CN212649088U - 一种igbt过流保护电路及空调器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了IGBT过流保护电路及空调器，该过流保护电路对PFC电路中IGBT过流保护，且包括：电流采样单元，用于采样流经IGBT的电流；比较单元，具有第一输入端、第二输入端和输出端，用于将在第一输入端处接收的电流转换的采样电压和第二输入端处接收的基准电压作比较，并在输出端处输出检测信号；自锁单元，其接收并锁定检测信号；解锁单元，其用于接收检测信号，并在锁定检测信号一段时间后解锁检测信号；隔离单元，其用于接收检测信号且输出驱动信号；驱动单元，其接收驱动信号，且根据驱动信号控制IGBT的导通与关断。本实用新型中自锁及解锁均是通过硬件电路来实现，不占用芯片资源，可靠性高，且抗干扰能力强。

Description

一种IGBT过流保护电路及空调器

技术领域

本实用新型涉及空调器技术领域，尤其涉及一种IGBT过流保护电路及空调器。

背景技术

变频空调普遍增加了功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）控制技术，以便提高功率因素，同时调节谐波电流，减少空调对电网的影响。但是有源功率因数校正控制方案相对较为复杂，控制不当很容易产生过流、过热从而烧毁IGBT（Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管），通常PFC电路中都增加了保护装置，以提高电路的可靠性。

中国实用新型专利申请号为201821460174.6、名称为“一种IGBT过流保护电路及空调器”公开了一种IGBT过流保护电路，硬件通过检测IGBT的导通电流，当超过过流设置的阈值时，保护装置及时关断IGBT栅极驱动信号，同时过流保护信号传递至控制单元及驱动单元，控制单元及驱动单元对IGBT进行关断处理，从IGBT开始过流到软件完全关断栅极驱动信号的时间一般较长（可能大于20微秒），在此期间保护装置会导致IGBT进行多次高频开关，IGBT的di/dt和dv/dt瞬间增大，导致开关损耗瞬间增大，甚至发生擎住效应，严重的会导致IGBT损坏。并且本公开中的解锁方式是通过单片机软件进行解锁，但若单片机软件设置、控制时序、逻辑不合理或者单片机抗干扰差，可能会出现解锁失效，造成保护装置失效。

发明内容

本实用新型的实施例提供一种IGBT过流保护电路，其自锁及解锁均是通过硬件电路来实现，不占用芯片资源，可靠性高，且抗干扰能力强。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用下述技术方案予以实现：

本申请涉及一种IGBT过流保护电路，其用于对PFC电路中IGBT过流保护，其特征在于，包括：

电流采样单元，其分别与IGBT的发射极和所述PFC电路中整流桥的直流侧负极连接，用于采样流经IGBT的电流；

比较单元，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，用于将在所述第一输入端处接收的所述电流转换的采样电压和所述第二输入端处接收的基准电压作比较，并在所述输出端处输出检测信号；

自锁单元，其接收所述检测信号，且所述自锁单元的输出端与所述比较单元的第二输入端连接，用于锁定所述检测信号；

解锁单元，其用于接收所述检测信号，并在所述自锁单元锁定所述检测信号一段时间后解锁所述检测信号；

隔离单元，其用于接收所述检测信号且输出驱动信号；

驱动单元，其接收所述驱动信号，且根据所述驱动信号控制IGBT的导通与关断。

在本申请的一些实施例中，所述比较单元包括比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和直流电源；

所述比较器具有：

正输入端，其分为三路，一路经过第四电阻接地，另一路经过第二电阻与直流电源连接，再一路经过与所述自锁单元的输出端连接；

负输入端，其分为两路，一路经过第三电阻分别与所述电流采样单元连接，另一路经过第一电阻与直流电源连接；

输出端，其分别与所述隔离单元的输入端、所述自锁单元的输入端、所述解锁单元的输入端及第五电阻的一端连接；

供电电源，其为所述比较器提供的电能；

其中第五电阻的另一端与所述供电电源连接。

在本申请的一些实施例中，所述自锁单元为单向导通电路。

在本申请的一些实施例中，所述隔离单元包括：

高电平导通的开关元件，所述高电平导通的开关元件的输入端与所述比较单元的输入端连接；

第六电阻，所述高电平导通的开关元件的输出端分别与第六电阻的一端及所述驱动单元连接，第六电阻的另一端连接所述比较单元的供电电源。

在本申请的一些实施例中，所述高电平导通的开关元件为：

NPN三极管，其基极与所述比较单元的输出端连接，集电极与第六电阻的一端连接，发射极接地。

在本申请的一些实施例中，所述隔离单元还包括：

第一稳压管，其阴极与所述比较单元的输出端连接，阳极与所述高电平导通的开关元件的输入端连接。

在本申请的一些实施例中，所述解锁单元还包括：

单向导通单元，其输入端与所述比较单元的输出端连接；

充放电单元，其充电回路的输入端与所述单向导通单元的输出端连接；

开关控制单元，其输入端与所述充放电单元的输出端相连，且所述单向导通单元的输出端与所述开关控制单元的输出端连接；

其中在所述充放电单元充电一段时间后所述开关控制单元控制导通。

在本申请的一些实施例中，所述充放电单元包括第七电阻、第一电容和第二稳压管；第七电阻的一端与所述单向导通单元的输出端连接，另一端分别与第一电容的一端及第二稳压管的阴极连接；第一电容的另一端接地，第二稳压管的阳极与所述开关控制单元的输入端连接。

在本申请的一些实施例中，所述开关控制单元为NPN三极管，其基极与第二稳压管的阳极连接，集电极分别与单向导通单元的输出端和第七电阻的一端连接，发射极接地。

本申请涉及的IGBT过流保护电路，通过电流采样单元采样流经IGBT的电流并转换后电压后作为比较电源的一个输入，比较单元通过比较该转换电压与基准电压，输出检测信号，根据该检测信号隔离单元输出驱动控制IGBT导通或关断的驱动信号，检测信号对IGBT导通或关断起作用，因此，自锁单元在过流时锁定检测信号并保持隔离单元输出的驱动信号控制IGBT关断，解锁电路同时接收检测信号，在IGBT关断一段时间后解锁检测信号，并使隔离单元根据输出的驱动信号控制IGBT导通，通过硬件电路实现IGBT过流时控制IGBT断开，避免IGBT因过流受到损坏，并在延时时间段后解锁，恢复IGBT过流保护装置的过流保护，该电路均采用硬件电路实现，可靠性高，且不占用芯片资源，不用编程软件，抗干扰能力强。

本申请还涉及一种空调器，包括如上所述的IGBT过流保护电路，其用于对所述PFC电路中的IGBT过流保护。

由于IGBT过流保护电路的作用，本申请中的空调器对开关管IGBT的保护效果更好、保护速度更快。

结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。

图1是现有技术中PFC电路的电路图；

图2是本实用新型提出的IGBT过流保护电路一实施例的结构框图；

图3是本实用新型提出的IGBT过流保护电路实施例的电路图，其中未示出驱动单元；

图4是本实用新型提出的IGBT过流保护电路实施例的驱动单元的电路图。

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。

PFC电路

参考图1，其示出现有PFC电路。

PFC电路包括交流电源AC、整流桥BG1、电感L、开关管IGBT、二极管D4、电解电容E1和电解电容E2。整流桥BG1的第一交流输入端连接至交流电源AC的零线端ACN，整流桥BG1的第二交流输入端连接至交流电源AC的相线端ACL。整流桥BG1的直流侧正极连接至电感L的一端，电感L的另一端分为两路，一路连接至开关管IGBT的集电极，另一路连接至二极管D4的阳极。二极管D4的阴极为PFC电路的输出端，电解电容E1、电解电容E2均连接在二极管D4的阴极与地之间。

本申请涉及的IGBT过流保护电路即是对PFC电路中开关管IGBT进行过流保护。

参考图2至图4，描述本申请中提出的IGBT过流保护电路。

本申请的IGBT过流保护电路包括电流采样单元10、比较单元20、自锁单元30、隔离单元40、驱动单元50和解锁单元60。

电流采样单元

参见图1，电流采样单元10分别与开关管IGBT的发射极、PFC电路中整流桥BG1的直流侧负极及比较单元20的输入端连接，用于采样流经PFC电路中IGBT的电流Is。

在本申请中，电流采样单元10采用采样电阻Rs，采样电阻Rs的一端与开关管IGBT的发射极连接，另一端分别与PFC电路中整流桥BG1的直流侧负极和比较单元20的输入端连接。

采样电阻Rs将所采样的电流Is（如图1和图3示出Is的电流流向）转换为采样电压Vs，Vs=-Rs*Is，Vs为负电压。

将所转换后的采样电压Vs输入至比较单元20。

比较单元

比较单元20用于将所接收的转换电压Vs和基准电压Vref进行比较，并输出一个检测信号Vo。

参见图2，该检测信号Vo分为三路：一路输入至自锁单元30，一路输入至隔离单元40，一路输入至解锁单元60。

在电流Is处于阈值处或阈值范围内时，比较单元20输出的检测信号Vo可以为低电平，而在电流Is处于阈值外或阈值范围外时，比较单元20输出的检测信号Vo可以为高电平。

参见图3，在本申请中，比较单元20具体设计成包括比较器ICIA、正输入端、负输入端、供电电源VDD和输出端，其中正输入端接收Vref，负输入端接收Va且输出端输出Vo。

为了根据电流Is的大小而对应输出不同的检测信号Vo，参考图3，比较单元20还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5。

比较器ICIA的正输入端分为三路：一路经过第二电阻R2连接直流电源VCC，一路连接自锁单元30的输出端，一路经过第四电阻R4接地。

因此，正输入端接收的电压Vref=VCC*R4/(R2+R4)。

比较器ICIA的负输入端分为两路：一路经过第一电阻R1连接直流电源VCC，一路经过第三电阻R3连接采样电阻Rs。

因此，负输入端接收的电压Va=Vs+（VCC-Vs）*R3/（R1+R3）。

在电流Is处于阈值处或阈值范围内时，Va＞Vref，比较单元20输出的检测信号Vo可以为低电平，即，Vo=0V；而在电流Is处于阈值外或阈值范围外时，Va＜Vref，比较单元20输出的检测信号Vo可以为高电平，Vo=VDD。

在比较单元20输出的检测信号Vo为低电平时，隔离单元40输出的驱动信号Fo-IGBT不影响开关管IGBT的正常工作；在比较单元20输出的检测信号Vo为高电平时，隔离单元40输出的驱动信号Fo-IGBT控制关断IGBT，起到对IGBT过流保护的作用。

自锁单元

在IGBT过流时，关断IGBT，此时需要保持自锁一段时间，以避开过流。

自锁单元30的输入端与比较器ICIA的输出端连接，即自锁单元30的输入端接收检测信号Vo。自锁单元30的输出端与比较器ICIA的正输入端连接。

在检测信号Vo=VDD时，自锁单元30需要保持锁定检测信号Vo=VDD一段时间，以防止比较器ICIA二次翻转而影响所输出的检测信号Vo。

在本申请中，自锁单元30采用单向导通电路。

在电流Is从不过流到过流时，从Va＞Vref转换为Va＜Vref，比较器ICIA输出的检测信号Vo从0V翻转至VDD，开关管IGBT关断。此时，检测信号Vo通过自锁单元30作用到Vref，使Vref被抬升，Vref变大，确保比较器ICIA的输出信号Vo不会因为Va升高（例如电流Is突降为0A而导致Va升高）而被翻转回0V，使得开关管IGBT重新导通，实现自锁可靠性。

参见图3，在本申请中，自锁单元30采用二极管D1，其阳极与比较器ICIA的输出端连接，阴极与比较器ICIA的正输入端连接。

在Vo=VDD（即电流Is过流）时，二极管D1导通，自锁单元30作用到Vref而抬升Vref，将Vref从VCC*R4/(R2+R4)抬升到Vo-0.7V（即，二极管D1的压降）。

由于二极管D1的单向导通性，因此在Vo=0V（即电流Is不过流）时，二极管D1不导通，也不会对比较器ICIA的正输入端的电压Vref产生影响，同时此时解锁单元60也不工作，对整个IGBT过流保护电路无影响。

隔离单元

参见图2，隔离单元40用于根据比较单元20输出的检测信号Vo输出控制开关管IGBT关断或导通的栅极驱动信号Fo-IGBT。

在检测信号Vo=0V（即电流Is不过流）时，隔离单元40根据检测信号Vo输出的Fo-IGBT应为高电平，开关管IGBT保持导通，PFC电路正常工作。

在检测信号Vo=VDD（即电流Is过流）时，隔离单元40根据检测信号Vo输出的Fo-IGBT应为低电平，该低电平将驱动单元50的输入端拉低成低电平，此时无论外加驱动信号PAM-IGBT是高电平还是低电平，开关管IGBT均关断，切断流经开关管IGBT的大电流，从而保护IGBT。

在本申请中，参考图3，该隔离单元40包括第六电阻R6和高电平导通的开关元件，该高电平导通的开关元件的输入端与比较器ICIA的输出端连接，第六电阻R6的一端连接比较器ICIA的供电电源VDD，另一端连接高电平导通的开关元件的输出端。

在本申请中，再参考图3，高电平导通的开关元件为NPN三极管Q1，其基极连接比较器ICIA的输出端（即接收检测信号Vo），集电极连接第六电阻R6的一端，发射极接地。

在检测信号Vo=0V时，三极管Q1关断，Fo-IGBT被上拉至高电平，此时输入至驱动单元50，高电平作用至开关管IGBT的栅极，IGBT导通，正常工作。

在检测信号Vo=VDD时，三极管Q1导通，Fo-IGBT被下拉至低电平，此时输入至驱动单元50，低电平作用至开关管IGBT的栅极，IGBT关断，以保护开关管IGBT。

在电流Is不过流时，Vo输出的并非是理想的0V，当比较器ICIA输出为0.3~0.7V时，三极管Q1即可导通，此时Fo-IGBT为低电平，则会关断IGBT，造成误关断。

为了避免误关断IGBT，提升IGBT过流保护电路可靠性，参见图3，在比较器ICIA的输出端和三极管Q1的基极之间连接有第一稳压管ZD1，第一稳压管ZD1的阴极与三极管Q1的基极连接，第一稳压管ZD1的阳极与比较器ICIA的输出端连接。

因此，即使比较器ICIA输出0.3~0.7V，第一稳压管ZD1不导通，三极管Q1栅极驱动信号仍为0V，此时仍保持三极管Q1关断，Fo-IGBT为高电平，则保持IGBT导通。

在本申请中，可以选择第一稳压管ZD1的稳压电压为1V。

驱动单元

参考图4，驱动单元50接收并联驱动信号PAM-IGBT和Fo-IGBT，外加驱动信号PAM-IGBT不影响驱动信号Fo-IGBT。

驱动单元50包括滤波电路51，其设置在接收PAM-IGBT和Fo-IGBT的输入端和开关管IGBT Q3的栅极之间，该滤波电路51由第八电阻R8和第二电容C2并联形成。

针对开关管IGBT Q3，还设置有第九电阻R9和第十电阻R10。第九电阻R9为基极限流电阻，用于限制流入IGBT Q3基极的电流。第十电阻R10是基极下拉电阻，用于保证IGBTQ3的正常工作，防止IGBT Q3受噪声信号的影响而产生误动作，使IGBT Q3关断更可靠，且IGBT Q3的基极不能出现悬空，当栅极输入信号不确定时(如输入信号为高阻态时)，加基极下拉电阻，就能使有效接地，且能够在IGBT Q3关断时通过基极下拉电阻放电。

解锁单元

在PFC电路后端负载或前端电压恢复正常后，需要对栅极驱动信号Fo-IGBT进行解锁，否则该IGBT过流保护电路失去电流保护功能。

本申请中设计的解锁单元60，用于解除自锁单元30对检测信号Vo的锁定。

参考图3，解锁单元60包括单向导通单元61、充放电单元62和高电平导通的开关元件63。

单向导通单元61采用二极管D2。

高电平导通的开关元件选择NPN三极管Q2。

充放电单元62包括第七电阻R7、第一电容C1和第二稳压管ZD2。其中第二稳压管ZD2的导通电压一般选择为1V。

二极管D2的阳极与比较器ICIA的输出端连接，阴极分别与第七电阻R7的一端和三极管Q2的集电极连接，第七电阻R7的另一端分别与第一电容C1的一端及第二稳压管ZD2的阴极连接，第二稳压管ZD2的阳极连接三极管Q2的基极，第一电容C1的另一端和三极管Q2的发射极均接地。

在检测信号Vo=VDD时，即IGBT关断，Vo通过二极管D2、第七电阻R7向第一电容C1进行充电，当第一电容C1两端的电压Vt升高至第二稳压管ZD2的导通电压（即1V）和三极管Q2导通时的基极的阈值电压（一般为0.4V）之和时，则三极管Q2导通，二极管D2的阴极被拉低至低电平0V，且同时将比较器ICIA的输出端Vo拉低为二极管D2的正向压降0.7V，由于二极管D1的单向导通性，比较器ICIA的正输入端的电压Vref由Vo-0.7V恢复至VCC*R4/(R2+R4)，此时若电流Is不过流，则恢复至Va＞Vref，此时解锁Vo=VDD而使Vo恢复至0V，三极管Q1关断，则驱动信号Fo-IGBT从低电平变为高电平，驱动信号Fo-IGBT解锁，从而通过驱动单元50控制开关管IGBT Q3关断。

根据利用RC电路充电公式，

，其中

，可以求得，

，其中在本实施例中VDD=5V，Vt=1.4V，因此，具体R5、R7和C1所需的值要通过对器件具体选型得知，从而计算得出延迟时间∆t。

继续参考图3，为了提高第一电容C1的放电速度，在三极管Q2的发射极和集电极之间反向并联有二极管D3，其阳极与三极管Q2的发射极连接，阴极与三极管Q2的集电极连接。

在第一电容C1充电和三极管Q2导通的过程中，二极管D3均不影响保护电路的正常工作。当Vo=0V而IGBT过流保护电路正常工作后，第一电容C1开始第七电阻R7和三极管Q2放电，而在三极管Q2关断后，第一电容C1上的残留电荷通过第七电阻R7和二极管D3放电，彻底将第一电容C1上的电荷放干净，以便在下次充电时的电压时从0V开始，保证解锁单元60延时时间的一致性。

PFC电路主要用于直流变频空调的外机电源主回路上，对AC-DC进行功率因素校正。采用PFC电路后，可将变频空调向电网注入的谐波含量限制在最低水平，功率因素接近于1，能够大大提高电网利用率。

将如上所述的IGBT过流保护电路应用在PFC电路，这样，由于IGBT过流保护电路的作用，本实施例中的空调器对IGBT的保护效果好且可靠性高，从而提高空调器的可靠性。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种IGBT过流保护电路，其用于对PFC电路中IGBT过流保护，其特征在于，包括：

电流采样单元，其分别与IGBT的发射极和所述PFC电路中整流桥的直流侧负极连接，用于采样流经IGBT的电流；

比较单元，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，用于将在所述第一输入端处接收的所述电流转换的采样电压和所述第二输入端处接收的基准电压作比较，并在所述输出端处输出检测信号；

自锁单元，其接收所述检测信号，且所述自锁单元的输出端与所述比较单元的第二输入端连接，用于锁定所述检测信号；

解锁单元，其用于接收所述检测信号，并在所述自锁单元锁定所述检测信号一段时间后解锁所述检测信号；

隔离单元，其用于接收所述检测信号且输出驱动信号；

驱动单元，其接收所述驱动信号，且根据所述驱动信号控制IGBT的导通与关断。

2.根据权利要求1所述的IGBT过流保护电路，其特征在于，所述比较单元包括比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和直流电源；

所述比较器具有：

正输入端，其分为三路，一路经过第四电阻接地，另一路经过第二电阻与直流电源连接，再一路经过与所述自锁单元的输出端连接；

负输入端，其分为两路，一路经过第三电阻分别与所述电流采样单元连接，另一路经过第一电阻与直流电源连接；

输出端，其分别与所述隔离单元的输入端、所述自锁单元的输入端、所述解锁单元的输入端及第五电阻的一端连接；

供电电源，其为所述比较器提供的电能；

其中第五电阻的另一端与所述供电电源连接。

3.根据权利要求2所述的IGBT过流保护电路，其特征在于，所述自锁单元为单向导通电路。

4.根据权利要求1所述IGBT过流保护电路，其特征在于，所述隔离单元包括：

高电平导通的开关元件，所述高电平导通的开关元件的输入端与所述比较单元的输入端连接；

第六电阻，所述高电平导通的开关元件的输出端分别与第六电阻的一端及所述驱动单元连接，第六电阻的另一端连接所述比较单元的供电电源。

5.根据权利要求4所述的IGBT过流保护电路，其特征在于，所述高电平导通的开关元件为：

NPN三极管，其基极与所述比较单元的输出端连接，集电极与第六电阻的一端连接，发射极接地。

6.根据权利要求5所述的IGBT过流保护电路，其特征在于，所述隔离单元还包括：

第一稳压管，其阴极与所述比较单元的输出端连接，阳极与所述高电平导通的开关元件的输入端连接。

7.根据权利要求1所述的IGBT过流保护电路，其特征在于，所述解锁单元还包括：

单向导通单元，其输入端与所述比较单元的输出端连接；

充放电单元，其充电回路的输入端与所述单向导通单元的输出端连接；

开关控制单元，其输入端与所述充放电单元的输出端相连，且所述单向导通单元的输出端与所述开关控制单元的输出端连接；

其中在所述充放电单元充电一段时间后所述开关控制单元控制导通。

8.根据权利要求7所述的IGBT过流保护电路，其特征在于，所述充放电单元包括第七电阻、第一电容和第二稳压管；第七电阻的一端与所述单向导通单元的输出端连接，另一端分别与第一电容的一端及第二稳压管的阴极连接；第一电容的另一端接地，第二稳压管的阳极与所述开关控制单元的输入端连接。

9.根据权利要求8所述的IGBT过流保护电路，其特征在于，所述开关控制单元为：

NPN三极管，其基极与第二稳压管的阳极连接，集电极分别与单向导通单元的输出端和第七电阻的一端连接，发射极接地。

10.一种空调器，其特征在于，所述空调器包括：

如权利要求1至9中任一项所述的IGBT过流保护电路。

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