CN202652171U - 可靠灵敏的igbt过流保护电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种保护电路。目的是提供的保护电路具有灵敏度高的特点。技术方案是：可靠灵敏的IGBT过流保护电路，包括IGBT驱动芯片UB1、Vce采样电路及IGBT控制电路；其特征在于：过流保护电路还设有互感采样电路，互感采样电路由电流传感器T1、电阻RLF1、二极管DD2、电阻R2152、稳压管DQ11组成，电流传感器T1的输入端中，1号接线端接负载L，2号接线端与IGBT的集电极及Vce采样电路连接，电流传感器T1的输出端中，3号接线端分两路，一路经电阻RLF1接地，另一路通过依序串联的二极管DD2、电阻R2152、稳压管DQ11连接IGBT驱动芯片UB1的DESAT引脚，4号接线端接地。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种保护电路，具体是一种可靠的、具有高灵敏度的IGBT过流保护电路，适用于电磁加热技术领域。
背景技术
随着电磁加热技术在工业中的应用越来越广泛，电磁加热装置的控制器也暴露了出寿命不长等问题，控制器中的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）虽然已经采用了常规的保护措施但仍然屡屡损坏。具体原因是：工业使用的控制器属于大功率电磁加热控制器，长期频繁的大电流切换状态加上会随温度变化的感性负载，容易造成IGBT在大电流下瞬间关断，导致IGBT超出关断安全工作区而处于擎住状态，从而过流损坏，因此工业使用的电磁加热控制器需要更快速更合理的IGBT过流保护功能才能有效保护IGBT。
发明内容
本实用新型的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种IGBT过流保护电路的改进，该保护电路应具有可靠性好、灵敏度高、结构简单的特点。
本实用新型提供的技术方案是：
可靠灵敏的IGBT过流保护电路，包括IGBT驱动芯片UB1、Vce采样电路以及IGBT控制电路；其特征在于：所述过流保护电路还设有互感采样电路，该互感采样电路由电流传感器T1、电阻RLF1、二极管DD2、电阻R2152、稳压管DQ11组成，电流传感器T1的输入端中，1号接线端接负载L，2号接线端与IGBT的集电极以及所述Vce采样电路连接，电流传感器T1的输出端中，3号接线端分两路，一路经所述电阻RLF1接地，另一路通过依序串联的所述二极管DD2、电阻R2152、稳压管DQ11连接IGBT驱动芯片UB1的DESAT引脚，4号接线端接地。
所述Vce采样电路包括依序串联的二极管DD1、电阻R2151、电容C229，电阻R2151和电容C229之间的节点连接所述IGBT驱动芯片UB1的DESAT脚，二极管DD1的负极连接所述电流传感器T1的2号引脚。
所述控制电路由电阻R217、R218、稳压管DQ12、DQ13组成，所述电阻R217的一端连接IGBT驱动芯片UB1的OUT引脚，另一端分三路，第一路连接IGBT的门极，IGBT的发射极接地，第二路通过所述电阻R218接地、第三路与稳压管DQ13的负极连接，稳压管DQ13的正极与稳压管DQ12的正极连接，稳压管DQ12的负极接地。
本实用新型的工作原理是：Vce采样电路具有响应速度快的特点，但其灵敏性较差（需要较大的电流才能响应，速度快），而互感采样电路的特点是响应速度较慢，但灵敏度高的特点（较小的电流就能响应，但速度较慢）；本实用新型将两种采样电路结合，当IGBT的电流较大时，Vce采样电路进行采样，当IGBT的电流较小时，互感器将电流放大，电阻RLF1的电压升高，互感采样电路可以通过二极管DD2、电阻R2152和稳压管DQ11采样；当采样电路检测到过流时，IGBT驱动芯片UB1的OUT脚发出信号，降低IGBT的门极电压，从而关断IGBT防止其损坏。
本实用新型的有益效果是：本实用新型将常规的Vce采样电路和互感采样电路结合在一起，综合两种采样电路的特点，使得本实用新型具有响应速度快、灵敏度高的特点；试验中发现，不论对于负载短路，电容击穿引起的过流，还是输入电压过高引起的过流都能很好地保护控制器不受损坏。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，可靠灵敏的IGBT过流保护电路，包括IGBT驱动芯片UB1（选用HCPL-316J）、Vce采样电路以及IGBT控制电路；所述Vce采样电路包括依序串联的二极管DD1、电阻R2151、电容C229，电阻R2151和电容C229之间的节点连接所述IGBT驱动芯片UB1的DESAT脚。所述控制电路由电阻R217、R218、稳压管DQ12、DQ13组成，所述电阻R217的一端连接IGBT驱动芯片UB1的OUT引脚，另一端分三路，第一路连接IGBT的门极G，IGBT的发射极E接地，第二路通过所述电阻R218接地、第三路与稳压管DQ13的负极连接，稳压管DQ13的正极与稳压管DQ12的正极连接，稳压管DQ12的负极接地。
上述电路结构与常规的过流保护电路类似，Vce采样电路以及IGBT控制电路的工作原理在此不作详细介绍。
本实用新型在上述常规过流保护电路的基础上，增设了互感采样电路，该互感采样电路由电流传感器T1、电阻RLF1、二极管DD2、电阻R2152、稳压管DQ11组成。电流传感器T1的输入端中，1号接线端接负载L，2号接线端与IGBT的集电极C，2号接线端同时与所述Vce采样电路中二极管DD1的负极连接，电流传感器T1的输出端中，3号接线端分两路，一路经所述电阻RLF1接地，另一路通过依序串联的所述二极管DD2、电阻R2152、稳压管DQ11连接IGBT驱动芯片UB1的DESAT引脚，4号接线端接地。
尚需说明的是，如图1所示，一般地情况下所述负载连接有两个IGBT，每个IGBT均配置有一过流保护电路，图1为了图纸清晰显示，仅画出其中一个IGBT的过流保护电路。
本实用新型所述的所有元器件均可外购获得。
IGBT最重要的保护环节就是高性能的过流保护电路的设计。专用驱动模块都带有过流保护功能。一些分立的驱动电路也带有过电流保护功能。在工业应用中，一般都是利用这些瞬时过电流保护信号，通过触发器时序逻辑电路的记忆功能，构成记忆锁定保护电路，以避免保护电路在过流时的频繁动作，实现可取的过流保护。本文涉及的方案采用互感器检测协助Vce检测的双重保护电路结构。
引起IGBT失效的原因有：
1）过热损坏，
集电极电流过大引起的瞬时过热及其它原因，如散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度(约250℃)，器件将失去阻断能力，门极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。实际运行时，一般极限高温为130℃左右，保护温度设置在80℃-90℃比较合适。
2)超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏，
擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。IGBT为PNPN4层结构。体内存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻Rs，P型体内的横向空穴电流在电阻RS上会产生一定的电压降，对NPN基极来说，相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不大，对NPN晶体管不起任何作用。当集电极电流增大到一定程度时，该正向电压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是，寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，引起较大位移电流，流过电阻RS，产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管自锁。
3)瞬态过电流损坏，
IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。
4）过电压损坏，
过电压造成集电极-发射极击穿。过电压造成门极-发射极击穿。
IGBT过流损坏形式及对应措施有以下几点。
IGBT 作为功率回路的重要换流器件，一旦出现意外很有可能炸机，所以针对IGBT 的保护尤其重要。由于过流是引起IGBT损坏的主要原因，这里单独描述IGBT的过流保护。IGBT出现短路的几率并不是很大，但是如果出现短路却没有及时保护住，后果将是毁灭性的。因此拥有可靠的IGBT过流保护电路是必须的。过流的形式主要以下有两种：
a.锁定效应引起的过流损坏。IGBT为复合器件，其内部有寄生晶闸管，在漏极电流大到一定程度后寄生晶闸管开通，门极失去控制，发生锁定效应后，集电极电流太大使IGBT损坏。为避免IGBT发生锁定效应损坏，电路设计时应保证在任何状态下器件最大工作电流都不超过IGBT的Idm值或者在电流回路中用电容隔直。同时通过加大驱动电阻延长关断时间，减少器件的di/dt（电流变化率）。IGBT最好加负电压，有负偏压的情况下，驱动电压在10-15V之间，IGBT发射极电流可在5-10μs内超过额定电流的4-10倍，由于变换器负载冲击特性各不相同，且供电设备可能发生电源故障短路，所以变换器设计采取限流措施进行电流限制。
b.短路超时(大于10μs)。当IGBT承受电流值超出短路安全区所限定的最大边界，例如4-5倍额定电流时，必须在10μs内关断IGBT。产生过流的原因大致有：晶体管或二极管损坏、控制与驱动电路故障或干扰等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、输出端对地短路与绝缘损坏、逆变桥的桥臂短路等。IGBT承受过电流的时间仅为几微秒，为了保护IGBT，必须选择合理的IGBT关断方式，改善IGBT关断时电压电流的轨迹。当IGBT过流时，首先要设法延长IGBT能够承受过流的时间，然后减小电流并关断。
Claims (3)
1.可靠灵敏的IGBT过流保护电路，包括IGBT驱动芯片UB1、Vce采样电路以及IGBT控制电路；其特征在于：所述过流保护电路还设有互感采样电路，该互感采样电路由电流传感器T1、电阻RLF1、二极管DD2、电阻R2152、稳压管DQ11组成，电流传感器T1的输入端中，1号接线端接负载L，2号接线端与IGBT的集电极以及所述Vce采样电路连接，电流传感器T1的输出端中，3号接线端分两路，一路经所述电阻RLF1接地，另一路通过依序串联的所述二极管DD2、电阻R2152、稳压管DQ11连接IGBT驱动芯片UB1的DESAT引脚，4号接线端接地。
2.根据权利要求1所述的可靠灵敏的IGBT过流保护电路，其特征在于：所述Vce采样电路包括依序串联的二极管DD1、电阻R2151、电容C229，电阻R2151和电容C229之间的节点连接所述IGBT驱动芯片UB1的DESAT脚，二极管DD1的负极连接所述电流传感器T1的2号引脚。
3.根据权利要求1或2所述的可靠灵敏的IGBT过流保护电路，其特征在于：所述控制电路由电阻R217、R218、稳压管DQ12、DQ13组成，所述电阻R217的一端连接IGBT驱动芯片UB1的OUT引脚，另一端分三路，第一路连接IGBT的门极，IGBT的发射极接地，第二路通过所述电阻R218接地、第三路与稳压管DQ13的负极连接，稳压管DQ13的正极与稳压管DQ12的正极连接，稳压管DQ12的负极接地。
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