CN220896671U - 一种igbt保护装置和空调 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种IGBT保护装置和空调，该装置包括：主控模块，在接收到逻辑判定模块输出的设定电平信号的情况下，停止向驱动模块发送PWM开关信号，同时向驱动电源转换模块发送控制信号；驱动电源转换模块，在接收到主控模块发送的控制信号的情况下，向驱动模块提供负电压；驱动模块，在主控模块停止向驱动模块发送PWM开关信号的情况下，停止向IGBT输出PWM信号，使IGBT硬关断；以及，在接收到负电压的情况下，输出负向关断信号，使IGBT负压关断。该方案，通过结合IGBT的电压、电流和温度确定IGBT是否故障，并在IGBT故障时进行负压关断而避免IGBT误导通，提升可靠性和安全性。

Description

一种IGBT保护装置和空调

技术领域

本实用新型属于IGBT保护技术领域，具体涉及一种IGBT保护装置和空调，尤其涉及一种IGBT故障检测及其可靠关断装置和空调。

背景技术

随着制造行业的发展，功率器件(如功率控制器件)在各领域使用越来越广泛，其中高压大功率的功率控制器件IGBT，在功率控制领域的使用变得举足轻重。故此，对功率控制器件IGBT保护也变得尤为重要。

在功率控制器件IGBT的产品(如空调)中，当IGBT所控制的高压回路出现短路时，此时流过IGBT的集电极(C)-发射极(E)的电流Ic剧烈增大，导致IGBT的功率损耗也剧烈加大，使得IGBT发热严重，若此时不对IGBT进行快速关断，则IGBT会因为过热而发生热击穿，导致IGBT击穿损坏。

但是，由于IGBT的栅极(G)具有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极(G)电荷积累很敏感，在关断IGBT时，若IGBT中电流幅度大，产生的自感应电动势Ldi/dt过高，在IGBT的集电极(C)与发射极(E)的两端会产生很高的尖峰电压，同时IGBT的栅极(G)电压存在毛刺尖峰，从而导致IGBT误导通。

上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种IGBT保护装置和空调，以解决在关断IGBT时，若IGBT中电流幅度大，产生的自感应电动势Ldi/dt过高，在IGBT的集电极(C)与发射极(E)的两端会产生很高的尖峰电压，同时IGBT的栅极(G)电压存在毛刺尖峰，从而导致IGBT误导通的问题，达到通过结合IGBT的电压、电流和温度确定IGBT是否故障，并在IGBT故障时进行负压关断，使IGBT可靠关断而避免IGBT误导通，有利于提升对IGBT保护的可靠性和安全性的效果。

本实用新型提供一种IGBT保护装置，包括：电压采样模块、电流采样模块、温度采样模块、逻辑判定模块、驱动电源转换模块、驱动模块和主控模块；其中，所述电压采样模块，设置在所述IGBT的集电极，用于检测所述IGBT的集电极与发射极两端的电压，记为所述IGBT的检测电压；所述电流采样模块，设置在所述IGBT的发射极，用于检测所述IGBT的集电极与发射极之间的电流，记为所述IGBT的检测电流；所述温度采样模块，设置在所述IGBT的散热区域，用于检测所述IGBT的温度，记为所述IGBT的检测温度；所述逻辑判定模块的输入端，分别与所述电压采样模块、所述电流采样模块和所述温度采样模块相连；所述逻辑判定模块的输出端，分别与所述主控模块和所述驱动模块相连；所述逻辑判定模块，用于在所述IGBT的检测电压大于设定电压、所述IGBT的检测电流大于设定电流、以及所述IGBT的检测温度大于设定温度的情况下，输出设定电平信号；所述主控模块，分别与所述驱动电源转换模块和所述驱动模块相连，用于在接收到所述逻辑判定模块输出的设定电平信号的情况下，停止向所述驱动模块发送PWM开关信号，同时向所述驱动电源转换模块发送控制信号；所述控制信号，是用于控制所述驱动电源转换模块以使所述IGBT负压关断的信号；所述驱动电源转换模块，与所述驱动模块相连，用于在接收到所述主控模块发送的控制信号的情况下，向所述驱动模块提供负电压；所述驱动模块，连接至所述IGBT的栅极，用于在所述主控模块停止向所述驱动模块发送PWM开关信号的情况下，停止向所述IGBT输出PWM信号，使所述IGBT硬关断；以及，在接收到所述驱动电源转换模块提供的负电压的情况下，向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断。

在一些实施方式中，还包括：电感模块、二极管模块和电容模块；所述电压采样模块，包括：第一分压电阻模块和第二分压电阻模块；其中，输入电压经所述电感模块后，分别连接至所述IGBT的集电极、以及所述二极管模块的阳极；所述二极管模块的阴极，经所述电容模块后接地；所述二极管模块的阴极，还经所述第一分压电阻模块和所述第二分压电阻模块后接地；所述第一分压电阻模块和所述第二分压电阻模块的公共端，作为所述电压采样模块的输出端，用于输出所述IGBT的检测电压。

在一些实施方式中，所述电流采样模块，包括：采样电阻模块；所述温度采样模块，包括：热敏电阻模块；其中，所述采样电阻模块，设置在所述IGBT的发射极与地之间；所述采样电阻模块远离所述IGBT的发射极的一端，用于输出所述IGBT的检测电流。

在一些实施方式中，所述逻辑判定模块，包括：第一比较模块、第二比较模块、第三比较模块、以及与逻辑模块；其中，所述第一比较模块的第一输入端，用于输入所述IGBT的检测电压；所述第一比较模块的第二输入端，用于输入设定电压；在所述IGBT的检测电压大于所述设定电压的情况下，所述第一比较模块输出第一电平信号至所述与逻辑模块的第一输入端；所述第二比较模块的第一输入端，用于输入所述IGBT的检测电流；所述第二比较模块的第二输入端，用于输入设定电流；在所述IGBT的检测电流大于所述设定电流的情况下，所述第二比较模块输出第一电平信号至所述与逻辑模块的第二输入端；所述第三比较模块的第一输入端，用于输入所述IGBT的检测温度；所述第三比较模块的第二输入端，用于输入设定温度；在所述IGBT的检测温度大于所述设定温度的情况下，所述第三比较模块输出第一电平信号至所述与逻辑模块的第三输入端；所述与逻辑模块的输出端，用于在所述与逻辑模块的第一输入端接收到所述第一电平信号、所述与逻辑模块的第二输入端接收到所述第一电平信号、以及所述与逻辑模块的第三输入端接收到所述第一电平信号的情况下，输出所述设定电平信号，作为所述IGBT故障的信号。

在一些实施方式中，所述驱动电源转换模块，包括：第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块、第四开关模块、限流电阻模块、负压模块和电源转换模块；其中，直流电源的负极接地；所述直流电源的正极，经所述第一开关模块和所述电源转换模块后，连接至所述驱动模块的第一输入端，用于在所述第一开关模块接通的情况下，为所述驱动模块提供第一电压信号；所述直流电源的正极，还经所述第二开关模块、所述限流电阻模块、所述第三开关模块和所述电源转换模块后，连接至所述驱动模块的第二输入端，用于在所述第一开关模块断开、且所述第二开关模块和所述第三开关模块均接通的情况下，为所述驱动模块提供第二电压信号；以及，在所述第一开关模块、所述第二开关模块和所述第三开关模块均断开的情况下，为所述驱动模块提供0电压信号，以停止向所述驱动模块发送PWM开关信号；所述第二电压信号的电压小于所述第一电压信号的电压；其中，所述直流电源的正极，经所述第二开关模块和所述限流电阻模块后，还经所述第四开关模块、所述负压模块和所述电源转换模块后，连接至所述驱动模块的第三输入端，用于在所述第一开关模块和所述第三开关模块断开、且所述第二开关模块和所述第四开关模块接通的情况下，为所述驱动模块提供负电压，以使所述驱动模块向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断。

在一些实施方式中，所述驱动电源转换模块，还包括：稳压二极管模块；其中，所述第二开关模块经所述限流电阻模块后，连接至所述稳压二极管模块的阴极；所述稳压二极管模块的阳极接地；所述稳压二极管模块的阴极，经所述第三开关模块和所述电源转换模块后连接至所述驱动模块的第二输入端；所述稳压二极管模块的阴极，还经所述第四开关模块和所述负压模块后连接至所述驱动模块的第三输入端。

在一些实施方式中，还包括：驱动电阻模块；所述驱动电阻模块，设置在所述驱动模块与所述IGBT的栅极之间。

与上述装置相匹配，本实用新型再一方面提供一种空调，包括：以上所述的IGBT保护装置。

由此，本实用新型的方案，通过针对IGBT，在IGBT的主控芯片与驱动模块之间设置驱动电源转换模块，在驱动电源转换模块中设置正常供电模块和负压关断模块；在IGBT工作的情况下，检测IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度；根据检测到的IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度，通过逻辑判定模块判断IGBT是否故障；在逻辑判定模块输出IGBT故障的信号的情况下，驱动模块停止向IGBT发送PWM信号以使IGBT硬关断，主控芯片停止向驱动模块发送PWM开关信号同时向驱动电源转换模块发送控制信号，以使驱动电源转换模块利用负压通过驱动模块关断IGBT，在IGBT故障的情况对IGBT进行双重关断，从而，通过结合IGBT的电压、电流和温度确定IGBT是否故障，并在IGBT故障时进行负压关断，使IGBT可靠关断而避免IGBT误导通，有利于提升对IGBT保护的可靠性和安全性。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的IGBT保护装置的一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型的IGBT故障检测拓扑的一实施例的结构示意图；

图3为本实用新型的IGBT故障检测电路的一实施例的结构示意图；

图4为本实用新型的IGBT故障检测电路中IGBT故障后负压关断电路的一实施例的结构示意图；

图5为本实用新型的IGBT故障检测电路的最优实施例的结构示意图；

图6为本实用新型的IGBT故障检测电路中IGBT的关断电压随时间变化的示意图；

图7为本实用新型的IGBT故障检测电路的另一实施例的结构示意图；

图8为本实用新型的空调的IGBT保护方法的一实施例的流程示意图；

图9为本实用新型的方法中控制IGBT负压关断的一实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。

考虑到，相关方案中，针对IGBT保护一般只有过流保护，也就是指通过检测IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic来进行过流保护，且在IGBT发生过流故障保护时是直接关断IGBT，在关断IGBT时，若IGBT中电流幅度大，产生的自感应电动势Ldi/dt过高，在IGBT的集电极(C)与发射极(E)的两端会产生很高的尖峰电压，同时IGBT的栅极(G)电压存在毛刺尖峰，从而导致IGBT误导通。

因此，本实用新型的方案提出一种IGBT保护装置，具体是一种IGBT故障检测及其可靠关断装置，通过检测IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度，判断IGBT是否故障，当判断IGBT故障时，通过驱动电源转换模块进行负压可靠关断，避免在关断IGBT时IGBT误导通。

根据本实用新型的实施例，提供了一种IGBT保护装置。参见图1所示本实用新型的装置的一实施例的结构示意图。该IGBT保护装置可以包括：电压采样模块、电流采样模块、温度采样模块、逻辑判定模块、驱动电源转换模块、驱动模块和主控模块。

其中，所述电压采样模块，设置在所述IGBT的集电极，用于检测所述IGBT的集电极与发射极两端的电压，记为所述IGBT的检测电压。所述电流采样模块，设置在所述IGBT的发射极，用于检测所述IGBT的集电极与发射极之间的电流，记为所述IGBT的检测电流。所述温度采样模块，设置在所述IGBT的散热区域，用于检测所述IGBT的温度，记为所述IGBT的检测温度。

所述逻辑判定模块的输入端，分别与所述电压采样模块、所述电流采样模块和所述温度采样模块相连，具体是分别与所述电压采样模块的输出端、所述电流采样模块的输出端、以及所述温度采样模块的输出端相连；所述逻辑判定模块的输出端，分别与所述主控模块和所述驱动模块相连；所述逻辑判定模块，用于在所述IGBT的检测电压大于设定电压、所述IGBT的检测电流大于设定电流、以及所述IGBT的检测温度大于设定温度的情况下，输出设定电平信号，如高电平信号。

所述主控模块，分别与所述驱动电源转换模块和所述驱动模块相连，具体是所述主控模块的输出端分别与所述驱动电源转换模块和所述驱动模块相连，用于在接收到所述逻辑判定模块输出的设定电平信号的情况下，停止向所述驱动模块发送PWM开关信号，同时向所述驱动电源转换模块发送控制信号；所述控制信号，是用于控制所述驱动电源转换模块以使所述IGBT负压关断的信号。

所述驱动电源转换模块，与所述驱动模块相连，用于在接收到所述主控模块发送的控制信号的情况下，向所述驱动模块提供负电压。

所述驱动模块，连接至所述IGBT的栅极，用于在所述主控模块停止向所述驱动模块发送PWM开关信号的情况下，停止向所述IGBT输出PWM信号，使所述IGBT硬关断；以及，在接收到所述驱动电源转换模块提供的负电压的情况下，向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断。

具体地，图2为本实用新型的IGBT故障检测拓扑的一实施例的结构示意图。如图2所示，IGBT故障检测拓扑，包括：温度检测模块、电压采样模块、电流检测模块、逻辑判定模块、主控模块、驱动电源转换模块和驱动模块。其中，电压采样模块，可以利用分压电阻分压的方式进行电压检测，也可以利用电压传感器进行电压检测。电流检测模块，可以利用采样电阻经过运放进行电流检测，也可以利用电流传感器进行电流检测。温度检测模块，可以利用感温包或温度传感器进行温度检测。

如图2所示，温度检测模块的第一输出端，连接至逻辑判定模块的第一输入端；温度检测模块的第二输出端，连接至主控模块的第一输入端。电压采样模块的第一输出端，连接至逻辑判定模块的第二输入端；电压采样模块的第二输出端，连接至主控模块的第二输入端；电流检测模块的第一输出端，连接至逻辑判定模块的第三输入端；电流检测模块的第二输出端，连接至主控模块的第三输入端。逻辑判定模块的第一输出端，连接至驱动模块的第一输入端。逻辑判定模块的第二输出端，连接至主控模块的第四输入端。主控模块的第一输出端，连接至驱动电源转换模块的输入端；驱动电源转换模块的输出端，连接至驱动模块的第二输入端。主控模块的第二输出端，连接至驱动模块的第三输入端。驱动模块的输出端，连接至IGBT的栅极(G)。

在图2所示的例子中，通过电压采样模块检测IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压，与设定电压比较，得到电压比较结果；将电压比较结果输入至逻辑判定模块。通过电流检测模块检测通过IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic，与设定电流比较，得到电流比较结果；将电流比较结果输入至逻辑判定模块。通过温度检测模块检测IGBT的温度，与设定温度比较，得到温度比较结果；将温度比较结果输入至逻辑判定模块。

在图2所示的例子中，在电压比较结果、电流比较结果和温度比较结果均输入至逻辑判定模块后，在电压采样模块检测IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压超过设定电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic超过设定电流、以及IGBT的温度超过设定温度的情况下，逻辑判定模块判定IGBT故障，并将IGBT故障的信号分别发送至驱动模块和主控模块。

驱动模块在接收到逻辑判定模块发送的IGBT故障的信号后，停止发送PWM信号，以使IGBT硬关断。主控模块在接收到逻辑判定模块发送的IGBT故障的信号后，停止向驱动模块发送PWM开关信号同时发送关断信号至驱动电源转换模块，以控制IGBT进行负压关断。其中，逻辑判定模块直接连接至驱动模块，其目的在于：逻辑判定单元判定故障后，可直接向驱动模块发送信号，使驱动模块开始关断，不用再通过逻辑判定模块、主芯片MCU后再到驱动模块，控制的及时性和可靠性更好。从而，不会使IGBT在关断时误导通，使IGBT在故障时的关断更可靠，保证了对IGBT保护的可靠性和安全性。

这样，本实用新型的方案提供一种IGBT故障检测及其可靠关断装置，具体是一种新型的IGBT故障检测拓扑，通过检测IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度，判断IGBT是否故障，当判断IGBT故障时，通过驱动电源转换模块进行负压可靠关断，防止尖峰电压导致的IGBT误导通，避免在关断IGBT时IGBT误导通。

在一些实施方式中，本实用新型的方案所述的IGBT保护装置，还包括：电感模块、二极管模块和电容模块，电感模块如电感L1，二极管模块如二极管D2，电容模块如电容C1；所述电压采样模块，包括：第一分压电阻模块和第二分压电阻模块，第一分压电阻模块如电阻R4，第二分压电阻模块如电阻R5。

其中，输入电压经所述电感模块后，分别连接至所述IGBT的集电极、以及所述二极管模块的阳极；所述二极管模块的阴极，经所述电容模块后接地；所述二极管模块的阴极，还经所述第一分压电阻模块和所述第二分压电阻模块后接地；所述第一分压电阻模块和所述第二分压电阻模块的公共端，作为所述电压采样模块的输出端，用于输出所述IGBT的检测电压。

具体地，图5为本实用新型的IGBT故障检测电路的最优实施例的结构示意图。如图5所示，电压采样模块包括电阻R4和电阻R5，电阻R4和电阻R5构成分压电阻模块。二极管D1的阴极，经电阻R4和电阻R5后接地。电阻R4和电阻R5的公共端作为电压采样模块的输出端。

在一些实施方式中，本实用新型的方案所述的IGBT保护装置，所述电流采样模块，包括：采样电阻模块，如采样电阻Rs；所述温度采样模块，包括：热敏电阻模块。其中，所述采样电阻模块，设置在所述IGBT的发射极与地之间；所述采样电阻模块远离所述IGBT的发射极的一端，用于输出所述IGBT的检测电流。

其中，电压采样模块，可采用电阻或传感器或者其他电路方式实现，电流采样模块可采用电阻或精密电流传感器或其他电路实现，驱动电源转换模块可采用其他电路实现。

在一些实施方式中，所述逻辑判定模块，包括：第一比较模块、第二比较模块、第三比较模块、以及与逻辑模块，第一比较模块如比较器U1，第二比较模块如比较器U2，第三比较模块如比较器U4，与逻辑模块如与逻辑芯片U3；其中，各比较器可采用逻辑门、运放或其他类似功能芯片实现。

其中，所述第一比较模块的第一输入端，用于输入所述IGBT的检测电压；所述第一比较模块的第二输入端，用于输入设定电压；在所述IGBT的检测电压大于所述设定电压的情况下，所述第一比较模块输出第一电平信号至所述与逻辑模块的第一输入端。所述第二比较模块的第一输入端，用于输入所述IGBT的检测电流；所述第二比较模块的第二输入端，用于输入设定电流；在所述IGBT的检测电流大于所述设定电流的情况下，所述第二比较模块输出第一电平信号至所述与逻辑模块的第二输入端。所述第三比较模块的第一输入端，用于输入所述IGBT的检测温度；所述第三比较模块的第二输入端，用于输入设定温度；在所述IGBT的检测温度大于所述设定温度的情况下，所述第三比较模块输出第一电平信号至所述与逻辑模块的第三输入端。

所述与逻辑模块的输出端，用于在所述与逻辑模块的第一输入端接收到所述第一电平信号、所述与逻辑模块的第二输入端接收到所述第一电平信号、以及所述与逻辑模块的第三输入端接收到所述第一电平信号的情况下，输出所述设定电平信号，作为所述IGBT故障的信号。

具体地，图3为本实用新型的IGBT故障检测电路的一实施例的结构示意图。如图3所示，IGBT故障检测电路，包括：电压采样模块、电流采样模块、温度采样模块，比较器U1、比较器U2、比较器U4、主芯片MCU、与逻辑芯片U3，采样电阻Rs，电感L1，二极管D1，电容C1，以及IGBT。

其中，输入电压Vin经电感L1后，连接至IGBT的集电极(C)。输入电压Vin经电感L1后，还连接至二极管D1的阳极；二极管D1的阴极输出电压VP。二极管D1的阴极经电容C1后接地；IGBT的发射极(E)经采样电阻Rs后接地。二极管D1的阴极，经电压采样模块后，一方面输出采样电压至比较器U1的采样电压输入端，另一方面输出采样电压至MCU的第一输入端。比较器U1的输出端，连接至与逻辑芯片U3的第一输入端。采样电阻Rs远离IGBT的发射极(E)的一端，经电流采样模块后，一方面输出采样电流至比较器U2的采样电流输入端，另一方面输出采样电流至MCU的第二输入端。比较器U2的输出端，连接至与逻辑芯片U3的第二输入端。IGBT的发射极(E)，经温度采样模块后，一方面输出采样温度至比较器U4的采样温度输入端，另一方面输出采样温度值MCU的第三输入端。与逻辑芯片U3的输出端，连接至MCU的第四输入端。

在一些实施方式中，本实用新型的方案所述的IGBT保护装置，所述驱动电源转换模块，包括：第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块、第四开关模块、限流电阻模块、负压模块和电源转换模块，第一开关模块如开关K1、第二开关模块如开关K2、第三开关模块如开关K3、第四开关模块如开关K4、限流电阻模块如电阻R1、负压模块如负电源、电源转换模块如电压转换芯片或稳压芯片。

其中，直流电源的负极接地；所述直流电源的正极，经所述第一开关模块和所述电源转换模块后，连接至所述驱动模块的第一输入端，用于在所述第一开关模块接通的情况下，为所述驱动模块提供第一电压信号，如VCC(t1)。

所述直流电源的正极，还经所述第二开关模块、所述限流电阻模块、所述第三开关模块和所述电源转换模块后，连接至所述驱动模块的第二输入端，用于在所述第一开关模块断开、且所述第二开关模块和所述第三开关模块均接通的情况下，为所述驱动模块提供第二电压信号，如VCC(t2)；以及，在所述第一开关模块、所述第二开关模块和所述第三开关模块均断开的情况下，为所述驱动模块提供0电压信号，以停止向所述驱动模块发送PWM开关信号；所述第二电压信号的电压小于所述第一电压信号的电压。

其中，所述直流电源的正极，经所述第二开关模块和所述限流电阻模块后，还经所述第四开关模块、所述负压模块和所述电源转换模块后，连接至所述驱动模块的第三输入端，用于在所述第一开关模块和所述第三开关模块断开、且所述第二开关模块和所述第四开关模块接通的情况下，为所述驱动模块提供负电压，以使所述驱动模块向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断。

具体地，如图3所示，IGBT故障检测电路，还包括：开关K1、开关K2、开关K3、开关K4，限流电阻R1、二极管D1。其中，电源VCC的负极接地；电源VCC的正极，连接至开关K1的第一连接端。开关K1的第二连接端，连接至驱动模块的第一输入端即VCC(t1)端。电源VCC的正极，还连接至开关K2的第一连接端；开关K2的第二连接端，经限流电阻R1后，连接至稳压二极管D2的阴极；稳压二极管D2的阳极接地。电源VCC的正极，还连接至开关K2的第一连接端；开关K2的第二连接端，经限流电阻R1后，连接至开关K3的第一连接端；开关K3的第二连接端，连接至驱动模块的第二输入端即VCC(t2)端。电源VCC的正极，还连接至开关K2的第一连接端；开关K2的第二连接端，经限流电阻R1后，连接至开关K4的第一连接端；开关K4的第二连接端，连接至负压模块的输入端；负压模块的输出端，连接至驱动模块的第三输入端即VCC(t3)端。驱动模块的输出端，经电阻R2后，连接至IGBT的栅极(G)。MCU的第一输出端，连接至开关K1的控制端。MCU的第二输出端，连接至开关K2的控制端。MCU的第三输出端，连接至开关K3的控制端。MCU的第四输出端，连接至开关K4的控制端。MCU的第四输出端，能够输出PWM信号至驱动模块的第四输入端。

在一些实施方式中，，所述驱动电源转换模块，还包括：稳压二极管模块，如稳压二极管D2。其中，所述第二开关模块经所述限流电阻模块后，连接至所述稳压二极管模块的阴极；所述稳压二极管模块的阳极接地；所述稳压二极管模块的阴极，经所述第三开关模块和所述电源转换模块后连接至所述驱动模块的第二输入端；所述稳压二极管模块的阴极，还经所述第四开关模块和所述负压模块后连接至所述驱动模块的第三输入端。

具体地，图4为本实用新型的IGBT故障检测电路中IGBT故障后负压关断电路的一实施例的结构示意图。如图4所示，MCU的第一输出端，经开关K1后输入至驱动电源转换模块的第一输入端；MCU的第二输出端，经开关K2后输入至驱动电源转换模块的第二输入端；MCU的第三输出端，经开关K3后输入至驱动电源转换模块的第三输入端；MCU的第四输出端，输入至驱动模块的第四输入端；驱动电源转换模块的第一输出端输入至驱动模块的的第一输入端即VCC(t1)端，驱动电源转换模块的第二输出端输入至驱动模块的的第二输入端即VCC(t2)端，驱动电源转换模块的第三输出端输入至驱动模块的的第三输入端即VCC(t3)端。

如图4所示，正常工作时(t1时刻)，控制开关K1开通，正常工作电压VCC(t1)给驱动模块供电，当MCU接收到IGBT故障的信号时，开始进行负压关断；在负压关断的过程中，t2时刻，开关K1断开，开关K2开通，开关K3关断，此时电源VCC的电压通过驱动电源转换模块转换为低电压VCC(t2)；t3时刻，开关K1断开，开关K2关断，开关K3断开，由0V电压供电；t4时刻，开关K2开通，开关K4开通，此时VCC电压通过限流电阻R1和稳压二极管D2，被钳位至较低电压，后通过负压模块转换为负压VCC(t3)，通过负压VCC(t3)可靠关断IGBT。其中，驱动电源转换模块，如电压转换芯片，用于进行电压转换。

在一些实施方式中，本实用新型的方案所述的IGBT保护装置，还包括：驱动电阻模块；所述驱动电阻模块，设置在所述驱动模块与所述IGBT的栅极之间。

具体地，图3为本实用新型的IGBT故障检测电路的一实施例的结构示意图。如图3所示，IGBT故障检测电路，包括：电压采样模块、电流采样模块、温度采样模块，比较器U1、比较器U2、比较器U4、主芯片MCU、与逻辑芯片U3，开关K1、开关K2、开关K3、开关K4，限流电阻R1、电阻R2、采样电阻Rs，电感L1，二极管D1，稳压二极管D2，电容C1，以及IGBT。

如图3所示的IGBT故障检测电路，以BOOST电路为例，输入电压Vin的电压经电感L1和二极管D1升压后得到电压VP，通过电阻分压或其他电压检测电路(即电压采样模块)进行电压采样。其中，BOOST电路的升压方式，是通过IGBT开关和电感L1蓄能和二极管D1的反向电动势升压。采样电压与设定电压通过比较器U1进行比较，若采样电压高于设定电压，输出高电平信号至逻辑判定模块，如输入至与逻辑芯片U3的第一输入端。通过采样电阻Rs进行电流采样，利用电流采样模块，通过检测采样电阻Rs前后两端电压差进行电流检测，通过运放电路将采样信号放大，采样电流与设定电流通过比较器U2进行比较，若采样电流高于设定电流，则输出高电平信号至逻辑判定模块，如输入至与逻辑芯片U3的第二输入端。通过温度采样模块如热敏电阻进行温度采样，采样温度与设定温度通过比较器U4进行比较，若采样温度高于设定温度，则输出高电平信号至逻辑判定模块，如输入至与逻辑芯片U3的第三输入端。逻辑判定模块根据输入的电平信号判断IGBT是否故障，此时，驱动模块(如驱动芯片或以驱动芯片为核心的驱动单元)在接收到逻辑判定模块发送的IGBT故障的信号后，停止发送PWM信号，以使IGBT硬关断；主控模块在接收到逻辑判定模块发送的IGBT故障的信号后，停止向驱动模块发送PWM开关信号同时发送关断信号至驱动电源转换模块，以控制IGBT进行负压关断。

其中，负压模块，类似于有很多路电源，每路都有一个类似选通开关控制。正常工作时，控制第一路电源开通，如控制开关K1接通，由正常工作电压VCC供电，即由VCC(t1)供电。当MCU接收到IGBT故障的信号时，开始进行负压关断，顺序如下：先由第二路电源供电，如控制开关K1断开，控制开关K2和开关K3接通，由VCC(t2)供电，VCC(t2)比VCC(t1)低；再由第三路电源供电，如控制开关K1、开关K2和开关K3均断开，由0V电压供电；之后由第四路电源供电，控制开关K1断开、开关K2开通、开关K4开通，即由负压模块提供的负电压VCC(t3)，由VCC(t3)供电。关断IGBT时，若IGBT中电流幅度大，产生的自感应电动势Ldi/dt过高，在IGBT的集电极(C)与发射极(E)的两端会产生很高的尖峰电压，同时IGBT的栅极(G)电压存在毛刺尖峰，从而导致IGBT误导通，逐级关断不会误导通。其中，负压模块可以参见图4和图6的相关说明。

如图5所示的IGBT故障检测电路，以BOOST电路为例，输入电压Vin的电压经电感L1和二极管D1升压后得到电压VP，通过电阻R4和电阻R5分压或其他电压检测电路(即电压采样模块)进行电压采样。采样电压与设定电压通过比较器U1进行比较，若采样电压高于设定电压，比较器U1电平翻转，输出高电平信号至逻辑判定模块如与逻辑芯片U3的第一输入端。通过采样电阻Rs进行电流采样，利用电流采样模块，通过检测采样电阻Rs前后两端电压差进行电流检测，通过运放电路将采样信号放大，采样电流与设定电流通过比较器U2进行比较，若采样电流高于设定电流，则输出高电平信号至逻辑判定模块，如输入至与逻辑芯片U3的第二输入端；其中，若要求采样精度和可靠性，可使用精密电流传感器进行电流采样。通过温度采样模块如热敏电阻进行温度采样，采样温度与设定温度通过比较器U4进行比较，若采样温度高于设定温度，则输出高电平信号至逻辑判定模块，如输入至与逻辑芯片U3的第三输入端。

如图5所示，当与逻辑芯片U3判断IGBT是否故障，在判断IGBT故障时发送IGBT故障的信号至主芯片MCU和驱动模块，此时驱动模块在接收到逻辑判定模块发送的IGBT故障的信号后，停止发送PWM信号，以使IGBT硬关断；主芯片MCU停止发送PWM信号，同时发送控制信号进行负压关断，控制顺序如下：IGBT所在系统正常工作时(t1时刻)，主芯片MCU控制开关K1开通，正常工作电压VCC(t1)给驱动模块供电，当主芯片MCU接收到IGBT故障的信号时，开始进行负压关断；t2时刻，开关K1断开，开关K2开通，开关K3开通，此时VCC电压通过限流电阻R1和稳压二极管D2，被钳位至较低电压VCC(t2)；t3时刻，开关K1、开关K2、开关K3关断，此时VCC电压至0V，VCC(0)；t4时刻，开关K1断开，开关K2开通，开关K4开通，此时VCC电压通过限流电阻R1和稳压二极管D2，被钳位至较低电压，后通过负压模块转换为负压VCC(t4)，通过负压可靠关断IGBT。负压模块，可以是本身输出负压的电源模块，也可以是通过不同参考地输出的负电压电源，负压可以使IGBT可靠关断。

图6为本实用新型的IGBT故障检测电路中IGBT的关断电压随时间变化的示意图。在确定IGBT故障后，对IGBT进行负压关断时，关断电压随时间变化的情况如图6所示。

图7为本实用新型的IGBT故障检测电路的另一实施例的结构示意图。如图7所示，比较器U1、比较器U2、比较器U4、与逻辑芯片U3的供电电源，可以采用独立于电源VCC的单独电源供电，如采用电源VCC2供电。另外，本实用新型的方案不仅限于BOOST拓扑，其余拓扑均可适用。本实用新型的方案也不仅限于空调，其他使用开关管的功率电路也均可适用。

采用本实用新型的技术方案，通过针对IGBT，在IGBT的主控芯片与驱动模块之间设置驱动电源转换模块，在驱动电源转换模块中设置正常供电模块和负压关断模块；在IGBT工作的情况下，检测IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度；根据检测到的IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度，通过逻辑判定模块判断IGBT是否故障；在逻辑判定模块输出IGBT故障的信号的情况下，驱动模块停止向IGBT发送PWM信号以使IGBT硬关断，主控芯片停止向驱动模块发送PWM开关信号同时向驱动电源转换模块发送控制信号，以使驱动电源转换模块利用负压通过驱动模块关断IGBT，在IGBT故障的情况对IGBT进行双重关断，从而，通过结合IGBT的电压、电流和温度确定IGBT是否故障，并在IGBT故障时进行负压关断，使IGBT可靠关断而避免IGBT误导通，有利于提升对IGBT保护的可靠性和安全性。

根据本实用新型的实施例，还提供了对应于IGBT保护装置的一种空调。该空调可以包括：以上所述的IGBT保护装置。

由于本实施例的空调所实现的处理及功能基本相应于装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

采用本实用新型的技术方案，通过针对IGBT，在IGBT的主控芯片与驱动模块之间设置驱动电源转换模块，在驱动电源转换模块中设置正常供电模块和负压关断模块；在IGBT工作的情况下，检测IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度；根据检测到的IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度，通过逻辑判定模块判断IGBT是否故障；在逻辑判定模块输出IGBT故障的信号的情况下，驱动模块停止向IGBT发送PWM信号以使IGBT硬关断，主控芯片停止向驱动模块发送PWM开关信号同时向驱动电源转换模块发送控制信号，以使驱动电源转换模块利用负压通过驱动模块关断IGBT，在IGBT故障的情况对IGBT进行双重关断，避免在关断IGBT时IGBT误导通。

根据本实用新型的实施例，还提供了对应于空调的一种空调的IGBT保护方法，如图8所示本实用新型的方法的一实施例的流程示意图。该空调的IGBT保护方法可以包括：步骤S110至步骤S140。

在步骤S110处，获取所述IGBT的集电极与发射极两端的电压，记为所述IGBT的检测电压；获取所述IGBT的集电极与发射极之间的电流，记为所述IGBT的检测电流；并获取所述IGBT的温度，记为所述IGBT的检测温度。

在步骤S120处，在所述IGBT的检测电压大于设定电压、所述IGBT的检测电流大于设定电流、以及所述IGBT的检测温度大于设定温度的情况下，输出设定电平信号，如高电平信号。

在步骤S130处，在接收到所述设定电平信号的情况下，停止向所述驱动模块发送PWM开关信号，同时向所述驱动电源转换模块发送控制信号；所述控制信号，是用于控制所述驱动电源转换模块以使所述IGBT负压关断的信号；其中，在停止向所述驱动模块发送PWM开关信号的情况下，使所述驱动模块，停止向所述IGBT输出PWM信号，使所述IGBT硬关断。

在步骤S140处，使所述驱动电源转换模块，在接收到所述控制信号的情况下，向所述驱动模块提供负电压；其中，在接收到所述驱动电源转换模块提供的负电压的情况下，使所述驱动模块，向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断。

本实用新型的方案，通过检测IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度，判断IGBT是否故障，当判断IGBT故障时，通过驱动电源转换模块进行负压可靠关断，防止尖峰电压导致的IGBT误导通，避免在关断IGBT时IGBT误导通。

在一些实施方式中，在所述驱动电源转换模块包括第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块、第四开关模块、限流电阻模块、负压模块和电源转换模块的情况下：若未接收到所述控制信号，则控制所述第一开关模块接通，同时控制所述第二开关模块、所述第三开关模块和所述第四开关模块均断开。其中，未接收到所述控制信号的时刻，为t1时刻。

在所述驱动电源转换模块包括第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块、第四开关模块、限流电阻模块、负压模块和电源转换模块的情况下：若接收到所述控制信号，则控制所述驱动模块提供负电压，以向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断。

下面结合图9所示本实用新型的方法中控制所述驱动模块提供负电压，以向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断的一实施例流程示意图，进一步说明控制所述驱动模块提供负电压，以向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断的具体过程，包括：步骤S210至步骤S230。

步骤S210，在第一设定时刻，控制所述第一开关模块断开，控制所述第二开关模块和所述第三开关模块均接通，且控制所述第四开关模块继续断开，为所述驱动模块提供第二电压信号。其中，第一设定时刻如t2时刻。

步骤S220，在第二设定时刻，控制所述第一开关模块、所述第二开关模块和所述第三开关模块均断开，且控制所述第四开关模块继续断开，为所述驱动模块提供0电压信号，以停止向所述驱动模块发送PWM开关信号。其中，第二设定时刻如t3时刻。

步骤S230，在第三设定时刻，控制所述第二开关模块和所述第四开关模块均接通，且控制所述第一开关模块和所述第三开关模块继续断开，为所述驱动模块提供负电压，以使所述驱动模块向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断。其中，第三设定时刻如t4时刻。

具体地，正常工作时(t1时刻)，控制开关K1开通，正常工作电压VCC(t1)给驱动模块供电，当MCU接收到IGBT故障的信号时，开始进行负压关断；在负压关断的过程中，t2时刻，开关K1断开，开关K2开通，开关K3关断，此时电源VCC的电压通过驱动电源转换模块转换为低电压VCC(t2)；t3时刻，开关K1断开，开关K2关断，开关K3断开，由0V电压供电；t4时刻，开关K2开通，开关K4开通，此时VCC电压通过限流电阻R1和稳压二极管D2，被钳位至较低电压，后通过负压模块转换为负压VCC(t3)，通过负压VCC(t3)可靠关断IGBT。

由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述空调的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

采用本实施例的技术方案，通过针对IGBT，在IGBT的主控芯片与驱动模块之间设置驱动电源转换模块，在驱动电源转换模块中设置正常供电模块和负压关断模块；在IGBT工作的情况下，检测IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度；根据检测到的IGBT的集电极(C)与发射极(E)两端的电压、IGBT的集电极(C)-发射极(E)两极之间的电流Ic、以及IGBT的温度，通过逻辑判定模块判断IGBT是否故障；在逻辑判定模块输出IGBT故障的信号的情况下，驱动模块停止向IGBT发送PWM信号以使IGBT硬关断，主控芯片停止向驱动模块发送PWM开关信号同时向驱动电源转换模块发送控制信号，以使驱动电源转换模块利用负压通过驱动模块关断IGBT，在IGBT故障的情况对IGBT进行双重关断，防止尖峰电压导致的IGBT误导通。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种IGBT保护装置，其特征在于，包括：电压采样模块、电流采样模块、温度采样模块、逻辑判定模块、驱动电源转换模块、驱动模块和主控模块；其中，

所述电压采样模块，设置在所述IGBT的集电极，用于检测所述IGBT的集电极与发射极两端的电压，记为所述IGBT的检测电压；

所述电流采样模块，设置在所述IGBT的发射极，用于检测所述IGBT的集电极与发射极之间的电流，记为所述IGBT的检测电流；

所述温度采样模块，设置在所述IGBT的散热区域，用于检测所述IGBT的温度，记为所述IGBT的检测温度；

所述逻辑判定模块的输入端，分别与所述电压采样模块、所述电流采样模块和所述温度采样模块相连；所述逻辑判定模块的输出端，分别与所述主控模块和所述驱动模块相连；所述逻辑判定模块，用于在所述IGBT的检测电压大于设定电压、所述IGBT的检测电流大于设定电流、以及所述IGBT的检测温度大于设定温度的情况下，输出设定电平信号；

所述主控模块，分别与所述驱动电源转换模块和所述驱动模块相连，用于在接收到所述逻辑判定模块输出的设定电平信号的情况下，停止向所述驱动模块发送PWM开关信号，同时向所述驱动电源转换模块发送控制信号；所述控制信号，是用于控制所述驱动电源转换模块以使所述IGBT负压关断的信号；

所述驱动电源转换模块，与所述驱动模块相连，用于在接收到所述主控模块发送的控制信号的情况下，向所述驱动模块提供负电压；

所述驱动模块，连接至所述IGBT的栅极，用于在所述主控模块停止向所述驱动模块发送PWM开关信号的情况下，停止向所述IGBT输出PWM信号，使所述IGBT硬关断；以及，在接收到所述驱动电源转换模块提供的负电压的情况下，向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断。

2.根据权利要求1所述的IGBT保护装置，其特征在于，还包括：电感模块、二极管模块和电容模块；所述电压采样模块，包括：第一分压电阻模块和第二分压电阻模块；其中，

输入电压经所述电感模块后，分别连接至所述IGBT的集电极、以及所述二极管模块的阳极；所述二极管模块的阴极，经所述电容模块后接地；所述二极管模块的阴极，还经所述第一分压电阻模块和所述第二分压电阻模块后接地；所述第一分压电阻模块和所述第二分压电阻模块的公共端，作为所述电压采样模块的输出端，用于输出所述IGBT的检测电压。

3.根据权利要求1所述的IGBT保护装置，其特征在于，所述电流采样模块，包括：采样电阻模块；所述温度采样模块，包括：热敏电阻模块；其中，

所述采样电阻模块，设置在所述IGBT的发射极与地之间；所述采样电阻模块远离所述IGBT的发射极的一端，用于输出所述IGBT的检测电流。

4.根据权利要求1所述的IGBT保护装置，其特征在于，所述逻辑判定模块，包括：第一比较模块、第二比较模块、第三比较模块、以及与逻辑模块；其中，

所述第一比较模块的第一输入端，用于输入所述IGBT的检测电压；所述第一比较模块的第二输入端，用于输入设定电压；在所述IGBT的检测电压大于所述设定电压的情况下，所述第一比较模块输出第一电平信号至所述与逻辑模块的第一输入端；

所述第二比较模块的第一输入端，用于输入所述IGBT的检测电流；所述第二比较模块的第二输入端，用于输入设定电流；在所述IGBT的检测电流大于所述设定电流的情况下，所述第二比较模块输出第一电平信号至所述与逻辑模块的第二输入端；

所述第三比较模块的第一输入端，用于输入所述IGBT的检测温度；所述第三比较模块的第二输入端，用于输入设定温度；在所述IGBT的检测温度大于所述设定温度的情况下，所述第三比较模块输出第一电平信号至所述与逻辑模块的第三输入端；

所述与逻辑模块的输出端，用于在所述与逻辑模块的第一输入端接收到所述第一电平信号、所述与逻辑模块的第二输入端接收到所述第一电平信号、以及所述与逻辑模块的第三输入端接收到所述第一电平信号的情况下，输出所述设定电平信号，作为所述IGBT故障的信号。

5.根据权利要求1所述的IGBT保护装置，其特征在于，所述驱动电源转换模块，包括：第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块、第四开关模块、限流电阻模块、负压模块和电源转换模块；其中，

直流电源的负极接地；所述直流电源的正极，经所述第一开关模块和所述电源转换模块后，连接至所述驱动模块的第一输入端，用于在所述第一开关模块接通的情况下，为所述驱动模块提供第一电压信号；

所述直流电源的正极，还经所述第二开关模块、所述限流电阻模块、所述第三开关模块和所述电源转换模块后，连接至所述驱动模块的第二输入端，用于在所述第一开关模块断开、且所述第二开关模块和所述第三开关模块均接通的情况下，为所述驱动模块提供第二电压信号；以及，在所述第一开关模块、所述第二开关模块和所述第三开关模块均断开的情况下，为所述驱动模块提供0电压信号，以停止向所述驱动模块发送PWM开关信号；所述第二电压信号的电压小于所述第一电压信号的电压；

其中，所述直流电源的正极，经所述第二开关模块和所述限流电阻模块后，还经所述第四开关模块、所述负压模块和所述电源转换模块后，连接至所述驱动模块的第三输入端，用于在所述第一开关模块和所述第三开关模块断开、且所述第二开关模块和所述第四开关模块接通的情况下，为所述驱动模块提供负电压，以使所述驱动模块向所述IGBT输出负向关断信号，使所述IGBT负压关断。

6.根据权利要求5所述的IGBT保护装置，其特征在于，所述驱动电源转换模块，还包括：稳压二极管模块；其中，

所述第二开关模块经所述限流电阻模块后，连接至所述稳压二极管模块的阴极；所述稳压二极管模块的阳极接地；所述稳压二极管模块的阴极，经所述第三开关模块和所述电源转换模块后连接至所述驱动模块的第二输入端；所述稳压二极管模块的阴极，还经所述第四开关模块和所述负压模块后连接至所述驱动模块的第三输入端。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的IGBT保护装置，其特征在于，还包括：驱动电阻模块；所述驱动电阻模块，设置在所述驱动模块与所述IGBT的栅极之间。

8.一种空调，其特征在于，包括：如权利要求1至7中任一项所述的IGBT保护装置。