CN220254121U - Igbt过温保护电路及igbt模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种IGBT过温保护电路及IGBT模块，所述电路包括：温度采样电路：温度采样电路包括温度采样电阻Rntc、第一电压源以及分压电阻R3，温度采样电阻Rntc的第一端与第一电压源相连接、第二端与分压电阻R3的第一端相连接，分压电阻R3的第二端与地相连接；比较器：比较器的第一端与温度采样电阻Rntc的第二端相连接、第二端与参考电压源相连接，其第三端为输出端；驱动电平转换模块：其EN端与比较器的第三端相连接，其输入端与主控模块的输出端相连接，其输出端与IGBT控制电路相连接；上拉电路：上拉电路的输出端与EN端相连接，同时与比较器的第三端相连接；主控模块：主控模块的输入端与温度采样电阻Rntc的第二端相连接。

Description

IGBT过温保护电路及IGBT模块

技术领域

本实用新型涉及IGBT电路保护领域，具体提供一种IGBT过温保护电路及IGBT模块。

背景技术

随着变频器技术的发展，逐渐被应用高速驱动领域以实现高速电机驱动控制，因此对变频器在高开关频率下的可靠性要求也越来越高。

现有技术如图1所示，采用的是对NTC采样电阻进行分压，后经滤波处理后反馈至DSP主控芯片，通过软件判断是否达到过温值再控制PWM输出的GPIO引脚停止输出PWM信号进而关断IGBT实现IGBT的过温保护。由于信号从模拟信号转换成数字信号以及解析均需要时间，所以这种软件保护方式在温度急剧上升情况下，存在保护响应不及时的弊端，容易造成IGBT在急剧升温情况下因未能及时保护而导致过温损坏。

相应地，本领域需要一种新的IGBT电路保护方案来解决上述问题。

实用新型内容

为了克服上述缺陷，提出了本实用新型，以提供解决或至少部分地解决现有技术中保护速度不够及时的问题。

在第一方面，本实用新型提供一种IGBT过温保护电路，所述电路包括：温度采样电路、比较器、驱动电平转换模块、上拉电路以及主控模块；其中，温度采样电路：所述温度采样电路包括温度采样电阻Rntc、第一电压源以及分压电阻R3，其中所述温度采样电阻Rntc的第一端与第一电压源相连接，所述温度采样电阻Rntc的第二端与分压电阻R3的第一端相连接，分压电阻R3的第二端与地相连接；比较器：比较器的第一端与所述温度采样电阻Rntc的第二端相连接，所述比较器的第二端与参考电压源相连接，其中所述比较器的第三端为输出端；驱动电平转换模块：驱动电平转换模块的EN端与所述比较器的第三端相连接，驱动电平转换模块的输入端与主控模块的输出端相连接，驱动电平转换模块的输出端与IGBT控制电路相连接；上拉电路：上拉电路的输出端与驱动电平转换模块的EN端相连接，同时与所述比较器的第三端相连接；主控模块：主控模块的输入端与所述温度采样电阻Rntc的第二端相连接。

作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的方法中，所述参考电压源包括第一调压电阻R5、第二调压电阻R6以及第二电压源，其中所述第一调压电阻R5的第一端与第二电压源相连接，第一调压电阻R5的第二端与第二调压电阻R6的第一端相连接，第二调压电阻R6的第二端与地相连接，第一调压电阻R5的第二端作为参考电压源的输出端与所述比较器的第二端相连接。

作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的方法中，还包括电压跟随器，其中所述电压跟随器的输入端与温度采样电阻Rntc的第二端相连接，电压跟随器的输出端与主控模块的输入端相连接。

作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的方法中，还包括第一滤波器与第二滤波器；其中，所述第一滤波器的输入端与所述比较器的第三端相连接，第一滤波器的输出端分别与驱动电平转换模块的EN端以及上拉电路的输出端相连接；所述第二滤波器的输入端与电压跟随器的输出端相连接，第二滤波器的输出端与所述主控模块的输入端相连接。

作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的方法中，主控模块还包括第三端，其中主控模块的第三端与所述比较器的第三端相连接。

作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的方法中，所述上拉电路包括第三电压源以及上拉电阻，其中上拉电阻的第一端与第三电压源相连接，上拉电阻的第二端作为上拉电路的第三端。

作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的方法中，所述第一滤波器包括第一电阻以及第一电容，其中第一电阻的第一端与所述比较器的第三端相连接，第一电阻的第二端分别与第一电容的第一端、驱动电平转换模块的EN端以及上拉电路的输出端相连接，第一电容的第二端与地相连接；所述第二滤波器包括第二电阻R2以及第二电容C2，其中第二电阻R2的第一端与温度采样电阻Rntc的第二端相连接，第二电阻R2的第二端分别与第二电容C2的第一端以及主控模块的输入端相连接，第二电容C2的第二端与地相连接。

作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的方法中，所述驱动电平转换模块根据EN端接收到的电平的状态控制驱动电平转换模块的输出端的工作状态。

作为以上方案的替代或补充，在根据本发明一实施例的方法中，所述温度采样电阻Rntc为负温度系数的热敏电阻。

在第二方面，本实施方式提供了一种IGBT模块，其中包括：IGBT、IGBT的控制电路以及一种如第一方面所述的IGBT过温保护电路；其中，IGBT的控制端与IGBT的控制电路相连接，IGBT的控制电路与IGBT过温保护电路中的驱动电平转换模块的输出端相连接。

本实用新型上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

在实施本实用新型的技术方案中，通过温度采样电阻Rntc实时监测IGBT的温度，并与预设的过温门槛电压Vref进行比较。当IGBT温度超过阈值时，电路立即采取保护措施，防止IGBT过温损坏，无需数模之间的转换，反应迅速，从而提高了设备的安全性和可靠性。通过比较器IC1输出控制使能引脚以及主控模块进行过温保护信息反馈，双重保障IGBT的安全运行，降低设备故障的风险。本方案电路结构简单，耐用性高，更加的安全，成本更加的低廉。

附图说明

参照附图，本实用新型的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本实用新型的保护范围组成限制。此外，图中类似的数字用以表示类似的部件，其中：

图1是根据本实用新型的背景技术中的现有技术电路；

图2是根据本实用新型的一个实施例的IGBT过温保护电路的主要电路结构示意图；

图3是根据本实用新型的一个实施例的IGBT过温保护电路中参考电压源的主要电路结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本实用新型的一些实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，“模块”、“处理器”可以包括硬件、软件或者两者的组合。一个模块可以包括硬件电路，各种合适的感应器，通信端口，存储器，也可以包括软件部分，比如程序代码，也可以是软件和硬件的组合。处理器可以是中央处理器、微处理器、图像处理器、数字信号处理器或者其他任何合适的处理器。处理器具有数据和/或信号处理功能。处理器可以以软件方式实现、硬件方式实现或者二者结合方式实现。非暂时性的计算机可读存储介质包括任何合适的可存储程序代码的介质，比如磁碟、硬盘、光碟、闪存、只读存储器、随机存取存储器等等。术语“A和/或B”表示所有可能的A与B的组合，比如只是A、只是B或者A和B。术语“至少一个A或B”或者“A和B中的至少一个”含义与“A和/或B”类似，可以包括只是A、只是B或者A和B。单数形式的术语“一个”、“这个”也可以包含复数形式。

这里先解释本实用新型涉及到的一些术语。

PWM：PulseWidthModulation，脉宽调制。是一种广泛应用于电子系统的模拟信号调制技术。通过对脉冲信号的宽度(即脉冲持续时间)进行调制，PWM能够有效地将数字信号转换为模拟信号。这种技术在众多领域都有应用，包括电机控制、LED亮度调节、电源管理和通信系统等。

NTC：NegativeTemperatureCoefficient，负温度系数。NTC通常指具有负温度系数特性的热敏电阻，其电阻随温度升高而降低。NTC热敏电阻常用于温度监测和过温保护等场景。

使能引脚：EnablePin，简称EN或ENB。是许多集成电路(IC)和电子设备中常见的一个功能引脚。它的主要作用是控制设备的工作状态。使能引脚可以理解为一种开关，通过对使能引脚施加高电平(通常为逻辑1)或低电平(通常为逻辑0)来启用或禁用电路的功能。

本实用新型提供了一种IGBT过温保护电路。

参阅附图2，图2是根据本实用新型的一个实施例的IGBT过温保护电路的主要结构框图。

如图2所示，本实用新型实施例中的IGBT过温保护电路主要包括温度采样电路、比较器、驱动电平转换模块、上拉电路、主控模块、电压跟随器、第一滤波器以及第二滤波器。

在本实施例中对上述器件的详述如下：

温度采样电路用于检测IGBT的温度并将温度信号转换为电信号。温度采样电路包括温度采样电阻Rntc、第一电压源以及分压电阻R3，其中温度采样电阻Rntc的第一端与第一电压源相连接，温度采样电阻Rntc的第二端与分压电阻R3的第一端相连接，分压电阻R3的第二端与地相连接。

在本实施例中，温度采样电路中的温度采样电阻Rntc独立放在IGBT模块中合适的位置，用于检测IGBT模块的温度。一个实施方式中，优选的，温度采样电阻Rntc为负温度系数的热敏电阻，即NTC电阻。也就是说，当温度升高时，温度采样电阻Rntc的阻值会降低。观测温度采样电阻Rntc引起的电信号变化，就能反映出IGBT的温度变化。

比较器的作用是进行IGBT的温度的直接判定，具体的是根据接收到的电信号判断IGBT的温度是否已经达到阈值。比较器的第一端与温度采样电阻Rntc的第二端相连接，比较器的第二端与参考电压源相连接，比较器的第三端为输出端输出高低电平。

在本实施例中，比较器的输入为温度采样电路中分压电阻R3的电压。由图2可知，分压电阻R3与温度采样电阻Rntc为串联状态，分压电阻R3两端的电压为Untc＝V1×R3/(R3+Rntc)，其中R3为分压电阻R3的阻值，Rntc为温度采样电阻Rntc的阻值，V1为第一电压源提供的电压，Untc是分压电阻R3两端的电压。在本实施例中，由于分压电阻R3的第二端与地相连，所以温度采样电阻Rntc的第二端的电压即是分压电阻R3两端的电压，即Untc的数值同时也等于比较器第一端的输出电压。

比较器的第二端与参考电压源相连接，参考电压源输出的是一个预设的电压值，即过温门槛电压，记为Vref。参考电压源如图3所示，参考电压源包括第一调压电阻R5、第二调压电阻R6以及第二电压源，其中第一调压电阻R5的第一端与第二电压源相连接，第一调压电阻R5的第二端与第二调压电阻R6的第一端相连接，第二调压电阻R6的第二端与地相连接，第一调压电阻R5的第二端作为参考电压源的输出端与比较器的第二端相连接。

其中参考电压源的输出值是根据对IGBT的温度阈值设定的。在本实施例中，可以通过高精度分压电阻第一调压电阻R5和第二调压电阻R6进行预设的。这两个电阻构成一个电阻分压器，用于将第二电压源(例如5V)分压到所需的Vref值。

具体计算方法如下：

Vref＝(R6/(R5+R6))×Vin

其中，Vin是第二电压源提供的电压。在本实施例中第二电压源提供的电压为5V。通过选择适当的第一调压电阻R5和第二调压电阻R6的电阻值，可以得到所需的Vref值。例如，如果你想要一个2.5V的过温门槛电压，你可以选择第一调压电阻R5和第二调压电阻R6的值，使得R6/(R5+R6)＝0.5。

在本实施例中，可以通过调整第一调压电阻R5和第二调压电阻R6的值，以便根据实际需求设定合适的过温门槛电压。当实际测量到的分压信号超过这个预设值时，比较器IC1会触发过温保护功能。

主控模块用于采集IGBT的温度并反馈至软件处并进行冗余的温度保护。主控模块的输入端与温度采样电阻Rntc的第二端相连接，具体的是，主控模块的输入端与第二滤波器相连接，第二滤波器通过电压跟随器与温度采样电阻Rntc的第二端相连接。主控模块的输出端与驱动电平转换模块的输入端相连接主控模块的输出端。在本实施方式中，主控模块使用DSP主控芯片，其输出端输出的是3.3V的PWM信号。

优选的，主控模块还包括第三端，其中主控模块的第三端与比较器的第三端相连接。主控模块的第三端用于直接检测比较器第三端发送的数字信号。相对于主控模块的输入端接收的来自于温度采样电阻Rntc第二端的模拟信号，主控模块的第三端接收到的数字信号不需处理即可判断IGBT的温度是否已经达到预设阈值。主控模块会将输入端以及第三端收集到的信号传输至系统上，系统上可以设置冗余保护，在特殊情况，如比较器故障时，强制截断输出端所输出的PWM信号，从而使IGBT关闭。

电压跟随器的输入端与温度采样电阻Rntc的第二端相连接，电压跟随器的输出端与主控模块的输入端相连接。具体的是，电压跟随器的输出端经过第二滤波器滤波后与主控模块的输入端相连接。

优选的，在本实施方式中电压跟随器为运算放大器。在本实施方式中，反馈系数为1，电压跟随器的输入端接收温度采样电阻Rntc第二端的电压信号，输出端与输入端的电压保持相等。使用电压跟随器确保了Untc在通过后续电路时不受负载影响，从而使信号的传输更加稳定。同时，使用电压跟随器还能起到信号缓冲的作用，本实施例中的电压跟随器可以在输入和输出之间提供隔离，以避免信号源与后续电路之间的互相影响。此外，如若使用反馈系数大于1的电压跟随器，还可以提供一定程度的放大，以提高信号的传输质量。

第二滤波器的输入端与电压跟随器的输出端相连接，第二滤波器的输出端与主控模块的输入端相连接。优选的，在本实施方式中第二滤波器为RC低通滤波器，第二滤波器包括第二电阻R2以及第二电容C2，其中第二电阻R2的第一端与温度采样电阻Rntc的第二端相连接，第二电阻R2的第二端分别与第二电容C2的第一端以及主控模块的输入端相连接，第二电容C2的第二端与地相连接。具体在本实施例中，第二电阻R2的第一端与电压跟随器的输出端相连接。第二滤波器的主要作用是滤除高频噪声和增强抗干扰能力，以确保主控模块接收到的温度信号更加稳定和准确，从而实现IGBT的有效温度监控和软件冗余过温保护。

驱动电平转换模块用于将主控模块输出的：驱动电平转换模块的EN端与比较器的第三端相连接，驱动电平转换模块的输入端与主控模块的输出端相连接，驱动电平转换模块的输出端与IGBT控制电路相连接。在本实施例中，负责将来自DSP主控模块的PWM信号转换为适用于IGBT控制电路的PWM信号，在本实施例中DSP主控模块的PWM信号幅值为3.3V，驱动电平转换模块输出的PWM信号幅值为5V。

在本实施例中，当驱动电平转换模块的EN接收到低电平时，驱动电平转换模块会停止将主控模块的PWM信号进行信号转换。当驱动电平转换模块的EN接收到为高电平时，则会将主控模块的PWM信号进行信号转换成用于IGBT控制电路的PWM信号。在本实施例中，为了保证接收到稳定的高电平使用了上拉电路。

上拉电路：上拉电路的输出端与驱动电平转换模块的EN端相连接，同时与比较器的第三端相连接；上拉电路包括第三电压源以及上拉电阻，其中上拉电阻的第一端与第三电压源相连接，上拉电阻的第二端作为上拉电路的第三端。在本实施方式中，上拉电路中第三电压源的电压值为3V。保证在比较器在输出高电平时，驱动电平转换模块的EN端能收到稳定的高电平信号。

为了消除高频的噪声，和防止误触发的发生，在比较器和驱动电平转换模块加入了第一滤波器。第一滤波器的作用与第二滤波器的作用近似，此处不再赘述。

第一滤波器为RC低通滤波器，第一滤波器的输入端与比较器的第三端相连接，第一滤波器的输出端分别与驱动电平转换模块的EN端以及上拉电路的输出端相连接；第一滤波器包括第一电阻以及第一电容，其中第一电阻的第一端与比较器的第三端相连接，第一电阻的第二端分别与第一电容的第一端、驱动电平转换模块的EN端以及上拉电路的输出端相连接，第一电容的第二端与地相连接。

本实施例的原理如下：

在温度正常时，温度采样电阻Rntc的阻值较高，导致Untc的数值较低，触发比较器输出高电平。在比较器输出高电平的情况下，上拉电路会给驱动电平转换模块一个高电平，使驱动电平转换模块将主控模块的PWM输出转换成幅值较高的PWM信号。驱动电平转换模块将PWM信号传递给IGBT控制电路，IGBT控制电路根据PWM信号控制IGBT打开。

当温度过高时，温度采样电阻Rntc的阻值较小，导致Untc的数值较高，触发比较器输出低电平。在比较器输出低电平的情况下，上拉电路被直接接地，此时驱动电平转换模块收到的也是低电平，此时驱动电平转换模块则不会转换主控模块的PWM信号。IGBT控制电路收不到PWM信号，此时IGBT关闭。

与此同时主控模块收集来自于电压跟随器的模拟信号，解析成温度后，将其上传至系统。

一种IGBT模块，包括：IGBT、IGBT的控制电路以及一种如本实施例所述的IGBT过温保护电路；其中，IGBT的控制端与IGBT的控制电路相连接，IGBT的控制电路与IGBT过温保护电路中的驱动电平转换模块的输出端相连接。此处的IGBT既可以是单个IGBT，也可以是由多个IGBT构成的IGBT组块。

进一步，应该理解的是，由于各个模块的设定仅仅是为了说明本实用新型的装置的功能单元，这些模块对应的物理器件可以是处理器本身，或者处理器中软件的一部分，硬件的一部分，或者软件和硬件结合的一部分。因此，图中的各个模块的数量仅仅是示意性的。

本领域技术人员能够理解的是，可以对装置中的各个模块进行适应性地拆分或合并。对具体模块的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本实用新型的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围内。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种IGBT过温保护电路，其特征在于，所述电路包括：温度采样电路、比较器、驱动电平转换模块、上拉电路以及主控模块；其中，

温度采样电路：所述温度采样电路包括温度采样电阻Rntc、第一电压源以及分压电阻R3，其中所述温度采样电阻Rntc的第一端与第一电压源相连接，所述温度采样电阻Rntc的第二端与分压电阻R3的第一端相连接，分压电阻R3的第二端与地相连接；

比较器：比较器的第一端与所述温度采样电阻Rntc的第二端相连接，所述比较器的第二端与参考电压源相连接，其中所述比较器的第三端为输出端；

驱动电平转换模块：驱动电平转换模块的EN端与所述比较器的第三端相连接，驱动电平转换模块的输入端与主控模块的输出端相连接，驱动电平转换模块的输出端与IGBT控制电路相连接；

上拉电路：上拉电路的输出端与驱动电平转换模块的EN端相连接，同时与所述比较器的第三端相连接；

主控模块：主控模块的输入端与所述温度采样电阻Rntc的第二端相连接。

2.根据权利要求1所述的IGBT过温保护电路，其特征在于，

所述参考电压源包括第一调压电阻R5、第二调压电阻R6以及第二电压源，其中所述第一调压电阻R5的第一端与第二电压源相连接，第一调压电阻R5的第二端与第二调压电阻R6的第一端相连接，第二调压电阻R6的第二端与地相连接，第一调压电阻R5的第二端作为参考电压源的输出端与所述比较器的第二端相连接。

3.根据权利要求1所述的IGBT过温保护电路，其特征在于，还包括电压跟随器，其中所述电压跟随器的输入端与温度采样电阻Rntc的第二端相连接，电压跟随器的输出端与主控模块的输入端相连接。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的IGBT过温保护电路，其特征在于，还包括第一滤波器与第二滤波器；其中，

所述第一滤波器的输入端与所述比较器的第三端相连接，第一滤波器的输出端分别与驱动电平转换模块的EN端以及上拉电路的输出端相连接；

所述第二滤波器的输入端与电压跟随器的输出端相连接，第二滤波器的输出端与所述主控模块的输入端相连接。

5.根据权利要求1所述的IGBT过温保护电路，其特征在于，主控模块还包括第三端，其中主控模块的第三端与所述比较器的第三端相连接。

6.根据权利要求1或2所述的IGBT过温保护电路，其特征在于，

所述上拉电路包括第三电压源以及上拉电阻，其中上拉电阻的第一端与第三电压源相连接，上拉电阻的第二端作为上拉电路的第三端。

7.根据权利要求4所述的IGBT过温保护电路，其特征在于，

所述第一滤波器包括第一电阻以及第一电容，其中第一电阻的第一端与所述比较器的第三端相连接，第一电阻的第二端分别与第一电容的第一端、驱动电平转换模块的EN端以及上拉电路的输出端相连接，第一电容的第二端与地相连接；

所述第二滤波器包括第二电阻R2以及第二电容C2，其中第二电阻R2的第一端与温度采样电阻Rntc的第二端相连接，第二电阻R2的第二端分别与第二电容C2的第一端以及主控模块的输入端相连接，第二电容C2的第二端与地相连接。

8.根据权利要求1或7所述的IGBT过温保护电路，其特征在于，

所述驱动电平转换模块根据EN端接收到的电平的状态控制驱动电平转换模块的输出端的工作状态。

9.根据权利要求1所述的IGBT过温保护电路，其特征在于，所述温度采样电阻Rntc为负温度系数的热敏电阻。

10.一种IGBT模块，其特征在于，包括：

IGBT、IGBT的控制电路以及一种如权利要求1-9中任意一项所述的IGBT过温保护电路；其中，

IGBT的控制端与IGBT的控制电路相连接，IGBT的控制电路与IGBT过温保护电路中的驱动电平转换模块的输出端相连接。