CN203932987U - 具有消隐功能的igbt短路保护电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种具有消隐功能的IGBT短路保护电路，包括：IGBT门极驱动电路；由隔离驱动光耦U2、稳压管D15、超快恢复二极管D13、电阻R13、电阻R14、电容C27等元件连接而成的IGBT短路检测电路；由隔离驱动光耦U2，电阻R24、电容C39、电容C40、场效应管Q7等元件连接而成IGBT短路检测消隐电路。IGBT短路检测单元通过隔离驱动光耦与外围电路配合，形成恒流源电路，在IGBT开通后，检测其集电极和发射极两端压降Vce是否超过电路设定值，来判断IGBT是否发生短路故障。IGBT短路检测消隐电路，当IGBT开通初期，门极驱动电压上升过程中，将短路检测单元旁路，当门极驱动电压上升完成后，消隐功能结束，短路检测单元发挥作用。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域中的功率器件保护电路，具体地指一种具有消隐功能的IGBT短路保护电路。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)，是电力晶体管和功率场效应管组成的复合器件，由于其具有输入阻抗高、工作速度快、耐压高等特点，因此在电力电子装置、交流调速系统中占据了主导地位，例如变频器、风电、UPS等大多采用IGBT作为主要的功率开关器件。
在IGBT的使用中，对IGBT的保护最为关键，一方面是因为IGBT器件本身较为昂贵，另一方面是由于IGBT损坏将带来严重影响与伤害。此外IGBT在功率变换及交流调速中起到核心作用，其应用场合多变、使用环境恶劣，所以对IGBT进行可靠保护尤其是短路保护至关重要，是业内长期的研究课题。
目前，对于IGBT短路检测的主要方法是：利用IGBT导通时，管压降Vce与集电极电流Ic成比例的特性进行保护，即当集电极电流增加时，管压降Vce也随之增大。当IGBT出现短路时，Vce也增大到IGBT保护的阈值，此时便触发驱动电路关断IGBT。依据IGBT的这个特性，目前已经有一些厂家开发出集IGBT驱动、过流保护、甚至驱动欠压保护功能于一体的隔离驱动光耦，如HCPL-316J、HCPL-332J、PC929等，有一些厂家开发出专用驱动模块对IGBT进行驱动及保护，但是无论是隔离驱动光耦还是专用驱动模块，在检测到短路故障时，会立即关断IGBT，然后发送故障信号给逻辑处理电路，并阻断PWM信号的输入。
采取专用驱动模块方式，虽然在IGBT驱动和保护方面有较高的能力，但驱动模块价格昂贵，占用空间较大，不利于产品小型化和降低成本，且其提供的接口不是完全按照应用者的需求来制定，也就不能使硬件电路的布局、走线达到最优化。
采用隔离驱动光耦方式，电路原理通常是：当开通IGBT的逻辑信号到达光耦输入端，光耦输出正电压给IGBT门极，同时光耦的内部集成恒流源开启，通过其检测引脚(DESAT)向外输出，在IGBT未完全开通、处于线性区时，集电极(C)和发射极(E)两端有较高的半通态阻抗，集电极大电流通过时产生较高的管压降，导致光耦的检测引脚(DESAT)与IGBT的C、E极的回路被截止，如果此时光耦检测引脚(DESAT)没有其他回路，该引脚的电压将立即超过光耦内部比较器的参考电压，光耦做出短路保护处理，关断IGBT并报故障，导致IGBT开通失败。为了避免这种情况，一般在光耦检测引脚(DESAT)接小容量的电容，在IGBT半通态时，形成短暂的电容充电回路，将该引脚电压箝位，以免误保护。IGBT完全开通进入饱和区时，通态阻抗低，光耦检测引脚(DESAT)输出的电流可以通过IGBT的C、E极，也就能检测C、E两端的压降。
然而通常的隔离驱动光耦方式，其检测引脚(DESAT)输出的电流非常微弱，为微安级，容易受到干扰，尤其在IGBT控制的高电压、大电流频繁、快速通断场合，在IGBT开通阶段，会有非常大的电流变化率(di/dt)、在线路寄生电感、引线电感的共同作用下会产生尖峰电压，通过传导或串扰等方式干扰光耦的短路检测回路，引起检测回路的电压波动或电压毛刺产生，一旦超过光耦内部比较器的参考电压，将误触发光耦进行保护处理并报故障，导致IGBT错误关断，设备不能正常运转。
发明内容
本实用新型目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种具有消隐功能的IGBT短路保护电路，其特征在于，包括：IGBT门极驱动电路、IGBT短路检测电路和IGBT短路检测消隐电路；
所述IGBT门极驱动电路包括隔离驱动光耦，所述隔离驱动光耦的正电压输出脚与IGBT的门极连接；
所述IGBT短路检测电路包括：
超快恢复二极管，其阳极与所述隔离驱动光耦的检测引脚连接，阴极与IGBT的集电极连接；
第一电阻，其一端连接在所述超快恢复二极管的阳极与所述隔离驱动光耦的检测引脚之间，另一端连接+17.5v电压；
第一电容，其一端连接在所述超快恢复二极管的阳极与所述隔离驱动光耦的检测引脚之间，另一端接地；以及
稳压管，其阴极连接在所述超快恢复二极管的阳极与所述隔离驱动光耦的检测引脚之间，阳极接地。
所述IGBT短路检测消隐电路包括：
场效应管，其栅极与所述隔离驱动光耦的正电压输出脚连接；
第三电容，连接在所述场效应管栅极与所述隔离驱动光耦的正电压输出脚之间；
第四电容，其一端连接所述第三电容与所述场效应管栅极之间，另一端接地；以及
第二电阻，其一端连接所述第三电容与所述场效应管栅极之间，另一端接地。
本实用新型中的IGBT门极驱动单元采用隔离光耦集成芯片为IGBT门极提供正、负电压驱动。IGBT短路检测单元通过隔离驱动光耦与外围电路配合，形成恒流源电路，在IGBT开通后，检测其集电极(C)和发射极(E)两端压降Vce是否超过电路设定值，来判断IGBT是否发生短路故障。IGBT短路检测消隐电路，当IGBT开通初期，门极驱动电压上升过程中，将短路检测单元旁路，当门极驱动电压上升完成后，消隐功能结束，短路检测单元发挥作用。
本实用新型电路具有结构简单、稳定可靠等优点，能够在电气工业领域发挥极为重要的作用。
附图说明
图1为本实用新型具有消隐功能的IGBT短路保护电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
本实用新型具有消隐功能的IGBT短路保护电路，可应用于诸如变频器、UPS之类的IGBT控制电路上，为IGBT提供可靠的驱动以及保护电路。
如图1所示，本实施例具有消隐功能的IGBT短路保护电路包括IGBT门极驱动单元、IGBT短路检测单元和短路检测消隐单元。
其中，IGBT门极驱动单元，当选用的IGBT容量较小时，由隔离驱动光耦U2以及IGBT组成，隔离驱动光耦U2直接驱动IGBT模块的门极(G、E)；当选用的IGBT容量较大时，由隔离驱动光耦U2、推挽驱动电路、IGBT组成，U2将驱动信号传送给推挽驱动电路，推挽驱动电路再去驱动IGBT门极(G、E)。本实施例所用隔离驱动光耦U2为ACPL-332J光耦。
IGBT短路检测单元，由隔离驱动光耦U2、稳压管D15、超快恢复二极管D13、电阻R13、电阻R14、电容C27等元件连接而成，具体连接关系为：电阻R14的一端与隔离驱动光耦U2的检测引脚(14引脚)连接，电阻R14的另一端与超快恢复二极管D13的阳极连接；超快恢复二极管D13的阴极与IGBT的集电极连接；电阻R13的一端连接在电阻R14与隔离驱动光耦U2的14引脚之间，另一端连接+17.5v电压；电容C27的一端连接在电阻R14与隔离驱动光耦U2的14引脚之间，另一端接地；稳压管D15的阴极连接在电阻R14与隔离驱动光耦U2的14引脚之间，阳极接地。当开通IGBT的逻辑信号(nPWM)到达光耦U2输入端(5、8脚)，U2的11脚输出正电压给IGBT门极(G、E)，同时U2的内部集成恒流源开启，通过其检测引脚(14脚)向外输出，在IGBT未完全开通、处于线性区时，集电极(C)和发射极(E)两端有较高的半通态阻抗，此时，C27的存在，让U2的14脚形成短暂的电容充电回路，将该引脚电压箝位，以免误保护。IGBT完全开通进入饱和区时，U2的14脚输出的电流可以通过IGBT的C、E极，也就能检测C、E两端的压降，当U2的14脚电压超过6.5V时，即判断为发生短路故障，立即封锁11脚输出并通过3脚输出故障信号，该IGBT短路检测单元与通常的做法不同之处在于，使用了上拉电阻R13来将检测电流由微安级提高到毫安级，提高了抗干扰能力，同时加入稳压管D15保护U2的14脚，以免被可能串入的高压意外击穿。
IGBT短路检测消隐电路由隔离驱动光耦U2，电阻R24、电容C39、电容C40、场效应管Q7等元件连接而成。场效应管Q7的栅极通过电容C39与隔离驱动光耦U2的正电压输出脚连接，电容C40的一端连接电容C39与场效应管Q7的栅极之间，另一端接地；电阻R24的一端连接在电容C39与场效应管Q7的栅极之间，另一端接地。IGBT短路检测消隐单元能够有效地防止IGBT开通阶段可能产生的错误保护故障，当开通IGBT的逻辑信号(nPWM)到达光耦U2输入端(5、8脚)，U2的11脚输出正电压给IGBT门极(G、E)，同时也输出给电容C39、C40、R24、Q7构成的消隐电路，快速上升的11脚电压可以穿透C39，到达Q7的基极，Q7开通，将U2的14脚下拉到低电平(E)，从而在IGBT开通阶段，消隐U2的14脚检测功能，当U2的11脚电压上升完成后，由于C39的隔直作用，U2的11脚已经稳定的直流电压不能穿透C39，于是Q7基极通过R24放电，Q7关断，此时正好IGBT已经完全开通，U2的14脚检测功能恢复。C40作为充电电容，R24作为放电电阻可以调整消隐时间，以满足实际的设计需求。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非限制本实用新型专利范围。本领域的技术人员可以在上述实施例的基础上施以各种等效替换和改进，凡在权利要求范围内所做的变化，均应在本实用新型的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种具有消隐功能的IGBT短路保护电路，其特征在于，包括：IGBT门极驱动电路、IGBT短路检测电路和IGBT短路检测消隐电路；
所述IGBT门极驱动电路包括隔离驱动光耦，所述隔离驱动光耦的正电压输出脚与IGBT的门极连接；
所述IGBT短路检测电路包括：
超快恢复二极管，其阳极与所述隔离驱动光耦的检测引脚连接，阴极与IGBT的集电极连接；
第一电阻，其一端连接在所述超快恢复二极管的阳极与所述隔离驱动光耦的检测引脚之间，另一端连接+17.5v电压；
第一电容，其一端连接在所述超快恢复二极管的阳极与所述隔离驱动光耦的检测引脚之间，另一端接地；以及
稳压管，其阴极连接在所述超快恢复二极管的阳极与所述隔离驱动光耦的检测引脚之间，阳极接地；
所述IGBT短路检测消隐电路包括：
场效应管，其栅极与所述隔离驱动光耦的正电压输出脚连接；
第三电容，连接在所述场效应管栅极与所述隔离驱动光耦的正电压输出脚之间；
第四电容，其一端连接所述第三电容与所述场效应管栅极之间，另一端接地；以及
第二电阻，其一端连接所述第三电容与所述场效应管栅极之间，另一端接地。
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