CN215222153U - 一种半导体开关器件退饱和检测电路及电机控制器 - Google Patents

Abstract

一种半导体开关器件退饱和检测电路及电机控制器，该电路包括：比较器，其一输入端经一采样单元接往IGBT的集电极；其二输入端用于设定阈值电压，当采样电压大于等于阈值电压时，其输出端提供可触发IGBT退饱和故障保护动作的比较结果信号；采样单元包括一开关状态与IGBT相反的第一开关元件，其开关状态可控制采样电压对比较器的输出。本实用新型利用了上、下逆变桥臂短路时迅速升高的IGBT集射极电压，以集射极电压作为检测电路的电压输入，在没有额外加入恒流源的情况下同样可以检测IGBT退饱和故障，防止器件和设备因电路短路而损坏，与现有技术相比功耗降低，成本减小，电子器件选型更容易。

Description

一种半导体开关器件退饱和检测电路及电机控制器

技术领域

本实用新型涉及一种半导体开关器件退饱和检测电路及应用上述电路的电机控制器， IPC分类属于G01R19/165。

背景技术

半导体开关器件(IGBT/MOSFET)是目前电力电子设备的关键器件，广泛应用于变频器，光伏逆变器及电动汽车电机控制器等。通常控制开关信号的故障会造成设备的短路，在 IGBT/MOSFET等门级信号电平一定的情况下，由于短路造成的大电流流过IGBT/MOSFET，会迅速引起IGBT/MOSFET两端电压的升高，即IGBT/MOSFET退出饱和区(简称退饱和)。巨大的短路电流加上高电压产生的损耗往往会造成开关器件的损坏。因此在IGBT/MOSFET 发生退饱和时应快速检测到退饱和现象，及时关断开关管，避免开关管的损坏。

如图1所示，目前常见的退饱和检测电路主要由恒流源、IGBT、开关管S0、电容C0、二极管D0以及比较器组成。在IGBT关断的时候，开关管S0导通，将恒流源电流旁路，二极管D0反向截止，阻断集电极-发射极电压Vce。在IGBT开通的时候，开关管S0关断，恒流源通过二极管及IGBT形成回路，电容C0上电压较低，不会触发退饱和保护。一旦由于上、下桥臂短路造成IGBT集电极-发射极电压Vce升高，二极管D0截止，恒流源给电容C0充电，比较器正相输入端电压达到参考电压值Vref即IGBT出现退饱和故障，进而控制关断IGBT。

该退饱和检测电路需要额外增设恒流源，增加成本。而且恒流源在IGBT/MOSFET开通及关断的时候都需要提供电流，会增加整个检测电路的功耗。另外，二极管本身有一定的寄生电容，在开关切换时集电极-发射极电压Vce剧烈变化，二极管寄生电容的耦合有可能造成退饱和检测被误触发。为了尽量避免误触发现象的发生，通常需要选取开关速度非常快的二极管，而在较高电压时，开关速度较快的二极管通常较难选择，有时需要通过多个二极管的串联实现，成本较高。

有关术语和公知常识，可参见机械工业出版社1983年或1997年版的《机械工程手册》、《电机工程手册》。

发明内容

为解决现有退饱和检测电路高功耗和高成本的技术问题，本实用新型提供一种不需要在控制端额外增设恒流源的半导体开关器件退饱和检测电路，设于一IGBT的集电极和发射极之间，该电路包括：

比较器，其具有第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第一输入端经一采样单元接往所述IGBT的集电极，用于获取与所述IGBT的集电极-发射极电压成一定数值关系的采样电压；所述第二输入端用于获取阈值电压，当所述采样电压大于等于所述阈值电压时，所述第一输出端提供一个用以触发退饱和报警的比较结果信号；所述采样单元包括第一开关元件，所述第一开关元件连接于所述第一输入端和IGBT的发射极之间，在退饱和报警后处于导通状态，直到所述IGBT重新导通为止；以及

控制单元，其连接于所述第一输出端、第一开关元件的门极和IGBT的门极之间，被配置为接收所述比较结果信号，向所述第一开关元件和IGBT输出通断控制信号，以关断所述 IGBT和开通所述第一开关元件。

具体地，所述通断控制信号，以第一电平信号的形式作用于所述第一开关元件的门极上，以第二电平信号的形式作用于所述IGBT的门极上，所述第一电平信号与第二电平信号的持续时间相同，电平相反。

具体地，所述采样单元还包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻串联连接在所述IGBT 的集电极和所述比较器的第一输入端之间，所述第一电容串联连接在所述比较器的第一输入端和所述IGBT的发射极之间。

具体地，所述控制单元具有第三输入端、第二输出端和第三输出端，所述第三输入端接往所述第一输出端，所述第二输出端接往所述第一开关元件的门极，所述第三输出端接往所述IGBT的门极。所述控制单元的第三输入端和第二输出端直接相连；所述控制单元还包括 NMOS管、第二电阻、第三电阻、NPN管、PNP管，供电电源和电源地；NMOS管的栅极和第三输入端直接相连；供电电源接往NPN管的集电极，PNP管的集电极接往电源地和 NMOS管的源极；NPN管的基极和所述PNP管的基极相连，经第二电阻接往NMOS管的漏极；NPN管的发射极与PNP管的发射极相连，经第三电阻接往控制单元的第三输出端。

本实用新型还提供一种半导体开关器件退饱和检测方法，应用于上述电路中，包括如下步骤：

获取与所述IGBT的集电极-发射极电压Vce成一定数值关系的采样电压Vs，以及预先设定的阈值电压Vref；

在所述采样电压Vs大于等于所述阈值电压Vref时，生成一比较结果信号；

响应所述比较结果信号，向所述第一开关元件S1和IGBT输出通断控制信号，以关断所述IGBT和开通所述第一开关元件S1。

当所述IGBT工作在导通状态时，所述第一开关元件S1处于关断状态；当所述IGBT工作在处于关断状态时，所述第一开关元件S1处于导通状态。

本实用新型还提供一种电机控制器，包括IGBT，以及控制IGBT通断的上述半导体开关器件退饱和检测电路。

本实用新型具有如下有益效果：

(1)本实用新型利用了上、下逆变桥臂短路时迅速升高的IGBT集电极-发射极电压，以集电极-发射极电压作为检测电路的电压输入，在没有额外加入恒流源的情况下同样可以检测IGBT退饱和故障，防止器件和设备因电路短路而损坏，与现有技术相比功耗降低，成本减小，电子器件选型更容易。

(2)并联于第一电容两端的的第一开关元件，其开关状态与IGBT相反，在IGBT因退饱和故障而关断时，接通第一电容两极，避免比较器因采样电压持续升高而损坏。在IGBT关断和正常导通的情况下，第一开关元件通过其开关状态控制采样电压稳定在阈值电压水平以下，确保不会误触发退饱和故障的报警。

附图说明

图1是现有技术的半导体开关器件退饱和检测电路的原理图；

图2是本实用新型的电机控制器的电路示意图；

图3是本实用新型的半导体开关器件退饱和检测电路的原理图；

图4是所述半导体开关器件退饱和检测电路中各参数的电压波形示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图2所示，本实用新型所提供的半导体开关器件退饱和检测电路，应用于电动汽车电机控制器的逆变桥臂中，本实施例仅以逆变桥臂中的一个IGBT为例进行说明。

如图3所示，所述半导体开关器件退饱和检测电路位于一IGBT的集电极和发射极之间，包括采样单元、具有第一输入端Vin1、第二输入端Vin2和第一输出端Vout1的比较器和具有第三输入端Vin3、第二输出端Vout2和第三输出端Vout3的控制单元。

采样单元包括第一电阻R1和第一电容C1，第一电阻R1串联连接在IGBT集电极和比较器的第一输入端Vin1之间，第一电容C1串联连接在比较器的第一输入端Vin1和IGBT 发射极之间。控制单元的第三输入端Vin3接往比较器的第一输出端Vout1，用以接收用于IGBT退饱和报警的信号；控制单元还包括第一开关元件S1，所述第三输入端Vin3接往所述第一输出端Vout1，所述第二输出端Vout2接往所述第一开关元件S1的门极，所述第三输出端Vout3接往所述IGBT的门极，控制单元响应所述IGBT退饱和报警的信号，触发IGBT 退饱和保护动作，使得第一开关元件S1和IGBT改变通断状态。

采样单元接收集电极-发射极电压Vce，并向比较器的第一输入端Vin1提供一个与所述集电极-发射极电压Vce成一定数值关系的采样电压Vs的输入信号。

比较器通过其第二输入端Vin2接收阈值电压Vref的输入信号。比较器在比较所述采样电压Vs与阈值电压Vref后，向控制单元提供一比较结果信号。具体地，比较器的第一输入端Vin1是正相输入端，第二输入端Vin2为反相输入端，因此在所述采样电压Vs大于等于所述阈值电压Vref时，所述比较结果信号为高电平；在所述采样电压Vs小于所述阈值电压Vref时，所述比较结果信号为低电平。

控制单元具有两部分，其一部分是，所述控制单元的第三输入端Vin3和第二输出端 Vout2直接相连，即比较器的第一输出端Vout1经控制单元接往第一开关元件S1的门极，因此比较结果信号和第一电平信号有相同的电平；其二部分是一推挽电路，包括NMOS管、第二电阻R2、第三电阻R3、NPN管、PNP管，供电电源VCC和电源地VEE。所述NMOS 管的栅极和所述第三输入端Vin3直接相连，即比较器的第一输出端Vout1也接往NMOS管的栅极。供电电源VCC接往NPN管的集电极，PNP管的集电极接往电源地VEE和NMOS 管的源极。NPN管的基极和PNP管的基极相连，经第二电阻R2接往NMOS管的漏极。NPN 管的发射极与PNP管的发射极相连，经第三电阻R3接往控制单元的第三输出端Vout3。在所述比较结果信号为高电平时，NMOS管和PNP管导通，NPN管截止，控制单元所输出的第二电平信号为低电平。在所述比较结果信号为低电平时，NMOS管和PNP管截止，NPN 管导通，控制单元所输出的第二电平信号为高电平。

当所述采样电压Vs大于等于所述阈值电压Vref时，比较器输出的比较结果信号为IGBT 退饱和报警的信号，控制单元响应此时的比较结果信号，并输出两路通断控制信号，以关断所述IGBT和开通所述第一开关元件S1，起到检测IGBT退饱和并自动实现IGBT短路保护的作用。

所述控制单元输出的两路通断控制信号，一路以第一电平信号的形式作用于所述第一开关元件S1的门极上，当所述第一电平信号为高电平时，所述第一开关元件S1导通，当所述第一电平信号为低电平时，所述第一开关元件S1关断。另一路以第二电平信号的形式作用于所述IGBT的门极上，当所述第二电平信号为高电平时，所述IGBT导通，当所述第二电平信号为低电平时，所述IGBT关断。所述第一电平信号与第二电平信号的持续时间相同，电平相反。因此当所述IGBT工作在导通状态时，所述第一开关元件S1处于关断状态；当所述IGBT工作在退饱和状态或处于关断状态时，所述第一开关元件S1处于导通状态。

以下对本实施例的工作原理作进一步描述，如图4所示。

IGBT处于关断状态时，控制单元的第三输出端Vout3向IGBT门极输出低电平的第二电平信号以维持IGBT的关断状态，控制单元的第二输出端Vout2向第一开关元件S1的门极输出高电平的第一电平信号以维持第一开关元件S1的导通状态。第一电容C1两端短接形成放电回路，采样电压Vs等于第一电容C1两端的电压，因为第一电容C1短接时两端的电压小于阈值电压Vref，比较器不会输出IGBT退饱和报警的信号，所以控制单元的退饱和保护动作不会被触发，IGBT和第一开关元件S1的通断状态维持不变。

当IGBT导通并处于饱和状态时，控制单元的第三输出端Vout3向IGBT门极输出高电平的第二电平信号，控制单元的第二输出端Vout2向第一开关元件S1的门极输出低电平的第一电平信号以维持第一开关元件S1的关断状态。第一电容C1一端经第一电阻R1接往IGBT集电极，另一端接往IGBT发射极，第一电容C1充电直至其两端电压等于集电极-发射极电压Vce，第一电阻R1无电流流过，因此采样电压Vs等于第一电容C1两端的电压，又等于IGBT的饱和压降。IGBT的饱和压降一般在1.8V至2.1V之间，因为饱和压降小于阈值电压Vref，比较器不会输出IGBT退饱和报警的信号，所以控制单元的退饱和保护动作不会被触发，IGBT和第一开关元件S1的通断状态维持不变。

当IGBT由于上、下桥臂短路而被拉出饱和并进入退饱和状态时，集电极-发射极电压 Vce迅速升高并再次向第一电容C1充电。采样电压Vs，即第一电容C1两端的电压逐渐升高，在达到阈值电压Vref的水平时，比较器输出IGBT退饱和报警的信号，触发控制单元的退饱和保护动作：控制单元的第三输出端Vout3向IGBT门极输出低电平的第二电平信号，使得IGBT关断；控制单元的第二输出端Vout2向第一开关元件S1的门极输出高电平的第一电平信号，使得第一开关元件S1导通，第一电容C1两端短接形成放电回路。所述第一开关元件S1在IGBT退饱和到重新导通的期间，一直处于导通状态，第一电容C1两端的电压在达到阈值电压Vref的水平后不会再升高。

对于阈值电压Vref的选取，由于技术方案的实现要求在正常情况下不会误触发短路保护，阈值电压Vref应至少大于IGBT在正常工作的最大电流、最高温度下的集电极-发射极电压，而该极限状态下的集电极-发射极电压Vces可以通过IGBT的手册大致确定。再者，阈值电压Vref与短路保护响应时间有关。在短路状况发生时，第一电容C1两端的电压Uc(t)对短路保护响应时间t有以下函数关系：

其中，Udc 为母线电压，假设短路时集电极-发射极电压Vce迅速升高到母线电压。在短路保护响应时间t明确后，可计算出采样电压Vs的最大值，该值也即阈值电压Vref的上限值。

由此可知，阈值电压Vref与IGBT的饱和压降和短路保护响应时间有关。本领域的技术人员可以通过实际需求进行IGBT的选型和短路保护响应时间的选定，从而确定阈值电压 Vref的取值范围，本实施例对此不作具体限定和公开。

尽管上文已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种半导体开关器件退饱和检测电路，设于一IGBT的集电极和发射极之间，其特征在于，包括：

比较器，其具有第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第一输入端经一采样单元接往所述IGBT的集电极，用于获取与所述IGBT的集电极-发射极电压成一定数值关系的采样电压；所述第二输入端用于获取阈值电压，当所述采样电压大于等于所述阈值电压时，所述第一输出端提供一个用以触发退饱和报警的比较结果信号；所述采样单元包括第一开关元件，所述第一开关元件连接于所述第一输入端和IGBT的发射极之间，在退饱和报警后处于导通状态，直到所述IGBT重新导通为止；以及

控制单元，其连接于所述第一输出端、第一开关元件的门极和IGBT的门极之间，被配置为接收所述比较结果信号，向所述第一开关元件和IGBT输出通断控制信号，以关断所述IGBT和开通所述第一开关元件。

2.根据权利要求1所述的半导体开关器件退饱和检测电路，其特征在于，所述通断控制信号，以第一电平信号的形式作用于所述第一开关元件的门极上，以第二电平信号的形式作用于所述IGBT的门极上，所述第一电平信号与第二电平信号的持续时间相同，电平相反。

3.根据权利要求1所述的半导体开关器件退饱和检测电路，其特征在于，所述采样单元还包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻串联连接在所述IGBT的集电极和所述比较器的第一输入端之间，所述第一电容串联连接在所述比较器的第一输入端和所述IGBT的发射极之间。

4.根据权利要求3所述的半导体开关器件退饱和检测电路，其特征在于，所述控制单元具有第三输入端、第二输出端和第三输出端，所述第三输入端接往所述第一输出端，所述第二输出端接往所述第一开关元件的门极，所述第三输出端接往所述IGBT的门极。

5.根据权利要求4所述的半导体开关器件退饱和检测电路，其特征在于，所述控制单元的第三输入端和第二输出端直接相连；所述控制单元还包括NMOS管、第二电阻、第三电阻、NPN管、PNP管，供电电源和电源地；NMOS管的栅极和第三输入端直接相连；供电电源接往NPN管的集电极，PNP管的集电极接往电源地和NMOS管的源极；NPN管的基极和所述PNP管的基极相连，经第二电阻接往NMOS管的漏极；NPN管的发射极与PNP管的发射极相连，经第三电阻接往控制单元的第三输出端。

6.一种电机控制器，应用于电动汽车的电力电子变流装置中，其特征在于，包括IGBT，以及控制IGBT通断的权利要求1至5中任一项所述的半导体开关器件退饱和检测电路。

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