CN213151639U - 逆变器输出h桥igbt的短路保护电路及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路及系统，包括集电极检测单元、比较单元及保护单元，集电极检测单元的输入端与IGBT开关单元的输出端电连接；比较单元的输入端与集电极检测单元的输入端电连接；保护单元的控制端与比较单元的输出端电连接，保护单元的一端与IGBT单元的输入端电连接。本实用新型通过设置集电极检测单元、比较单元及保护单元，可以检测IGBT开关单元的输出端的大电流来关断IGBT的驱动，从而可以控制IGBT导通时间来降低AC输出电压，进而可以实现软件对IGBT驱动单元关断进行产品保护，相比于现有的需要检测流经IGBT开关的电流来提供短路保护的方式来说，有效的提供了短路保护的可靠性和降低了因AC电压检测出现误关断的可能。

Description

逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路及系统

技术领域

本实用新型涉及IGBT电路领域，特别是涉及一种逆变器输出H桥IGBT 的短路保护电路及系统。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)由MOSFET和双极型晶体管复合而成，其融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在当前电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。然而，IGBT的驱动器的各种保护功能是否可行、完善，以及能否在异常情况下及时关闭IGBT，在一定程度上决定了IGBT 使用的寿命。

常规IGBT驱动器的短路保护通过对开通时的IGBT的集电极CE端进行电压检测，即检测集电极电压Vce(sat)。正常工作时，Vce(sat)值约1.5V左右，达不到短路保护阈值。当发生短路时，由于流过集电极的电流(即Ic)快速变化，造成Vce(sat)上升，直至达到短路保护阈值。通过电流互感器检测反馈信号进行关断IGBT驱动。但这种方法中，由于在工作电流大于2倍额定电流时，IGBT的外特性曲线为定性不定量的，由于在其短的时间常数，模块的温度上升极其迅速。如果IGBT温度超过硅片本征温度(175℃)，器件将失去阻断能力，所以可能会存在保护不动作，即短路保护失效，从而损坏IGBT。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种逆变器输出H 桥IGBT的短路保护电路及系统，可以通过检测负载大电流关断IGBT的驱动来控制IGBT导通时间来降低AC输出电压，以减小对IGBT流过的电流来提供短路保护，提高短路保护的可靠性，避免出现AC电压检测误关断的情况，提高了IGBT开关的稳定性。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，包括：

IGBT开关单元；

集电极检测单元，所述集电极检测单元的输入端与所述IGBT开关单元的 AC输出端电连接；

比较单元，所述比较单元的输入端与所述集电极检测单元的输入端电连接；及保护单元，所述保护单元的控制端与所述比较单元的输出端电连接，所述保护单元的一端与所述IGBT单元的输入端电连接。

在其中一个实施例中，所述集电极检测单元包括取样支路及滤波支路，所述取样支路的输入端与所述IGBT开关单元的AC输出端电连接，所述取样支路的输出端与所述滤波支路的输入端电连接，所述滤波支路的输出端与所述比较单元的输入端电连接。

在其中一个实施例中，所述取样支路包括二极管D115及电阻R166，所述二极管D115的一端与所述IGBT开关单元的AC输出端电连接，所述二极管 D115的另一端经所述电阻R166后与所述滤波支路的输入端电连接。

在其中一个实施例中，所述滤波支路包括电容C118及电阻R132，所述电阻R132的一端分别与所述电容C118和所述取样支路的输出端电连接，所述电阻R132的另一端与所述比较单元的输入端电连接。

在其中一个实施例中，所述比较器U104-B的2脚用于连接一个TL431提供保护参考电压，所述比较器U104-B的3脚分别与所述集电极检测单元的输入端进行采样、所述电阻R149和所述电容C119的一端电连接，用于调节产品短路保护值，所述电阻R149和所述电容C119的另一端共同接地。

在其中一个实施例中，所述保护单元包括开关支路及下拉支路，所述开关支路的输入端与所述比较单元的输出端电连接，所述开关支路的输出端与所述下拉支路的输入端电连接，所述下拉支路的输出端与所述IGBT开关单元的控制端电连接。

在其中一个实施例中，所述开关支路包括三极管Q112、电阻R110及电阻R130，所述电阻R130的第一端与所述比较单元的输出端电连接，所述电阻R130 的第二端分别与所述三极管Q112的基极和所述电阻R110的一端电连接，所述电阻R110的另一端接地，所述三极管Q112的发射极接地，所述三极管Q112 的集电极与所述下拉支路电连接。

在其中一个实施例中，所述下拉支路包括二极管D104及电阻R104，所述二极管D10的阴极与所述开关支路电连接，所述二极管D104的阳极与所述IGBT 开关单元的输入端电连接，所述二极管D104的阴极还与所述电阻R104电连接。

在其中一个实施例中，所述短路保护电路还包括驱动单元，所述驱动单元的输出端与所述IGBT开关单元电连接，所述驱动单元的输入端用于与PWM控制器的输出端电连接。

10、一种逆变器输出H桥IGBT的短路保护系统，其特征在于，包括以上任一项所述的短路保护电路，还包括反馈电压检测电路及PWM控制器，所述反馈电压检测电路与所述短路保护电路的输出端电连接，所述PWM控制器的反馈端与所述反馈电压检测电路的输出端电连接，所述PWM控制器的输出端与所述短路保护电路的输入端电连接。

本实用新型相比于现有技术的优点及有益效果如下：

本实用新型为一种逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路及系统，通过设置集电极检测单元、比较单元及保护单元，可以检测IGBT开关单元的输出端的大电流来关断IGBT的驱动，从而可以控制IGBT导通时间来降低AC输出电压，进而可以实现软件对IGBT开关单元的关断，相比于现有的需要检测流经IGBT 开关的电流来提供短路保护的方式来说，有效的提供了短路保护的可靠性和降低了因AC电压检测出现误关断的可能，提高了IGBT开关的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型一实施方式的逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路的结构示意图；

图2为图1所示的逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路的电路图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在对实用新型的电路结构进行说明之前，首先解释一下本实用新型的工作原理。若IGBT发送短路故障，在IGBT的集电极电流Ic上升的过程中，栅极电压Vge也在上升，这是由米勒效应引起的。而在短路时栅极电压Vge的变化，导致栅极电荷量Qg也会相应的发生变化。此时，通过判断比较器U104-3脚电压异常增大或波动通过2脚参考电压做比较即可判断IGBT AC输出踹电流是否过大，从而实现IGBT栅极驱动信号被下拉来控制输出电压降低来减小IGBT流过的电流。再而以软件来判断输出电压降低来关断产品输出。以下将进行详细说明。

请参阅图1，一种逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，包括：IGBT开关单元100、集电极检测单元200、比较单元300及保护单元400，所述集电极检测单元的输入端与所述IGBT开关单元的输出端电连接；所述比较单元的输入端与所述集电极检测单元的输入端电连接；所述保护单元的控制端与所述比较单元的输出端电连接，所述保护单元的一端与所述IGBT单元的输入端电连接。需要说明的是，所述IGBT开关单元100起到开关的作用；所述集电极检测单元 200用于检测过流经IGBT集电极的驱动电流；所述比较单元300用于将所述驱动电流与一参考电流进行比较，并输出比较结果；所述保护单元400用于根据所述比较结果确定是否启动对IGBT的短路保护。

如此，通过设置集电极检测单元、比较单元及保护单元，可以检测IGBT开关单元的输出端的大电流来关断IGBT的驱动，从而可以控制IGBT导通时间来降低AC输出电压，进而可以实现对IGBT开关单元的保护，相比于现有的需要检测流经IGBT开关的电流来提供短路保护的方式来说，有效的提供了短路保护的可靠性和降低了因AC电压检测出现误关断的可能，提高了IGBT开关的稳定性。

在本实施例中，所述集电极检测单元包括取样支路及滤波支路，所述取样支路的输入端与所述IGBT开关单元的输出端电连接，所述取样支路的输出端与所述滤波支路的输入端电连接，所述滤波支路的输出端与所述比较单元的输入端电连接。

请参阅图2，所述取样支路包括二极管D115及电阻R166，所述二极管D115 的一端与所述IGBT开关单元的AC输出端电连接，所述二极管D115的另一端经所述电阻R166后与所述滤波支路的输入端电连接。需要说明的是，所述二极管D115和所述电阻R166用于采样IGBT开关单元的AC输出端的CE节所产生的电压降，并将电压降传输至滤波支路中。

请参阅图2，所述滤波支路包括电容C118及电阻R132，所述电阻R132的一端分别与所述电容C118和所述取样支路的输出端电连接，所述电阻R132的另一端与所述比较单元的输入端电连接。需要说明的是，所述电容C118和所述电阻R132用于实现滤波的作用，提高电路的稳定性。

请参阅图2，所述比较器U104-B的2脚用于连接一个TL431提供保护参考电压，所述比较器U104-B的3脚分别与所述集电极检测单元的输入端进行采样、所述电阻R149和所述电容C119的一端电连接，用于调节产品短路保护值，所述电阻R149和所述电容C119的另一端共同接地。

进一步地，所述比较单元还包括存储器，所述存储器用于提供参考电压，所述比较器U104-B用于将所述IGBT集电极流过的电流所产生的压降和所述参考电压进行比较，并输出比较结果。

需要说明的是，所述参考电压为根据IGBT正常工作下电流的参考电压的最大值，若比较单元输出的所述比较结果表明检测到的所述工作电流所产生的压降超过所述参考电压，则所述保护单元启动短路保护。

需要说明的是，所述保护单元包括开关支路及下拉支路，所述开关支路的输入端与所述比较单元的输出端电连接，所述开关支路的输出端与所述下拉支路的输入端电连接，所述下拉支路的输出端与所述IGBT开关单元的控制端电连接。

请参阅图2，所述开关支路包括三极管Q112、电阻R110及电阻R130，所述电阻R130的第一端与所述比较单元的输出端电连接，所述电阻R130的第二端分别与所述三极管Q112的基极和所述电阻R110的一端电连接，所述电阻 R110的另一端接地，所述三极管Q112的发射极接地，所述三极管Q112的集电极与所述下拉支路电连接。

请参阅图2，所述下拉支路包括二极管D104及电阻R104，所述二极管D104 的阴极与所述开关支路电连接，所述二极管D104的阳极与所述IGBT开关单元的输入端电连接，所述二极管D104的阴极还与所述电阻R104电连接。

进一步地，当保护单元根据所述比较结果确定启动IGBT短路保护时，通过驱动所述三极管Q112导通而关闭PWM脉冲，从而关闭IGBT。

需要说明的是，所述短路保护电路还包括驱动单元500驱动单元的输出端与所述IGBT开关单元电连接，所述驱动单元的输入端用于与PWM控制器的输出端电连接。所述驱动单元为与IGBT的控制极连图腾柱式推动级。

根据本实用新型的上述方案，通过检测流经IGBT的工作电流所产生的压降来控制IGBT驱动电路，以实现对IGBT的短路保护。这样，通过检测流经IGBT CE节的工作电流所产生的压降，解决了现有技术中对大功率IGBT短路保护只能通过检测IGBT强电端集电极的电流而导致的方案单一的问题，并且由于短路保护的采样点不设置IGBT的强电端，从而避免了驱动器强、弱电混合的情况，消除了对控制器存在的安全隐患。在短路保护失效或过流非短路状态时，IGBT 短路保护的可靠性不会受到影响，即提高了短路保护的可靠性。

请参阅图2，上述实施例中是针对IGBT管Q109的短路保护，同样，在本系统中对称设置的IGBT管Q111的短路保护原理与IGBT管Q109的原理一样，在此不再进行赘述。

本实用新型还提供一种逆变器输出H桥IGBT的短路保护系统，包括以上任一项所述的短路保护电路，还包括反馈延时电路及PWM控制器，所述反馈延时电路与所述短路保护电路的输出端电连接，所述PWM控制器的反馈端与所述反馈延时电路的输出端电连接，所述PWM控制器的输出端与所述短路保护电路的输入端电连接。

本实用新型相比于现有技术的优点及有益效果如下：

本实用新型为一种逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路及系统，通过设置集电极检测单元、比较单元及保护单元，可以检测IGBT开关单元的输出端的大电流来关断IGBT的驱动，从而可以控制IGBT导通时间来降低AC输出电压，进而可以实现软件检测AC输出电压变化对IGBT开关单元的保护，相比于现有的需要检测流经IGBT开关的电流来提供短路保护的方式来说，有效的提供了短路保护的可靠性和降低了因AC电压检测出现误关断的可能，提高了IGBT开关的稳定性。

以上所述实施方式仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，其特征在于，包括：

IGBT开关单元；

集电极检测单元，所述集电极检测单元的输入端与所述IGBT开关单元的输出端电连接；

比较单元，所述比较单元的输入端与所述集电极检测单元的输入端电连接；及保护单元，所述保护单元的控制端与所述比较单元的输出端电连接，所述保护单元的一端与所述IGBT单元的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，其特征在于，集电极检测单元包括取样支路及滤波支路，所述取样支路的输入端与所述IGBT开关单元的AC输出端电连接，所述取样支路的输出端与所述滤波支路的输入端电连接，所述滤波支路的输出端与所述比较单元的输入端电连接。

3.根据权利要求2所述的逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，其特征在于，所述取样支路包括二极管D115及电阻R166，所述二极管D115的一端与所述IGBT开关单元的AC输出端电连接，所述二极管D115的另一端经所述电阻R166后与所述滤波支路的输入端电连接。

4.根据权利要求2所述的逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，其特征在于，所述滤波支路包括电容C118及电阻R132，所述电阻R132的一端分别与所述电容C118和所述取样支路的输出端电连接，所述电阻R132的另一端与所述比较单元的输入端电连接。

5.根据权利要求1所述的逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，其特征在于，所述比较单元包括比较器U104-B、电阻R149及电容C119，所述比较器U104-B的2脚用于连接一个TL431提供保护参考电压，所述比较器U104-B的3脚分别与所述集电极检测单元的输入端、所述电阻R149和所述电容C119的一端电连接，所述电阻R149和所述电容C119的另一端共同接地。

6.根据权利要求1所述的逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，其特征在于所述保护单元包括开关支路及下拉支路，所述开关支路的输入端与所述比较单元的输出端电连接，所述开关支路的输出端与所述下拉支路的输入端电连接，所述下拉支路的输出端与所述IGBT开关单元的控制端电连接。

7.根据权利要求6所述的逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，其特征在于，所述开关支路包括三极管Q112、电阻R110及电阻R130，所述电阻R130的第一端与所述比较单元的输出端电连接，所述电阻R130的第二端分别与所述三极管Q112的基极和所述电阻R110的一端电连接，所述电阻R110的另一端接地，所述三极管Q112的发射极接地，所述三极管Q112的集电极与所述下拉支路电连接。

8.根据权利要求6所述的逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，其特征在于，所述下拉支路包括二极管D104及电阻R104，所述二极管D104的阴极与所述开关支路电连接，所述二极管D104的阳极与所述IGBT开关单元的输入端电连接，所述二极管D104的阴极还与所述电阻R104电连接。

9.根据权利要求1所述的逆变器输出H桥IGBT的短路保护电路，其特征在于，所述短路保护电路还包括驱动单元，所述驱动单元的输出端与所述IGBT开关单元电连接，所述驱动单元的输入端用于与PWM控制器的输出端电连接。

10.一种逆变器输出H桥IGBT的短路保护系统，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的短路保护电路，还包括反馈电压检测电路及PWM控制器，所述反馈电压检测电路与所述短路保护电路的输出端电连接，所述PWM控制器的反馈端与所述反馈电压检测电路的输出端电连接，所述PWM控制器的输出端与所述短路保护电路的输入端电连接。

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