10虽然是由分立器件构成，受温度与器件差异影响，相同参数下的输出第一电流Iref可能不同，但是无论所述第一电流Iref如何变化，因为所述电压转换模块20的存在，所述第二电流Io将始终等于所述第一电流Iref，而不受器件与外部环境等因素影响。如此，保证了电压测量的准确性与可靠性，同时由于没有使用电流源芯片，从而可减小PCB板占用面积、降低设计成本。
在本实施方式中，为降低检测误差，所述电阻R1～R4与电阻R6～R9的电阻值均远大于所述检流电阻RS与所述电阻R5的电阻值。
上述IGBT饱和导通电压测量电路100在饱和导通时通过电流源模块10产生第一电流，并使得所述第一电流流经检流电阻RS后输出至与IGBT集电极电连接的二极管D1；又通过电压转换模块20获取所述检流电阻RS两端的压降，并根据所述压降进行转换，以输出与所述第一电流大小相等的第二电流至与IGBT发射极电连接的二极管D2；还通过电压测量模块30根据所述二极管D1及二极管D2的阳极电压，输出与IGBT饱和导通电压大小相等的测量电压。本发明的电路结构简单，在保证测量精确度的同时可减小PCB板占用面积、降低设计成本。
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 (7)
1.一种IGBT饱和导通电压测量电路，用于在IGBT饱和导通时测量集电极与发射极之间的电压，所述IGBT饱和导通电压测量电路包括二极管D1及与所述二极管D1相同型号规格的二极管D2，所述二极管D1的阴极用于与IGBT的集电极电连接，所述二极管D2的阴极用于与IGBT的发射极电连接，其特征在于，所述IGBT饱和导通电压测量电路还包括：
电流源模块，包括检流电阻RS，所述电流源模块通过所述检流电阻RS连接至所述二极管D1的阳极，所述电流源模块用于在IGBT饱和导通时产生第一电流，并在所述第一电流流经所述检流电阻RS后输出至所述二极管D1；
电压转换模块，所述电压转换模块的输入端与所述电流源模块电连接，所述电压转换模块的输出端与所述二极管D2的阳极电连接，所述电压转换模块用于获取所述检流电阻RS的压降，并对所述检流电阻RS的压降进行转换，以输出与所述第一电流大小相等的第二电流至所述二极管D2；
电压测量模块，所述电压测量模块的输入端电连接于所述二极管D1和所述二极管D2的阳极，用于获取所述二极管D1与所述二极管D2的阳极电压，并根据所述二极管D1与所述二极管D2的阳极电压输出与所述IGBT的集电极-发射极间电压大小相等的测量电压。
2.根据权利要求1所述的IGBT饱和导通电压测量电路，其特征在于，所述电流源模块还包括电流产生单元，所述电流产生单元与所述检流电阻RS的第一端电连接，所述检流电阻RS的第二端连接至所述二极管D1的阳极，所述电流产生单元用于产生所述第一电流。
3.根据权利要求2所述的IGBT饱和导通电压测量电路，其特征在于，所述电压转换电路包括差分放大器AMP1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，所述差分放大器AMP1的同相输入端通过所述电阻R2连接至所述检流电阻RS的第一端，所述差分放大器AMP1的同相输入端还通过所述电阻R4连接至所述二极管D2的阳极，所述差分放大器AMP1的反相输入端通过所述电阻R1连接至所述检流电阻RS的第二端，所述差分放大器AMP1的反相输入端还通过所述电阻R3连接至所述差分放大器AMP1的输出端，所述差分放大器AMP1的输出端通过所述电阻R5连接至所述二极管D2的阳极，用于输出第二电流至所述二极管D2。
4.根据权利要求3所述的IGBT饱和导通电压测量电路，其特征在于，所述电阻R1与所述电阻R2电阻值相等，所述电阻R3与所述电阻R4的电阻值相等，所述电阻R3的电阻值等于所述电阻R1的电阻值的k倍，且所述电阻R5电阻值等于所述检流电阻RS的电阻值的k倍，k为大于或等于1的整数。
5.根据权利要求2所述的IGBT饱和导通电压测量电路，其特征在于，所述电流产生单元包括PNP三极管Q1、PNP三极管Q2、PNP三极管Q3、调节电阻Rref及电源Vcc，所述PNP三极管Q1的基极通过所述调节电阻Rref接地，所述PNP三极管Q1的集电极电连接于所述检流电阻RS的第一端，所述PNP三极管Q1的发射极与所述PNP三极管Q2的集电极电连接，所述PNP三极管Q2的基极与所述PNP三极管Q2的集电极电连接，所述PNP三极管Q2的发射极连接于所述电源Vcc，所述PNP三极管Q3的基极与所述PNP三极管Q2的基极电连接，所述PNP三极管Q3的发射极与所述PNP三极管Q2的发射极电连接，所述PNP三极管Q3的集电极与所述PNP三极管Q1的基极电连接。
6.根据权利要求1所述的IGBT饱和导通电压测量电路，其特征在于，所述电压测量模块包括差分放大器AMP2及电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9，所述差分放大器AMP2的同相输入端通过所述电阻R7连接至所述二极管D1的阳极，所述差分放大器AMP2的同相输入端还通过所述电阻R9接地，所述差分放大器AMP2的反相输入端通过所述电阻R6连接至所述二极管D2的阳极，所述差分放大器AMP2的反相输入端还通过所述电阻R8连接至所述差分放大器AMP2的输出端，所述差分放大器AMP2的输出端用于输出所述测量电压。
7.根据权利要求6所述的IGBT饱和导通电压测量电路，其特征在于，所述电阻R6、所述电阻R7、所述电阻R8及所述电阻R9的电阻值均相等。
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