CN205355795U - 检测igbt母线电容电流的装置和igbt保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种检测IGBT母线电容电流的装置，包括印刷电路板、采样电阻和电压检测元件。本实用新型采用的检测母线电容电流方式为将电容的引脚穿过加工好的印刷电路板，利用印刷电路板板的双层走线和相应的过孔形成类似于平面变压器的N匝绕线形成的空心线圈，通过检测空心线圈的感应电压来检测IGBT母线电流，响应速度快。本实用新型的被测母线电容电流垂直于板面，仅需考量相应焊接引脚处安规绝缘，不需额外加装磁芯，结构简单，且不涉及一次侧发热问题，提高了电路的安全性。本实用新型还公开了一种IGBT保护电路，保证系统在IGBT短路故障发生时及时切断驱动，避免电力电子器件或电路中其他元件损坏。

Description

检测IGBT母线电容电流的装置和IGBT保护电路

技术领域

本实用新型涉及中、大功率电子电路，特别涉及一种检测IGBT母线电容电流的装置和IGBT保护电路。

背景技术

IGBT作为一种常见的电力电子开关器件，目前很广泛地应用在各种功率等级的电力变换设备中。当IGBT在某些情形下发生短路时，过大的短路电流可能会使IGBT结温上升到最高容许结温以上，导致本体烧毁甚至设备中的其他部件连带受损。为避免上述现象的发生，增强设备的可靠性，对IGBT进行短路保护是很有必要的。短路保护的基本流程是快速检测到短路现象并关断相应的IGBT驱动从而起到保护的作用。

对于中小功率电力电子电路，目前主流的技术是通过检测短路状态下IGBT的Vce饱和电压，在短路时，通过检测Vce退饱和来判断短路现象的发生，该做法主要缺点是必须为单个或一组并联IGBT都要设置单独的短路保护电路来检查IGBT的Vce电压、而且检测电路受主电路中的布线寄生电感等因素影响，准确性较低。对于大、中功率IGBT模块的电流检测与过流保护常采用电流传感器。但需注意要选择满足响应速度要求的电流传感器，价格和体积成为其应用的主要制约因素。

现有技术中，通过检测IGBT的Vce饱和电压判断短路技术的基本原理为当短路发生时流过IGBT的电流Ice急剧增大，Vce随之增大，当检测到的Vce大于正常工况下的设定值时，可判断短路发生。该方法需将Vce引入驱动板卡上，而IGBT的C极和E极通常和母线电压或桥臂中点输出相连，因此带来安规的风险。

随着平面变压器在电力电子电路中的应用，可利用PCB的平面变压器原理形成电流互感器检测母线电容电流。传统方法一、二次侧电流需平行于板面，电容电流对应的一次侧走线多为单匝，二次侧根据需要绕成类似涡流形式的N匝走线。由于一次侧直接与母线电压相连，对安规提出了严格的要求，同时其电流很大，带来了PCB板散热问题。另外，传统平面变压器多需要加装磁芯将所需的磁通量限于PCB板内，以便提供足够大的检测电流。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种检测IGBT母线电容电流的装置，包括印刷电路板、采样电阻和电压检测元件，所述印刷电路板上开设有通孔，所述印刷电路板包括第一走线层和第二走线层，待测的IGBT母线电容的一个引脚进入所述通孔且穿过第一走线层和第二走线层所在的平面，所述第一走线层和第二走线层之间开设有多个过孔，所述第一走线层和第二走线层上均设置有多个导线，多个所述导线与所述过孔连接形成空心线圈，所述空心线圈环绕在所述通孔周围，所述空心线圈与所述采样电阻串联，用于检测所述采样电阻上电压的所述电压检测元件与所述采样电阻连接。

进一步地，所述多个过孔分布于同心的第一圆周和第二圆周上，所述第一圆周和第二圆周以所述通孔的中心为圆心。

进一步地，所述印刷电路板为双层电路板，所述第一走线层为所述双层电路板的顶层，所述第二走线层为所述双层电路板的底层。

可替换的，所述印刷电路板上的走线层多于两层，所述第一走线层和第二走线层位于所述底层之上。

优选的，所述电压检测元件为电压比较器。

可替换的，所述电压检测元件为其他用于测量电压的模拟器件。

相应地，本实用新型提供了一种IGBT保护电路，包括印刷电路板、IGBT母线电容、采样电阻、电压检测元件、电源、IGBT模块，IGBT驱动电路，

所述印刷电路板上开设有通孔，所述印刷电路板包括第一走线层和第二走线层，所述IGBT母线电容的一个引脚穿过所述通孔，所述第一走线层和第二走线层之间开设有多个过孔，所述第一走线层和第二走线层上均设置有多个导线，多个所述导线与所述过孔连接形成空心线圈，所述空心线圈环绕在所述通孔周围，所述空心线圈与所述采样电阻串联，用于检测所述采样电阻上电压的所述电压检测元件与所述采样电阻连接；

所述IGBT模块与所述电源连接，所述IGBT驱动电路分别与所述电压检测元件和IGBT模块连接，所述IGBT母线电容与所述电源串联。

进一步地，所述IGBT模块的数目为两个，所述两个IGBT模块形成半桥拓扑结构，所述IGBT母线电容的数目为两个，所述两个IGBT母线电容串联。

可替换地，所述IGBT模块的数目为四个，所述四个IGBT模块形成全桥拓扑结构。

进一步地，所述电压检测元件为电压比较器，所述电压比较器与所述IGBT驱动电路连接。

进一步地，所述电源为直流电源。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

(1)本实用新型采用的检测母线电容电流方式为将电容的引脚穿过加工好的印刷电路板，在印刷电路板上设置空心线圈形成电流互感器，通过测量空心线圈产生的感应电压来测量IGBT母线电容电流。与传统平面变压器不同，本专利一次侧电流垂直于板面，仅需考量相应焊接引脚处安规绝缘，不需额外加装磁芯，结构简单，且不涉及一次侧发热问题，提高了电路的安全性。

(2)虽然由于印刷电路板的板厚较小，磁力线穿过的平面磁通量较小，但本实用新型设置的N匝绕线串联的方式大大提高了该磁通量。另外，由于短路发生时母线电容电流急剧变化，di/dt很高，因此会有足够大的磁通变化率形成感应电动势用于短路检测。本实用新型通过检测电流变化率来检测母线电容上的电流，不同于传统电流互感器检测电流峰值的方法，响应速度快。

(3)本专利的优势在于安装简单、通用性强，价格优势明显，安规设计简易，且可以检测到与IGBT无关的母线直接短路现象(比如母线连接线缆直接短路)。特别是在中大功率电力电子电路中，本专利基于无磁平面互感器结构的检测方法响应速度快，保证系统在IGBT短路故障发生时及时切断驱动，避免电力电子器件或电路中其他元件损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本实用新型提供的检测IGBT母线电容电流的装置的结构示意图；

图2是本实用新型提供的检测IGBT母线电容电流的装置的俯视图；

图3是本实用新型提供的IGBT保护电路的结构框图；

图4是本实用新型提供的IGBT电路半桥拓扑结构的电路示意图；

图5是本实用新型提供的IGBT电路全桥拓扑结构的电路示意图；

图中：1-印刷电路板，11-第一走线层，12-第二走线层，13-导线，14-过孔，15-通孔，16-空心线圈，2-IGBT母线电容，21-引脚，3-采样电阻，4-电压检测元件，5-电源，6-IGBT模块，7-IGBT驱动电路。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

本实用新型提供了一种检测IGBT母线电容电流的装置，通过检测母线电容的电流判断IGBT是否发生短路。由于短路发生时，紧靠着IGBT或半桥或全桥的母线电容电荷因被快速抽取而形成快速增大的瞬时电流，当电流变化率超过设定阈值时判定短路发生，封锁IGBT驱动。

本实用新型采用的检测母线电容电流方式为将电容的引脚穿过加工好的印刷电路板，印刷电路板也叫印制电路板或PCB板，利用PCB板的双层走线和相应的过孔形成类似于平面变压器的N匝绕线形成的空心线圈。虽然由于PCB板板厚较小，磁力线穿过的平面磁通量较小，但N匝绕线串联的方式大大提高了该磁通量。另外，由于短路发生时母线电容电流急剧变化，di/dt很高，因此会有足够大的磁通变化率形成感应电动势用于短路检测。本实用新型通过检测电流变化率来检测母线电容上的电流，不同于传统电流互感器检测电流峰值的方法。

请参见图1、图2，本实用新型实施例提供了一种检测IGBT母线电容电流的装置，包括印刷电路板1、采样电阻3和电压检测元件4，所述印刷电路板1上开设有通孔15，所述印刷电路板1包括第一走线层11和第二走线层12，所述第一走线层11和第二走线层12之间为绝缘层，所述第一走线层11和第二走线层12均为由金属导线构成的导电层，待测的IGBT母线电容2的一个引脚21穿过所述通孔15，所述第一走线层11和第二走线层12之间开设有多个过孔14，所述过孔14内壁覆盖有导电材料，用于导通第一走线层11和第二走线层12之间的电路，所述第一走线层11和第二走线层12上均设置有多个导线13，多个所述导线13与所述过孔14连接形成空心线圈16，所述空心线圈16环绕在所述通孔15周围，所述空心线圈16与所述采样电阻3串联，用于检测所述采样电阻上电压的所述电压检测元件4与所述采样电阻3连接。

具体来说，所述多个所述导线13与所述过孔14连接形成多匝首尾相接的空心线圈，该空心线圈与PCB平面变压器中的线圈类似，能够产生感应电压

图2是空心线圈16的俯视图，为了方便加工空心线圈16，同时也为了准确计算空心线圈16的感应电压，所述多个过孔14分布于同心的第一圆周和第二圆周上，所述第一圆周和第二圆周以所述通孔15的中心为圆心。当然，所述多个过孔14还可以有其他的分布方式，只要能够产生感应电压即可，本实用新型不做限定。

由安培环路定律和法拉第电磁感应定律可知：

∮H·dl＝I

B＝μH

综上可得采样电阻上电压为：

$E=\frac{Nd}{2\mathrm{\π}\mathrm{\μ}}\·ln\left(\frac{R2}{R1}\right)\·\frac{dI}{dt}$

其中：N为PCB走线匝数，d为PCB板厚度，u为PCB板磁导率，R1为第一走线层11和第二走线层12内外层过孔到电容引脚的中心距，dI/dt为电容电流变化率；这里的内层和外层对应上述的所述第一圆周和第二圆周。

所述印刷电路板1可以是双层电路板，所述第一走线层11为所述双层电路板的顶层，所述第二走线层12为所述双层电路板的底层。IGBT母线电容2的一个引脚21穿过所述通孔15。

所述印刷电路板1也可以是多于两层的多层电路板。

所述电压检测元件4优选为电压比较器。电压比较器采集到采样电阻两端的电压大于预设的阈值时，判定IGBT母线线缆发生短路，或者IGBT发生短路。

实施例二：

请参见图1-图5，本实用新型提供了一种IGBT保护电路，包括印刷电路板1、IGBT母线电容2、采样电阻3、电压检测元件4、电源5、IGBT模块6，IGBT驱动电路7，

所述印刷电路板1上开设有通孔15，所述印刷电路板1包括第一走线层11和第二走线层12，所述IGBT母线电容2的一个引脚21穿过所述通孔15，所述第一走线层11和第二走线层12之间开设有多个过孔14，所述第一走线层11和第二走线层12上均设置有多个导线13，多个所述导线13与所述过孔14连接形成空心线圈16，所述空心线圈16环绕在所述通孔15周围，所述空心线圈16与所述采样电阻3串联，用于检测所述采样电阻3上电压的所述电压检测元件4与所述采样电阻3连接；

本实施例中的印刷电路板1、IGBT母线电容2、采样电阻3、电压检测元件4的具体设置方式可参照实施例一中的方式进行设置，不再赘述。

所述IGBT模块6与所述电源5连接，所述IGBT驱动电路7分别与所述电压检测元件4和IGBT模块6连接，所述IGBT母线电容2与所述电源5串联。

IGBT模块6可以是一个，采样上述方式连接。

作为一种替换方案，所述IGBT模块6的数目为两个，所述两个IGBT模块6形成半桥拓扑结构，所述IGBT母线电容2的数目为两个，所述两个IGBT母线电容2串联。图4示出了IGBT模块半桥拓扑结构的电路示意图。

作为另一种替换方案，所述IGBT模块6的数目为四个，所述四个IGBT模块6形成全桥拓扑结构。图5示出了IGBT模块全桥拓扑结构的电路示意图。

所述电压检测元件4为电压比较器，所述电压比较器与所述IGBT驱动电路7连接。

所述电源5为直流电源5。

可将IGBT母线电容2的引脚21穿过印刷电路板板面，电容电流产生的磁力线穿过由第一走线层11、第二走线层12以及过孔14形成的N个平面，将PCB板上N匝走线形成的感应线圈的两端分别连接到采样电阻两端。当短路发生时IGBT母线电容2输出电流快速变化，采样电阻上的感应电动势随之增加，当该电压高于阈值电压时，则判断为电路出现短路。采用电压比较器采集采样电阻3两端的电压，将该电压与预设的参考电压进行比较，参考电压可由电路正常工作时电容输出电流最大变化率对应的采样电阻上的感应电动势确定，并留适当的余量。

为了实现短路保护目的，需确定电路正常工作时最大的dI/dt，并在此基础上增加余量作为参考电压阈值。具体保护措施如图5所示，当采样电阻上的电压超过参考电压，电压比较器输出为0，电压比较器与IGBT驱动电路连接，封锁IGBT驱动。

具体的驱动方式如下：电压比较器输出的信号与IGBT驱动电路上的PWM使能信号PWM_ENABLE做与运算，最终将驱动使能信号DRIVER_ENABLE拉低，封锁IGBT驱动脉冲，从而保护IGBT模块。采样电阻具体取值需根据实际电路最大感应电压确定，并充分考虑功率降额。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种检测IGBT母线电容电流的装置，其特征在于，包括印刷电路板(1)、采样电阻(3)和电压检测元件(4)，所述印刷电路板(1)上开设有通孔(15)，所述印刷电路板(1)包括第一走线层(11)和第二走线层(12)，待测的IGBT母线电容(2)的一个引脚(21)穿过所述通孔(15)，所述第一走线层(11)和第二走线层(12)之间开设有多个过孔(14)，所述第一走线层(11)和第二走线层(12)上均设置有多个导线(13)，多个所述导线(13)与所述过孔(14)连接形成空心线圈(16)，所述空心线圈(16)环绕在所述通孔(15)周围，所述空心线圈(16)与所述采样电阻(3)串联，用于检测所述采样电阻(3)上电压的所述电压检测元件(4)与所述采样电阻(3)连接。

2.根据权利要求1所述的检测IGBT母线电容电流的装置，其特征在于，所述多个过孔(14)分布于同心的第一圆周和第二圆周上，所述第一圆周和第二圆周以所述通孔(15)的中心为圆心。

3.根据权利要求1所述的检测IGBT母线电容电流的装置，其特征在于，所述印刷电路板(1)为双层电路板，所述第一走线层(11)为所述双层电路板的顶层，所述第二走线层(12)为所述双层电路板的底层。

4.根据权利要求1所述的检测IGBT母线电容电流的装置，其特征在于，所述电压检测元件(4)为电压比较器。

5.一种IGBT保护电路，其特征在于，包括印刷电路板(1)、IGBT母线电容(2)、采样电阻(3)、电压检测元件(4)、电源(5)、IGBT模块(6)，IGBT驱动电路(7)，

所述印刷电路板(1)上开设有通孔(15)，所述印刷电路板(1)包括第一走线层(11)和第二走线层(12)，所述IGBT母线电容(2)的一个引脚(21)穿过所述通孔(15)，所述第一走线层(11)和第二走线层(12)之间开设有多个过孔(14)，所述第一走线层(11)和第二走线层(12)上均设置有多个导线(13)，多个所述导线(13)与所述过孔(14)连接形成空心线圈(16)，所述空心线圈(16)环绕在所述通孔(15)周围，所述空心线圈(16)与所述采样电阻(3)串联，用于检测所述采样电阻(3)上电压的所述电压检测元件(4)与所述采样电阻(3)连接；

所述IGBT模块(6)与所述电源(5)连接，所述IGBT驱动电路(7)分别与所述电压检测元件(4)和IGBT模块(6)连接，所述IGBT母线电容(2)与所述电源(5)串联。

6.根据权利要求5所述的IGBT保护电路，其特征在于，所述IGBT模块(6)的数目为两个，所述两个IGBT模块(6)形成半桥拓扑结构，所述IGBT母线电容(2)的数目为两个，所述两个IGBT母线电容(2)串联。

7.根据权利要求5所述的IGBT保护电路，其特征在于，所述IGBT模块(6)的数目为四个，所述四个IGBT模块(6)形成全桥拓扑结构。

8.根据权利要求5所述的IGBT保护电路，其特征在于，所述电压检测元件(4)为电压比较器，所述电压比较器与所述IGBT驱动电路(7)连接。

9.根据权利要求5所述的IGBT保护电路，其特征在于，所述电源(5)为直流电源(5)。