CN202550515U - 一种大功率igbt综合过流保护电路 - Google Patents

Abstract

一种大功率IGBT综合过流保护电路，涉及一种用于静态变换器或整流器的紧急保护电路装置，包括限流保护单元、Uce检测单元、过电流检测单元、电流传感器限流保护单元的输出端与IGBT驱动电路的输出端并联连接，并连接到被保护的IGBT功率模块的栅极；电流传感器串联在IGBT功率模块的电流输出回路中，电流传感器的检测输出端连接到过电流检测单元；Uce检测单元的输入端连接到IGBT功率模块的集电极；限流保护单元设有两个输入端，一个输入端连接到Uce检测单元，另一个输入端通过光耦或光纤隔离连接到所述过电流检测单元。该装置利用Uce检测单元和电流传感器检测，对被保护的IGBT功率模块实现综合保护，大大提高了短路保护电路的可靠性。

Description

一种大功率IGBT综合过流保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种用于静态变换器或整流器的紧急保护电路装置，尤其是涉及到一种适用于IGBT功率模块短路或过电流故障的检测保护电路。

背景技术

现代电力变换装置均采用大功率半导体开关器件，其所能承受的电流过载能力相对于旋转变流装置要低得多，IGBT一般只能承受几十个μs甚至几个μs的过载电流，一旦短路发生就要求保护电路能在尽可能短的时间内关断开关器件，切断短路电流，使开关器件不致于因过流而损坏。但是，在短路情况下迅速关断开关器件，将导致负载电流下降过快而产生过大的di/dt，由于引线电感和漏感的存在，过大的di/dt将产生很高的过电压，而使开关器件面临过压击穿的危险。对于IGBT，过高的电压又可能导致器件内部产生擎住效应失控而损坏器件。因此，必须综合考虑和设计电力变换装置短路保护，以确保电流保护的有效性。

由功率元件的失效机理分析可知，多种原因均可引起IGBT的工作异常或失效，但当引起异常的外部因素消失后，器件一般可以恢复到其正常工作状态，除非由于热的原因致使其内部击穿，此时的损坏是永久的，不可恢复的；而故障检测电路就是要在热击穿也就是永久损坏前，发现其异常工作状态，并加以控制以保护器件。

中国发明专利申请“大功率IGBT光纤驱动电路的故障保护复位控制系统及方法”(发明专利申请号：201010149719.3公开号：CN101814728A)公开了一种大功率IGBT光纤驱动电路的故障保护复位控制系统及方法。本发明的系统包括光纤收发单元，复位信号封锁单元，复位信号发生单元、反相器和驱动控制器单元；其中光纤收发单元的接收端分别与复位信号发生单元的第一输入端、反相器的输入端连接，反相器的输出端与驱动控制器单元的接收端连接；复位信号发生单元的输出端与驱动控制器单元的复位端连接；复位信号发生单元的第二输入端与复位信号封锁单元的输出端连接；驱动控制器单元的故障信号输出端分别与复位信号发生单元的第三输入端、复位信号封锁单元的输入端、光纤收发单元的发送端连接。本发明的故障保护与复位控制系统及方法，延长故障出现后的驱动信号封锁时间，克服了自动复位方式下频繁复位造成的过流积累现象，为前级系统控制器的中断响应提供了保障。但是，该装置通过延长故障出现后的驱动信号封锁时间实现保护功能，不适用于高压大功率电网系统的敏感符合电能质量控制装置的IGBT功率模块的保护。

实用新型内容

本实用新型的目的是要提供一种大功率IGBT综合过流保护电路，结合利用IGBT短路时Uce增大和电流传感器检测的原理，解决高压大功率电网系统应用IGBT器件综合保护的技术问题。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种大功率IGBT综合过流保护电路，包括限流保护单元、Uce检测单元、过电流检测单元、电流传感器，其特征在于：

所述的限流保护单元的输出端，与IGBT驱动电路的输出端并联连接，并连接到被保护的IGBT功率模块的栅极；

所述的电流传感器串联在IGBT功率模块的电流输出回路中，电流传感器的检测输出端，连接到所述的过电流检测单元；

所述的Uce检测单元的输入端连接到IGBT功率模块的集电极；

所述的限流保护单元设有两个输入端，一个输入端连接到Uce检测单元，另一个输入端通过光耦或光纤隔离连接到所述过电流检测单元。

本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的限流保护单元包含两只二极管，一下拉电阻，一绝缘栅场效应管和一稳压二极管；两只二极管的负极与下拉电阻的一端连接在一起，构成一个逻辑或输出端，下拉电阻的另一端连接到接地点；两只二极管的正极，分别构成限流保护单元的一个输入端；所述逻辑或输出端连接到所述绝缘栅场效应管的栅极；所述绝缘栅场效应管的漏极与稳压二极管的正极串联，稳压二极管的负极通过一隔离二极管，连接到被保护的IGBT功率模块的栅极。

本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路的一种更好的技术方案，其特征在于所述的限流保护单元还包括软关断控制电路，所述的软关断控制电路包含开关晶体管、延时电阻和延时电容；所述逻辑或输出端通过延时电阻连接到开关晶体管的基极，延时电容并联在开关晶体管的基极和发射极之间，开关晶体管的集电极连接IGBT驱动电路的软关断控制信号输入端。

本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路的一种改进的技术方案，其特征在于所述的Uce检测单元包括开关二极管和三只电阻，开关二极管的负极连接到被保护的IGBT功率模块的集电极，开关二极管的正极通过一只电阻连接到IGBT驱动电路的输出端；另外两只电阻串联组成分压电路，连接到开关二极管的正极和接地点之间；所述分压电路的分压点，连接到所述限流保护单元的一个输入端。

本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述的电流传感器包含电流互感器和桥式整流器；所述的过电流检测单元包含电压比较器，所述电压比较器的反相输入端连接到外部参考电压输入端；所述电流互感器的输出端连接到桥式整流器的交流输入端，桥式整流器的直流电压输出端连接到所述比较器的同相输入端；所述电压比较器的输出端，通过光耦或光纤隔离，连接到所述限流保护单元的另一个输入端。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路，利用Uce检测单元和电流传感器检测，对被保护的IGBT功率模块实现综合保护，大大提高了短路保护电路的可靠性。通过使用光耦或光纤隔离，同一组功率模块可以共用一套电流传感器和过电流检测单元，从而在提高保护电路可靠性的同时，降低综合过流保护电路的复杂性和制造成本。

附图说明

图1是本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路的结构框图；

图2是本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路的电路图；

图3是IGBT功率模块的故障电流监测点示意图。

以上图中的各部件的标号：200-被保护的IGBT功率模块，600-限流保护单元，610-Uce检测单元，620-过电流检测单元，621-外部参考电压输入端，630-电流传感器，640-软关断控制电路，700-IGBT驱动电路。

具体实施方式

为了能更好地理解本实用新型的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步详细描述。

若故障电流检测在IGBT功率模块之外进行，则故障电流信号首先被送至逆变器的控制电路，并从控制单元发出触发故障反应程序，这一过程被称作慢保护。此过程甚至还可以由逆变器的控制调节系统来处理(例如系统对过载的反应)，使IGBT的总响应时间延长。图3给出了一个IGBT功率模块的故障电流监测点的示意图，。过电流可在1～7点检测；桥臂直通短路可在1～4和6、7点检测；负载短路可在1～7点检测；对地短路再在1、3、5、6点检测，或通过计算1与2点电流之差而得到。原则上，IGBT短路保护要求具有快速性，以在驱动电路的输出端实现直接控制，原因是在短路发生后IGBT功率模块必须在10μs之内关闭，为此，故障电流可以在监测点3、4、6和7处检测。在1～5点测量故障电流可以通过测量分流器或者测量用电流互感器来实现。采用测量用分流器检测过电流的检测方法简单，要求用低电阻、低电感的功率分流器，测量信号对干扰高度灵敏，测量信号不带电位隔离。采用电流互感器检测过电流远比分流器复杂，但与分流器相比较，测量信号不易受干扰，测量值已被隔离。

图1是本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路的结构框图，在图1所示的实施例中，在监测点6检测IGBT模块的Uce，实现IGBT模块各桥臂短路的保护；同时采用电流互感器检测监测点5的电流，实现负载过电流或短路的保护。本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路如图1所示，包括限流保护单元600、Uce检测单元610、过电流检测单元620、电流传感器630；限流保护单元600的输出端，与IGBT驱动电路700的输出端并联连接，并连接到被保护的IGBT功率模块200的栅极；电流传感器630串联在IGBT功率模块200的电流输出回路中，电流传感器630的检测输出端，连接到过电流检测单元620；Uce检测单元610的输入端连接到IGBT功率模块200的集电极；限流保护单元600设有两个输入端，一个输入端连接到Uce检测单元610，另一个输入端通过光耦或光纤隔离连接到电流检测单元620的输出端。

本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路的一个实施例如图2所示，限流保护单元600包含两只二极管D62，D63，绝缘栅场效应管T601和稳压二极管DZ；两只二极管D62和D63的负极与下拉电阻的一端连接在一起，构成一个逻辑或输出端，下拉电阻的另一端连接到接地点；两只二极管D62和D63的正极，分别构成限流保护单元600的一个输入端；所述逻辑或输出端连接到所述绝缘栅场效应管T601的栅极；绝缘栅场效应管T601的漏极与的稳压二极管DZ正极串联，稳压二极管DZ负极，通过一隔离二极管，连接到被保护的IGBT功率模块200的栅极。

根据图2所示的本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路，限流保护单元600还包括软关断控制电路640，软关断控制电路640包含开关晶体管T602、延时电阻R65和延时电容C65；开关晶体管T602的基极，通过延时电阻R65连接到所述逻辑或输出端，延时电容C65并联在开关晶体管T602的基极和发射极之间，开关晶体管T602的集电极，连接到IGBT驱动电路700的软关断控制信号输入端。

在图2所示的实施例中，Uce检测单元包括开关二极管D 61和三只电阻R61，R62和R63，开关二极管D 61的负极，连接到被保护的IGBT功率模块200的集电极，开关二极管D61的正极，通过一只电阻R61连接到IGBT驱动电路700的输出端；另外两只电阻R62和R63串联组成分压电路，连接到开关二极管D61的正极和接地点之间；所述分压电路的分压点，连接到限流保护单元600的一个输入端，与二极管D62的正极连接。

根据图2所示的本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路，电流传感器630包含电流互感器CT和桥式整流器；过电流检测单元620包含电压比较器IC1，电压比较器IC1的反相输入端连接到外部参考电压输入端621；电流互感器CT的输出端，连接到桥式整流器的交流输入端，桥式整流器的直流电压输出端，连接到比较器IC1的同相输入端；电压比较器IC1的输出端，通过光耦或光纤隔离，连接到限流保护单元600的另一个输入端，与二极管D63的正极连接。

当负载短路(或IGBT由于其他故障电流过流)时，IGBT功率模块200的Uce将增大，连接到IGBT功率模块200集电极的开关二极管D61的负极电位升高，D61关断，流经R61的电流通过R62和R63组成的分压器，分压点的电位升高，通过所述逻辑或输出端(二极管D62的负极)，使绝缘栅场效应管T601的栅极电位升高，绝缘栅场效应管T601导通，从而使IGBT功率模块200的栅极电压收到稳压管ZD所限制，从而限制了IGBT功率模块200的电流幅度。所述逻辑或输出端(二极管D62的负极)的电压，经延时电阻R65和延时电容C65延迟，施加到开关晶体管T602的基极，使开关晶体管T602导通，输出软关断信号。同时为了进一步提高可靠性，本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路，在级联连接的H桥IGBT功率模块200的电流回路中(图3所示的监测点5)，串联有电流传感器630的电流互感器CT，在负载短路时，电流传感器630检测到短路电流，输出电压升高，经由过电流检测单元620的比较器IC1，输出的高电平，通过光耦或光纤隔离，经二极管D63传送给限流保护单元600，使T601导通进行降栅压保护，使T602导通进行IGBT软关断保护。在级联连接的H桥IGBT功率模块中，包含若干串联连接的IGBT器件，同一组功率模块的各IGBT器件电流相同，因此，通过使用光耦或光纤隔离，同一组功率模块可以共用一套电流传感器630和过电流检测单元620，从而在提高保护电路可靠性的同时，降低综合过流保护电路的复杂性和制造成本。

在本实用新型的大功率IGBT综合过流保护电路中，IGBT驱动电路700可以使用任何现有的IGBT驱动集成电路，典型的实施例是EXB8系列的EXB840，EXB841，EXB850，EXB851，M579系列的M57957，M57958，M57962，HL系列的HL402，GH系列的GH-039等。电压比较器IC1可以采用任何现有的通用电压比较器，例如，LM331，LM339或者LM393。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的技术方案，而并非用作为对本实用新型的限定，任何基于本实用新型的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本实用新型的权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种大功率IGBT综合过流保护电路，包括限流保护单元、Uce检测单元、过电流检测单元、电流传感器，其特征在于：

所述的限流保护单元的输出端，与IGBT驱动电路的输出端并联连接，并连接到被保护的IGBT功率模块的栅极；

所述的电流传感器串联在IGBT功率模块的电流输出回路中，电流传感器的检测输出端，连接到所述的过电流检测单元；

所述的Uce检测单元的输入端连接到IGBT功率模块的集电极；

所述的限流保护单元设有两个输入端，一个输入端连接到Uce检测单元，另一个输入端通过光耦或光纤隔离连接到所述过电流检测单元。

2.根据权利要求1所述的大功率IGBT综合过流保护电路，其特征在于所述的限流保护单元包含两只二极管，一下拉电阻，一绝缘栅场效应管和一稳压二极管；两只二极管的负极与下拉电阻的一端连接在一起，构成一个逻辑或输出端，下拉电阻的另一端连接到接地点；两只二极管的正极，分别构成限流保护单元的一个输入端；所述逻辑或输出端连接到所述绝缘栅场效应管的栅极；所述绝缘栅场效应管的漏极与稳压二极管的正极串联，稳压二极管的负极通过一隔离二极管，连接到被保护的IGBT功率模块的栅极。

3.根据权利要求2所述的大功率IGBT综合过流保护电路，其特征在于所述的限流保护单元还包括软关断控制电路，所述的软关断控制电路包含开关晶体管、延时电阻和延时电容；开关晶体管的基极，通过延时电阻连接到所述逻辑或输出端，延时电容并联在开关晶体管的基极和发射极之间，开关晶体管的集电极，连接到IGBT驱动电路的软关断控制信号输入端。

4.根据权利要求1、2或3所述的大功率IGBT综合过流保护电路，其特征在于所述的Uce检测单元包括开关二极管和三只电阻，开关二极管的负极连接到被保护的IGBT功率模块的集电极，开关二极管的正极通过一只电阻连接到IGBT驱动电路的输出端；另外两只电阻串联组成分压电路，连接到开关二极管的正极和接地点之间；所述分压电路的分压点，连接到所述限流保护单元的一个输入端。

5.根据权利要求1、2或3所述的大功率IGBT综合过流保护电路，其特征在于所述的电流传感器包含电流互感器和桥式整流器；所述的过电流检测单元包含电压比较器，所述电压比较器的反相输入端连接到外部参考电压输入端；所述电流互感器的输出端连接到桥式整流器的交流输入端，桥式整流器的直流电压输出端连接到所述比较器的同相输入端；所述电压比较器的输出端，通过光耦或光纤隔离，连接到所述限流保护单元的另一个输入端。

Images