CN202564928U - 绝缘栅双极型晶体管的保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种绝缘栅双极型晶体管的保护电路。该绝缘栅双极型晶体管的保护电路包括：控制单元、可变栅极电阻、退饱和保护电路、di/dt保护电路、箝位控制电路及故障反馈电路。本实用新型通过设置所述控制单元实现了对绝缘栅双极型晶体管的智能保护，主要表现在：所述可变栅极电阻可在所述控制单元的控制下改变阻值，有效地减少绝缘栅双极型晶体管器件的导通关断损耗；所述退饱和保护电路、di/dt保护电路、箝位控制电路及故障反馈电路可在所述控制单元的控制下实现较为完善的保护功能。因此，本实用新型提供的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，保护功能更加完善，绝缘栅双极型晶体管故障率低。

Description

绝缘栅双极型晶体管的保护电路

技术领域

本实用新型涉及绝缘栅双极型晶体管驱动技术，尤其涉及一种绝缘栅双极型晶体管的保护电路。

背景技术

随着大功率电力电子半导体器件的发展，高电压、大电流的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）的应用也越来越广泛。目前，电力机车牵引变流装置中大多都采用的是IGBT器件。IGBT是一种电压驱动型器件，其输入阻抗较高，且通常工作在高频开关状态下，因此IGBT驱动主电路电感引起的电压尖峰会通过IGBT的结间电容耦合到驱动控制回路中，进而引起IGBT的误动作，严重时会超过IGBT安全工作区从而损坏IGBT。因此在大功率、高电压、大电流的IGBT模块的牵引驱动主电路中需要一种功能良好的IGBT保护电路，以避免上述问题，减少IGBT的损坏。

实用新型内容

本实用新型提供一种绝缘栅双极型晶体管的保护电路，以解决上述问题。

本实用新型是提供一种绝缘栅双极型晶体管的保护电路，包括：

用于监测绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极之间的电压，比较所述电压与预设的电压饱和下限得出比较结果，并将该比较结果输出至控制单元的退饱和保护电路；

用于监测所述绝缘栅双极型晶体管导通时集电极的电流，并依据各次所述电流计算得出所述绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时集电极的电流变化率值，将所述电流变化率值输出至所述控制单元的di/dt保护电路；

用于在监测到所述绝缘栅双极型晶体管关断时向所述控制单元输出关断状态信息；以及在从所述控制单元接收到箝位控制驱动信号后对所述绝缘栅双极型晶体管进行箝位控制的箝位控制电路；

用于记录所述绝缘栅双极型晶体管的工作状态信息，依据所述工作状态信息分析所述绝缘栅双极型晶体管是否故障，在分析得出所述绝缘栅双极型晶体管故障时向所述控制单元反馈故障反馈信号的故障反馈电路；

用于依据接收的所述比较结果和电流变化率值按照预设的控制程序向所述可变栅极电阻输出阻值调整控制信号和/或向所述绝缘栅双极型晶体管的栅极输出经调整后的驱动脉冲信号；依据接收的关断状态信息输出所述箝位控制驱动信号；以及依据接收的所述故障反馈信号关断向所述绝缘栅双极型晶体管的栅极输出的驱动脉冲信号的控制单元；

用于连接在绝缘栅双极型晶体管的栅极，依据接收的所述阻值调整控制信号调整阻值的可变栅极电阻；

其中，所述退饱和保护电路、di/dt保护电路、箝位控制电路、故障反馈电路、可变栅极电阻分别与所述控制单元连接。

如上所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其中，所述可变栅极电阻包括：可变关断栅极电阻和可变导通栅极电阻；所述可变关断栅极电阻和可变导通栅极电阻均连接在所述绝缘栅双极型晶体管的栅极；所述可变关断栅极电阻和可变导通栅极电阻的阻值调整控制信号输入端分别与所述控制单元的阻值调整控制信号输出端相连。

如上所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其中，所述的退饱和保护电路为具有两段或两段以上保护功能的多段退饱和保护电路。

如上所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，还包括高压隔离电路，该高压隔离电路设置在所述绝缘栅双极型晶体管的栅极接入侧。

如上所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其中，所述高压隔离电路为高压隔离变压器、高压隔离光电耦合器或高压隔离芯片。

如上所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，还包括用于抑制所述绝缘栅双极型晶体管栅极电压变化的栅极电压抑制电路。

如上所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其中，所述栅极电压抑制电路为稳压二极管，稳压二极管串联在所述绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间。

如上所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，还包括：用于在接收到所述故障控制信号后作出相应信号响应的故障信号电路；以及还用于在接收到所述故障反馈信号后输出故障控制信号的所述控制单元。

如上所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，所述故障信号电路为LED灯。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过设置所述箝位控制电路可有效的降低IGBT的关断电压尖峰，以减少尖峰电压对IGBT的冲击；通过设置所述退饱和保护电路以及所述di/dt保护电路可实现依据IGBT的特性曲线及工作状态进行分段的保护，提高了保护电路的保护性能，同时还提高IGBT驱动电路的工作可靠性，且降低了IGBT的故障率；通过设置所述故障反馈电路可在监测到IGBT故障时及时的反馈信号以使所述控制单元及时输出关断驱动脉冲控制信号，以停止向IGBT输出驱动脉冲信号，进一步保障IGBT的安全。另外，本实用新型还通过设置所述可变IGBT栅极电阻，可依据需求自动改变阻值，有效地减少IGBT器件的导通关断损耗，避免现有技术中电阻一旦选定就不易更改的弊端。总之，本实用新型所述IGBT的保护电路的保护性能更加完善，且IGBT出现故障的概率低。

附图说明

图1为本实用新型提供的IGBT的保护电路实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型提供的IGBT的保护电路实施例一中箝位控制电路一具体实例的电路结构示意图；

图3为本实用新型提供的IGBT的保护电路实施例二的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供的IGBT的保护电路实施例一的结构示意图。本实施例所述IGBT保护电路包括：控制单元1、退饱和保护电路3、di/dt保护电路4、箝位控制电路5、故障反馈电路6及可变栅极电阻2。其中，所述退饱和保护电路3用于监测所述绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极之间的电压，比较所述电压与预设的电压饱和下限得出比较结果，并将该比较结果输出至所述控制单元1。所述di/dt保护电路4用于监测所述绝缘栅双极型晶体管导通时集电极的电流，并依据各次所述电流计算得出所述绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时集电极的电流变化率值，将所述电流变化率值输出至所述控制单元1。所述箝位控制电路5用于在监测到所述绝缘栅双极型晶体管关断时向所述控制单元1输出关断状态信息；以及在从控制单元1接收到箝位控制驱动信号后对所述绝缘栅双极型晶体管进行箝位控制。所述故障反馈电路6用于记录所述绝缘栅双极型晶体管的工作状态信息，依据所述工作状态信息分析所述绝缘栅双极型晶体管是否故障。在所述故障反馈电路分析得出所述绝缘栅双极型晶体管故障时向所述控制单元1反馈故障反馈信号。所述控制单元1用于依据接收的所述比较结果和电流变化率值按照预设的控制程序向所述可变栅极电阻2输出阻值调整控制信号和/或向所述绝缘栅双极型晶体管的栅极输出经调整后的驱动脉冲信号；控制单元1用于依据接收的关断状态信息输出所述箝位控制驱动信号；以及控制单元1用于依据接收的所述故障反馈信号关断向所述绝缘栅双极型晶体管的栅极输出的驱动脉冲信号。所述可变栅极电阻2连接在绝缘栅双极型晶体管的栅极。该可变栅极电阻2用于依据接收的所述阻值调整控制信号调整阻值。

上述实施例中，所述可变栅极电阻会根据所述控制单元输出的阻值调整控制信号在较短的响应时间内（大约在50纳秒内）在毫欧级至几十欧之间切换变动，大大降低了IGBT的开关损耗。其中，用于控制所述可变栅极电阻的阻值调整控制信号的生成依据所述控制单元内预设的软件程序来实现。该软件程序可依据IGBT的工作特性和需求编程实现。

所述箝位控制电路可选用现有技术中已有的有源箝位控制电路。所述有源箝位电路的作用是箝住IGBT的集电极电位使其不要到达太高的水平。实际上，在IGBT关断时，若IGBT集电极产生的电压尖峰太高或者太陡，都会使IGBT受到威胁。IGBT在正常情况关断时电压尖峰会比较小，但在IGBT非正常关断时，例如由IGBT构成的变流器过载或者桥臂短路时，IGBT集电极此时就会产生非常高的电压尖峰，IGBT非常容易被打坏。具体地，所述的有源箝位控制电路可采用如图2所述的电路结构。如图中所述，所述有源箝位控制电路包括：稳压二极管Z、三极管V和第一电阻R1。其中，所述稳压二极管Z的正极与所述三极管V的集电极相连，所述稳压二极管Z的负极与所述IGBT的集电极C相连。所述三极管V的发射极与所述第一电阻R1的一端相连，所述三极管V的栅极与所述控制单元的箝位控制驱动信号输出端相连。所述第一电阻R1的另一端与所述IGBT的栅极G相连。

具体地，上述实施例中所述di/dt保护电路串联在所述IGBT的集电极端。di/dt保护电路的工作原理是：在运行中，di/dt保护电路不断检测IGBT导通时流经IGBT集电极的电流上升率。当电流上升率高于保护设定的电流上升率时，di/dt保护启动，进入延时阶段。若在整个延时阶段，电流的上升率都高于保护设定值，那么保护动作；若在延时阶段，电流上升率回落到保护设定值之下，那么保护返回。

具体地，上述实施例中所述的退饱和保护电路的电压监测端分别连接在所述IGBT的集电极和发射极。所述的退饱和保护电路是依据IGBT的集电极ic电流升高时IGBT集电极和发射极之间的电压Vce也跟着升高的现象，通过实时监测Vce的值，并将监测到的Vce值与饱和下限值信号进行比较，将比较结果输出至所述控制单元，由所述控制单元依据比较结果调整输入至所述IGBT的驱动脉冲信号，进而实现对IGBT的短路保护。

上述实施例中所述的可变栅极电阻可在所述控制单元的控制下改变阻值，能有效的减少IGBT器件的导通关断损耗。同时，本实施例采用了较为完善的保护功能，即采用了退饱和保护电路使IGBT模块免受各种硬短路或软短路的破坏；采用了di/dt保护电路，在硬短路的情况下，di/dt保护触发更快，保护效果更好；采用了箝位控制保护电路可有效避免IGBT关断过程中的集电极和发射极之间电压Vce过压的现象，有效的减小电压尖峰避免IGBT损坏；采用了故障反馈电路可在所述IGBT出现故障时停止向所述IGBT输出驱动脉冲信号，以进一步保护IGBT，以免损坏。总之，本实施例提供了一种保护功能更为全面的一种IGBT的保护电路。

为了达到对IGBT更好的驱动效果，IGBT开通和关断可以采取不同的驱动速度。例如：IGBT关断时栅极电阻最好大一些，这样可有效限制流经IGBT集电极和发射极电流的变化率di/dt，进而降低过压尖峰。为实现上述目的，本实用新型提供了所述IGBT的保护电路的另一个实施例。如图3所示，本实施例二基于实施例一，将实施例一中所述的可变栅极电阻2分为可变关断栅极电阻201和可变导通栅极电阻202。所述可变关断栅极电阻201和可变导通栅极电阻202均连接在所述绝缘栅双极型晶体管的栅极；所述可变关断栅极电阻201和可变导通栅极电阻202的阻值调整控制信号输入端分别与所述控制单元1的阻值调整控制信号输出端相连。

进一步地，上述各实施例中所述退饱和保护电路可选用具有两段或两段以上保护功能的多段退饱和保护电路。本实施例中所述的两段或两段以上保护功能的多段退饱和保护电路其理论基础是：当系统发生短路时，可以采用分段降低IGBT栅极电压的方法来进行保护，其旨在减缓关断IGBT的时间，使IGBT在短路时仍维持导通，并设法延长IGBT允许承受过电流的时间，减少关断时的电压过冲，以避免发生擎住效应而损坏模块。

具体地，所述多段退饱和保护电路的工作原理如下：

当所述退饱和保护电路监测到IGBT集电极和发射极之间的电压Vce大于预设的电压饱和下限时，即表明IGBT驱动电路处于短路状态。控制单元在接收到所述退饱和保护电路输出的比较结果后，依据该比较结果输出相应的阻值调整控制信号和/或驱动脉冲信号，以迫使IGBT栅极电压下降到第一电平，短路电流降低，但IGBT仍维持导通，延长IGBT的短路允许承受时间。多段退饱和保护电路在IGBT栅极电压降压的同时开始计时，当计时时间到达预设固定延时时，若退饱和保护电路仍监测到Vce大于预设的电压饱和下限，即仍处于短路状态，则所述控制单元依据输出的相应控制信号以迫使IGBT栅极电压下降到第二电平，再次降低短路电流，延长IGBT的短路允许承受时间。同样在降压后开始计时，以下步骤同前述内容。重复上述步骤将IGBT的栅极电压下降n次，直至多段退饱和保护电路监测到IGBT的Vce小于预设的电压饱和下限时，控制单元依据多段退饱和保护电路输出的比较结果输出相应的控制信号以恢复IGBT的工作状态。所述多段退饱和电路选择分段保护的段数可依据实践经验选择设置。对于现有应用在电力机车牵引变量装置中的IGBT来说，优选4段退饱和保护电路进行短路保护。

其中，上述退饱和保护过程中，所述IGBT在每降低一次栅极电压后，从开始计时到计时达到预设固定延时这一段时间内，IGBT的集电极电流被限制在一个较小的值，进而降低了IGBT的功耗，延长了IGBT抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对IGBT保护十分有利。

本实施例选择多段退饱和保护电路的有益效果是：IGBT在被迅速关断时会产生内部电应力。为减少该内部电应力，在对IGBT退饱和保护时不宜硬关断，应采取控制关断技术，即分段对IGBT的栅极进行降压直至关断，其关断过程曲线应与IGBT输出曲线配合，不宜陡降，也不宜缓降，因此采用本实施例中所述多段退饱和保护电路可有效实现上述过程。

再进一步地，为了提高IGBT驱动电路的抗干扰性，上述各IGBT保护电路实施例中还包括高压隔离电路，该高压隔离电路设置在所述IGBT栅极接入侧。其中，所述高压隔离电路可选用高压隔离变压器、高压隔离光电耦合器或高压隔离芯片。

再进一步地，上述各实施例中所述的IGBT的保护电路还包括：栅极电压抑制电路，用于抑制所述绝缘栅双极型晶体管栅极电压变化。其中，所述栅极电压抑制电路可选用稳压二极管。稳压二极管串联在所述绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间。

更进一步地，上述各实施例中所述的IGBT的保护电路还包括故障信号电路7，如图3所示。所述控制单元1在本实施例中还用于在接收到所述故障反馈信号后输出故障控制信号。所述故障信号电路7用于在接收到所述故障控制信号后作出相应信号响应。其中，所述故障信号电路为LED灯。所述LED灯在接收到所述故障控制信号后亮灯，或闪烁。

本实用新型提供的实施例可变IGBT栅极电阻可在所述控制单元的控制下改变阻值，有效地减少IGBT器件的导通关断损耗，避免现有技术中电阻一旦选定就不易更改的弊端。此外，本实用新型采用了较为完善的保护电路，能够依据所述IGBT的特性曲线及运行状态进行分段保护，可有效的降低IGBT的关断电压尖峰，减少尖峰电压对IGBT的冲击，可在监测到IGBT出现故障时停止向所述IGBT输出驱动脉冲信号，进一步保障IGBT的工作安全性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其特征在于，包括：

用于监测绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极之间的电压，比较所述电压与预设的电压饱和下限得出比较结果，并将该比较结果输出至控制单元的退饱和保护电路；

用于监测所述绝缘栅双极型晶体管导通时集电极的电流，并依据各次所述电流计算得出所述绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时集电极的电流变化率值，将所述电流变化率值输出至所述控制单元的di/dt保护电路；

用于在监测到所述绝缘栅双极型晶体管关断时向所述控制单元输出关断状态信息；以及在从所述控制单元接收到箝位控制驱动信号后对所述绝缘栅双极型晶体管进行箝位控制的箝位控制电路；

用于记录所述绝缘栅双极型晶体管的工作状态信息，依据所述工作状态信息分析所述绝缘栅双极型晶体管是否故障，在分析得出所述绝缘栅双极型晶体管故障时向所述控制单元反馈故障反馈信号的故障反馈电路；

用于依据接收的所述比较结果和电流变化率值按照预设的控制程序向所述可变栅极电阻输出阻值调整控制信号和/或向所述绝缘栅双极型晶体管的栅极输出经调整后的驱动脉冲信号；依据接收的关断状态信息输出所述箝位控制驱动信号；以及依据接收的所述故障反馈信号关断向所述绝缘栅双极型晶体管的栅极输出的驱动脉冲信号的控制单元；

用于连接在绝缘栅双极型晶体管的栅极，依据接收的所述阻值调整控制信号调整阻值的可变栅极电阻；

其中，所述退饱和保护电路、di/dt保护电路、箝位控制电路、故障反馈电路、可变栅极电阻分别与所述控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其特征在于，所述可变栅极电阻包括：可变关断栅极电阻和可变导通栅极电阻；所述可变关断栅极电阻和可变导通栅极电阻均连接在所述绝缘栅双极型晶体管的栅极；所述可变关断栅极电阻和可变导通栅极电阻的阻值调整控制信号输入端分别与所述控制单元的阻值调整控制信号输出端相连。

3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其特征在于，所述的退饱和保护电路为具有两段或两段以上保护功能的多段退饱和保护电路。

4.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其特征在于，还包括高压隔离电路，该高压隔离电路设置在所述绝缘栅双极型晶体管的栅极接入侧。

5.根据权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其特征在于，所述高压隔离电路为高压隔离变压器、高压隔离光电耦合器或高压隔离芯片。

6.根据权利要求1至4中任一所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其特征在于，还包括用于抑制所述绝缘栅双极型晶体管栅极电压变化的栅极电压抑制电路。

7.根据权利要求6所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其特征在于，所述栅极电压抑制电路为稳压二极管，稳压二极管串联在所述绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间。

8.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其特征在于，还包括：用于在接收到所述故障控制信号后作出相应信号响应的故障信号电路；以及还用于在接收到所述故障反馈信号后输出故障控制信号的所述控制单元。

9.根据权利要求8所述的绝缘栅双极型晶体管的保护电路，其特征在于，所述故障信号电路为LED灯。

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