CN112751322A - 一种igbt管保护电路、方法、igbt电路及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT管保护电路、方法、IGBT电路及设备，涉及电路技术领域，该IGBT管保护电路，短路保护单元，其连接在所述IGBT管的栅极与主发射极之间，用于当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，降低所述IGBT管的栅极电压。本发明的有益效果是：可以在IGBT管发生短路时降低IGBT管的栅极电压，从而起到抑制IGBT管栅极电压的升高，以较大幅度的地降低短路电流的作用，特别是适用于IGBT管的二类与三类短路工况，而且整个电路设计简单实用，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于电路技术领域，尤其涉及一种IGBT管保护电路、方法、IGBT电路及设备。
背景技术
IGBT管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，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。
IGBT管在应用过程中，往往会发生一些故障，使得IGBT管发生短路。当IGBT管发生短路工况时，除了必需在规定的短路时间内关断器件外，还需避免IGBT管出现过高的短路峰值电流。IGBT管的短路电流与栅极-发射极之间的电压的平方成正比，当IGBT管发生短路时，会由于米勒效应使得栅极-发射极之间的电压抬升，严重时产生较大的短路峰值电流，使得器件发生失效。因此，如何有效地限制IGBT管短路时的栅极电压，以防止IGBT管失效成为越来越重要的问题。
发明内容
本发明正是基于上述技术问题，提出了一种能够在所述IGBT管发生短路时降低所述IGBT管的栅极电压的IGBT管保护电路、方法、IGBT电路及设备。
第一方面，本发明实施例提供了一种IGBT管保护电路，包括：
短路保护单元，其连接在所述IGBT管的栅极与主发射极之间，用于当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，降低所述IGBT管的栅极电压。
根据本发明的一个实施例，所述短路保护单元包括：
单向瞬态抑制二极管，所述单向瞬态抑制二极管的负极与所述IGBT管的栅极连接，所述单向瞬态抑制二极管的正极与所述IGBT管的主发射极连接。
根据本发明的另一实施例，所述短路保护单元包括：
双向瞬态抑制二极管，所述双向瞬态抑制二极管的一端与所述IGBT管的栅极连接，所述双向瞬态抑制二极管的另一端与所述IGBT管的主发射极连接。
根据本发明的另一实施例，还包括：
电压检测单元，用于检测所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压。
第二方面，本发明实施例还提供了一种IGBT电路，包括：
IGBT管；以及
IGBT管保护电路，所述IGBT管保护电路包括短路保护单元，所述短路保护单元连接在所述IGBT管的栅极与主发射极之间，用于当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，降低所述IGBT管的栅极电压。
进一步，所述短路保护单元包括：
单向瞬态抑制二极管，所述单向瞬态抑制二极管的负极与所述IGBT管的栅极连接，所述单向瞬态抑制二极管的正极与所述IGBT管的主发射极连接。
进一步，所述短路保护单元包括：
双向瞬态抑制二极管，所述双向瞬态抑制二极管的一端与所述IGBT管的栅极连接，所述双向瞬态抑制二极管的另一端与所述IGBT管的主发射极连接。
进一步，还包括：
电压检测单元，用于检测所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压。
第三方面，本发明实施例还提供了一种设备，包括如上述实施例任一项所述的IGBT电路。
第四方面，本发明实施例还提供了一种利用如上述实施例任一项所述的IGBT管保护电路对IGBT管保护的方法，包括：
当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，利用所述IGBT管保护电路的短路保护单元降低所述IGBT管的栅极电压。
在本发明实施例提供的一种IGBT管保护电路、方法、IGBT电路及设备，通过在所述IGBT管的栅极与主发射极之间连接所述短路保护单元，当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，降低所述IGBT管的栅极电压。，从而实现IGBT管的短路保护。可见，本发明实施例提供的IGBT管保护电路，不仅可以非常有效的抑制IGBT管发生短路时的峰值电流，特别是适用于IGBT管的二类与三类短路工况，而且整个电路设计简单实用，易于实现。
附图说明
通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本公开的范围。其中所包括的附图是：
图1示出了一种常见IGBT管的结构示意图；
图2示出了本发明实施例一提出的一种IGBT管保护电路的结构示意图；
图3示出了本发明实施例二提出的一种IGBT管保护电路的一种结构示意图；
图4示出了本发明实施例二提出的一种IGBT管保护电路的又一结构示意图；
图5示出了本发明实施例二提出的一种IGBT管保护电路的原理示意图；
图6示出了本发明实施例二提出的一种IGBT管保护电路的波形示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方法，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
IGBT管(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，其是由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。由于具有高频率、高电压、大电流、尤其是容易开通和关断的特定，非常适合应用于直流电压为600V及以上的交流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电力、牵引传动等领域。
图1示出了一种常见IGBT管的结构示意图，如图1所示，IGBT管包括集电极、栅极、副发射极以及主发射极，其中，所述IGBT管的栅极与副发射极分别连接在IGBT驱动电路上，主发射极则连接到主电路中。
实施例一
根据本发明的实施例，提供了一种IGBT管保护电路，图2示出了本发明实施例一提出的一种IGBT管保护电路的结构示意图，如图2所示，该IGBT管保护电路包括：
短路保护单元，其连接在所述IGBT管的栅极与主发射极之间，用于当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，降低所述IGBT管的栅极电压。
这里，由于IGBT管的主发射极和副发射极之间通过引线连接，会无法避免地存在一个寄生电感L。由于寄生电感L的电感值非常小，在IGBT管正常工作的时候，主发射极和副发射极之间的电压几乎不会被感知到。但是，在IGBT管发生短路工况时，会产生较高的正向电流变化率di/dt，电流的变化率可以达到几千安倍。此时，该高正向电流变化率di/dt会导致在寄生电感L上产生感生电压，该感生电压可能达到几十伏。
通过在所述IGBT管的栅极与主发射极之间连接所述短路保护单元，在所述寄生电感L产生感生电压后，触发所述短路保护单元的限压功能。从而在所述IGBT管发生短路时降低所述IGBT管的栅极电压，起到降低IGBT管栅极电压的作用，可以较大幅度地降低短路电流的作用。
值得说明的是，在一个可选的实施方式中，所述IGBT管保护电路还可以包括：
电压检测单元，用于检测所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压。
这里，通过所述电压检测单元，能够检测所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压，当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，触发所述短路保护单元降低所述IGBT管的栅极电压。
实施例二
在上述实施例的基础上，本发明的实施例二还可以提供一种IGBT管保护电路。图3示出了本发明实施例二提出的一种IGBT管保护电路的一种结构示意图，如图3所示，该IGBT管保护电路可以包括：
单向瞬态抑制二极管D1，所述单向瞬态抑制二极管D1的负极与所述IGBT管的栅极连接，所述单向瞬态抑制二极管D1的正极与所述IGBT管的主发射极连接。
值得说明的是，在IGBT管正常工作的情况下，单向瞬态抑制二极管D1处于反向偏置状态，其电阻接近无穷大，内部几乎没有电流流过，不会影响IGBT管的正常工作。当IGBT管短路时，短路产生的尖峰脉冲会使得单向瞬态抑制二极管D1击穿，导致其工作阻抗降至极低的导通值，从而能够允许大电流通过。同时，将IGBT管的栅极电压钳制在预定水平上，从而保护IGBT管不被损坏。
这里，由于IGBT管的主发射极和副发射极之间通过引线连接，因此会无法避免地存在一个寄生电感L。由于寄生电感L的电感值非常小，在IGBT管正常工作的时候，主发射极和副发射极之间的电压几乎不会被感知到。但是，在IGBT管发生短路工况时，会产生较高的正向电流变化率di/dt，电流的变化可以达到几千安倍。此时，该高正向电流变化率di/dt会导致在寄生电感L上产生感生电压，该感生电压可能达到几十伏。
通过在所述IGBT管的栅极与主发射极之间连接所述单向瞬态抑制二极管D1，在所述寄生电感L产生感生电压后，感生电压与IGBT管的栅极电压之和超过单向瞬态抑制二极管D1的抑制电压时，会触发所述单向瞬态抑制二极管D1的限压功能，从而降低栅极电压，以较大幅度地降低短路电流，避免IGBT被损坏。
值得说明的是，所述单向瞬态抑制二极管D1的电压值根据实际情况确定。
在一个可选的实施方式中，图4示出了本发明实施例二提出的一种IGBT管保护电路的又一结构示意图，如图4所示，所述短路保护单元还可以包括：
双向瞬态抑制二极管D2，所述双向瞬态抑制二极管D2的一端与所述IGBT管的栅极连接，所述双向瞬态抑制二极管D2的另一端与所述IGBT管的主发射极连接。
这里，在所述IGBT管的栅极和主发射极间连接双向瞬态抑制二极管D2，在所述寄生电感L产生感生电压后，感生电压与IGBT管的栅极电压之和超过双向瞬态抑制二极管D2的抑制电压时，会触发所述双向瞬态抑制二极管D2的限压功能，从而抑制IGBT管栅极电压的升高，从而较大幅度的降低短路电流，避免IGBT被损坏。
值得说明的是，这里连接所述双向瞬态抑制二极管D2，可以独立地调整IGBT管正向与反向的电压，对应IGBT管开通与关断的过程。另外，所述双向瞬态抑制二极管D2的电压值根据实际情况确定。
在本实施例中，通过在IGBT管的栅极和主发射极间连接瞬态抑制二极管，包括单向瞬态抑制二极管D1或双向瞬态抑制二极管D2。在寄生电感L产生的感生电压与栅极电压之和超过瞬态抑制二极管的抑制电压时，会触发瞬态抑制二极管的限压功能，从而抑制IGBT管栅极电压的升高。通过选取合适的瞬态抑制二极管的电压值，可以使得IGBT管的栅极电压减小，从而较大幅度的降低短路电流，避免器件发生失效。不仅可以非常有效的抑制IGBT管发生短路时的峰值电流，特别是适用于IGBT管的二类与三类短路工况，而且整个电路设计简单实用，易于实现。
图5示出了本发明实施例二提出的一种IGBT管保护电路的原理示意图，如
图5所示，IGBT管短路时产生的高电流变化di/dt，电流IC的流向为从栅极流向主发射极。在主发射极的寄生电感L上，会产生感生电压Vs。当感生电压Vs与IGBT管的栅极电压VGE之和超过双向瞬态抑制二极管D2的抑制电压时，会触发双向瞬态抑制二极管D2的限压功能。从而可以使得IGBT管的栅极电压VGE减小，从而较大幅度的降低短路电流，避免器件发生失效。
图6示出了本发明实施例二提出的一种IGBT管保护电路的波形示意图，如图6所示，在IGBT短路时，IGBT管短路时产生的高电流变化di/dt，产生大电流IC，从而导致IGBT管的栅极电压VGE升高。在连接TVS管后，其峰值电流IC降低，IGBT管的栅极电压VGE降低，从而防止IGBT管不被损坏。
实施例三
根据本发明的实施例，本发明的实施例三还可以提供一种IGBT电路，包括：
IGBT管；以及
IGBT管保护电路，所述IGBT管保护电路包括短路保护单元，所述短路保护单元连接在所述IGBT管的栅极与主发射极之间，用于当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，降低所述IGBT管的栅极电压。
在一个可选的实施方式中，所述短路保护单元包括：
单向瞬态抑制二极管，所述单向瞬态抑制二极管的负极与所述IGBT管的栅极连接，所述单向瞬态抑制二极管的正极与所述IGBT管的主发射极连接。
在一个可选的实施方式中，所述短路保护单元包括：
双向瞬态抑制二极管，所述双向瞬态抑制二极管的一端与所述IGBT管的栅极连接，所述双向瞬态抑制二极管的另一端与所述IGBT管的主发射极连接。
在一个可选的实施方式中，还包括：
电压检测单元，用于检测所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压。
实施例四
根据本发明的实施例，本发明的实施例四还可以提供一种设备，包括如上述实施例任一项所述的IGBT电路。
值得说明的是，所述设备可以包括交流电机、变频器、电源开关、电力照明装置以及牵引传动装置中的一种。
实施例五
根据本发明的实施例，本发明的实施例五还提供了一种利用如上述实施例任一项所述的IGBT管保护电路对IGBT管保护的方法，包括：
当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，利用所述IGBT管保护电路的短路保护单元降低所述IGBT管的栅极电压。
以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，考虑到相关技术中，当IGBT管发生短路工况时，除了必需在规定的短路时间内关断器件外，还需避免IGBT管出现过高的短路峰值电流，如何有效地限制IGBT管短路时的栅极电压，以防止IGBT管失效成为越来越重要的问题。本发明提供一种IGBT管保护电路、方法、IGBT电路及设备，通过连接在所述IGBT管的栅极与主发射极之间的短路保护单元，以在所述IGBT管发生短路时降低所述IGBT管的栅极电压。不仅可以非常有效的抑制IGBT管发生短路时的峰值电流，特别是适用于IGBT管的二类与三类短路工况，而且整个电路设计简单实用，易于实现。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种IGBT管保护电路，其特征在于，包括：
短路保护单元，其连接在所述IGBT管的栅极与主发射极之间，用于当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，降低所述IGBT管的栅极电压。
2.根据权利要求1所述的IGBT管保护电路，其特征在于，所述短路保护单元包括：
单向瞬态抑制二极管，所述单向瞬态抑制二极管的负极与所述IGBT管的栅极连接，所述单向瞬态抑制二极管的正极与所述IGBT管的主发射极连接。
3.根据权利要求1所述的IGBT管保护电路，其特征在于，所述短路保护单元包括：
双向瞬态抑制二极管，所述双向瞬态抑制二极管的一端与所述IGBT管的栅极连接，所述双向瞬态抑制二极管的另一端与所述IGBT管的主发射极连接。
4.根据权利要求1所述的IGBT管保护电路，其特征在于，还包括：
电压检测单元，用于检测所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压。
5.一种IGBT电路，其特征在于，包括：
IGBT管；以及
IGBT管保护电路，所述IGBT管保护电路包括短路保护单元，所述短路保护单元连接在所述IGBT管的栅极与主发射极之间，用于当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，降低所述IGBT管的栅极电压。
6.根据权利要求5所述的IGBT电路，其特征在于，所述短路保护单元包括：
单向瞬态抑制二极管，所述单向瞬态抑制二极管的负极与所述IGBT管的栅极连接，所述单向瞬态抑制二极管的正极与所述IGBT管的主发射极连接。
7.根据权利要求5所述的IGBT电路，其特征在于，所述短路保护单元包括：
双向瞬态抑制二极管，所述双向瞬态抑制二极管的一端与所述IGBT管的栅极连接，所述双向瞬态抑制二极管的另一端与所述IGBT管的主发射极连接。
8.根据权利要求5所述的IGBT电路，其特征在于，还包括：
电压检测单元，用于检测所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压。
9.一种设备，其特征在于，包括如权利要求5至8任一项所述的IGBT电路。
10.一种利用如权利要求1至4任一项所述的IGBT管保护电路对IGBT管保护的方法，其特征在于，包括：
当所述IGBT管的栅极与主发射极之间的电压超过预设阈值时，利用所述IGBT管保护电路的短路保护单元降低所述IGBT管的栅极电压。
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