專利名稱：可靠靈敏的igbt過(guò)流保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種保護(hù)電路，具體是一種可靠的、具有高靈敏度的IGBT過(guò)流保護(hù)電路，適用于電磁加熱技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著電磁加熱技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電磁加熱裝置的控制器也暴露了出壽命不長(zhǎng)等問(wèn)題，控制器中的IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)雖然已經(jīng)采用了常規(guī)的保護(hù)措施但仍然屢屢損壞。具體原因是工業(yè)使用的控制器屬于大功率電磁加熱控制器，長(zhǎng)期頻繁的大電流切換狀態(tài)加上會(huì)隨溫度變化的感性負(fù)載，容易造成IGBT在大電流下瞬間關(guān)斷，導(dǎo)致IGBT超出關(guān)斷安全工作區(qū)而處于擎住狀態(tài)，從而過(guò)流損壞，因此工業(yè)使用的電磁加熱控制器需要更快速更合理的IGBT過(guò)流保護(hù)功能才能有效保護(hù)IGBT。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服上述背景技術(shù)中的不足，提供一種IGBT過(guò)流保護(hù)電路的改進(jìn)，該保護(hù)電路應(yīng)具有可靠性好、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是可靠靈敏的IGBT過(guò)流保護(hù)電路，包括IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBUVce采樣電路以及IGBT控制電路；其特征在于所述過(guò)流保護(hù)電路還設(shè)有互感采樣電路，該互感采樣電路由電流傳感器Tl、電阻RLF1、二極管DD2、電阻R2152、穩(wěn)壓管DQll組成，電流傳感器Tl的輸入端中，I號(hào)接線端接負(fù)載L，2號(hào)接線端與IGBT的集電極以及所述Vce采樣電路連接，電流傳感器Tl的輸出端中，3號(hào)接線端分兩路，一路經(jīng)所述電阻RLFl接地，另一路通過(guò)依序串聯(lián)的所述二極管DD2、電阻R2152、穩(wěn)壓管DQll連接IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBl的DESAT引腳，4號(hào)接線端接地。所述Vce采樣電路包括依序串聯(lián)的二極管DDl、電阻R2151、電容C229，電阻R2151和電容C229之間的節(jié)點(diǎn)連接所述IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBl的DESAT腳，二極管DDl的負(fù)極連接所述電流傳感器Tl的2號(hào)引腳。所述控制電路由電阻R217、R218、穩(wěn)壓管DQ12、DQ13組成，所述電阻R217的一端連接IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBl的OUT引腳，另一端分三路，第一路連接IGBT的門極，IGBT的發(fā)射極接地，第二路通過(guò)所述電阻R218接地、第三路與穩(wěn)壓管DQ13的負(fù)極連接，穩(wěn)壓管DQ13的正極與穩(wěn)壓管DQ12的正極連接，穩(wěn)壓管DQ12的負(fù)極接地。本實(shí)用新型的工作原理是Vce采樣電路具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但其靈敏性較差(需要較大的電流才能響應(yīng)，速度快)，而互感采樣電路的特點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢，但靈敏度高的特點(diǎn)(較小的電流就能響應(yīng)，但速度較慢);本實(shí)用新型將兩種采樣電路結(jié)合，當(dāng)IGBT的電流較大時(shí)，Vce采樣電路進(jìn)行采樣，當(dāng)IGBT的電流較小時(shí)，互感器將電流放大，電阻RLFl的電壓升高，互感采樣電路可以通過(guò)二極管DD2、電阻R2152和穩(wěn)壓管DQl I采樣；當(dāng)采樣電路檢測(cè)到過(guò)流時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBl的OUT腳發(fā)出信號(hào)，降低IGBT的門極電壓，從而關(guān)斷IGBT防止其損壞。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型將常規(guī)的Vce采樣電路和互感采樣電路結(jié)合在一起，綜合兩種采樣電路的特點(diǎn)，使得本實(shí)用新型具有響應(yīng)速度快、靈敏度高的特點(diǎn)；試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不論對(duì)于負(fù)載短路，電容擊穿引起的過(guò)流，還是輸入電壓過(guò)高引起的過(guò)流都能很好地保護(hù)控制器不受損壞。

圖I是本實(shí)用新型的電路原理示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合說(shuō)明書附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I所示，可靠靈敏的IGBT過(guò)流保護(hù)電路，包括IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBl (選用HCPL-316J)、Vce采樣電路以及IGBT控制電路；所述Vce采樣電路包括依序串聯(lián)的二極管DD1、電阻R2151、電容C229，電阻R2151和電容C229之間的節(jié)點(diǎn)連接所述IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBI的DESAT腳。所述控制電路由電阻R217、R218、穩(wěn)壓管DQ12、DQ13組成，所述電阻R217的一端連接IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBl的OUT引腳，另一端分三路，第一路連接IGBT的門極G，IGBT的發(fā)射極E接地，第二路通過(guò)所述電阻R218接地、第三路與穩(wěn)壓管DQ13的負(fù)極連接，穩(wěn)壓管DQ13的正極與穩(wěn)壓管DQ12的正極連接，穩(wěn)壓管DQ12的負(fù)極接地。上述電路結(jié)構(gòu)與常規(guī)的過(guò)流保護(hù)電路類似，Vce采樣電路以及IGBT控制電路的工作原理在此不作詳細(xì)介紹。本實(shí)用新型在上述常規(guī)過(guò)流保護(hù)電路的基礎(chǔ)上，增設(shè)了互感采樣電路，該互感采樣電路由電流傳感器TI、電阻RLFl、二極管DD2、電阻R2152、穩(wěn)壓管DQl I組成。電流傳感器Tl的輸入端中，I號(hào)接線端接負(fù)載L，2號(hào)接線端與IGBT的集電極C，2號(hào)接線端同時(shí)與所述Vce采樣電路中二極管DDl的負(fù)極連接，電流傳感器Tl的輸出端中，3號(hào)接線端分兩路，一路經(jīng)所述電阻RLFl接地，另一路通過(guò)依序串聯(lián)的所述二極管DD2、電阻R2152、穩(wěn)壓管DQll連接IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBl的DESAT引腳，4號(hào)接線端接地。尚需說(shuō)明的是，如圖I所示，一般地情況下所述負(fù)載連接有兩個(gè)IGBT，每個(gè)IGBT均配置有一過(guò)流保護(hù)電路，圖I為了圖紙清晰顯示，僅畫出其中一個(gè)IGBT的過(guò)流保護(hù)電路。本實(shí)用新型所述的所有元器件均可外購(gòu)獲得。IGBT最重要的保護(hù)環(huán)節(jié)就是高性能的過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。專用驅(qū)動(dòng)模塊都帶有過(guò)流保護(hù)功能。一些分立的驅(qū)動(dòng)電路也帶有過(guò)電流保護(hù)功能。在工業(yè)應(yīng)用中，一般都是利用這些瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)信號(hào)，通過(guò)觸發(fā)器時(shí)序邏輯電路的記憶功能，構(gòu)成記憶鎖定保護(hù)電路，以避免保護(hù)電路在過(guò)流時(shí)的頻繁動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)可取的過(guò)流保護(hù)。本文涉及的方案采用互感器檢測(cè)協(xié)助Vce檢測(cè)的雙重保護(hù)電路結(jié)構(gòu)。引起IGBT失效的原因有I)過(guò)熱損壞，集電極電流過(guò)大引起的瞬時(shí)過(guò)熱及其它原因，如散熱不良導(dǎo)致的持續(xù)過(guò)熱均會(huì)使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路，大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，由于芯片的熱容量小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過(guò)硅本征溫度(約250°C )，器件將失去阻斷能力，門極控制就無(wú)法保護(hù)，從而導(dǎo)致IGBT失效。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，一般極限高溫為130°C左右，保護(hù)溫度設(shè)置在800C -90°C比較合適。2)超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞，擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT為PNPN4層結(jié)構(gòu)。體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)體區(qū)擴(kuò)展電阻Rs，P型體內(nèi)的橫向空穴電流在電阻RS上會(huì)產(chǎn)生一定的電壓降，對(duì)NPN基極來(lái)說(shuō),相當(dāng)于一個(gè)正向偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不大，對(duì)NPN晶體管不起任何作用。當(dāng)集電極電流增大到一定程度時(shí)，該正向電壓足以使NPN晶體管開(kāi)通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是，寄生晶閘管導(dǎo)通，門極失去控制作用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極電流增大，產(chǎn)生過(guò)高功耗，導(dǎo)致器件失效。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器件高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，流過(guò)電阻RS，產(chǎn)生足以使NPN晶體管開(kāi)通的正向偏置電壓，造成寄生晶閘管自鎖?！0023]3)瞬態(tài)過(guò)電流損壞，IGBT在運(yùn)行過(guò)程中所承受的大幅值過(guò)電流除短路、直通等故障外，還有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過(guò)電流雖然持續(xù)時(shí)間較短，但如果不采取措施，將增加IGBT的負(fù)擔(dān)，也可能會(huì)導(dǎo)致IGBT失效。4)過(guò)電壓損壞，過(guò)電壓造成集電極-發(fā)射極擊穿。過(guò)電壓造成門極-發(fā)射極擊穿。IGBT過(guò)流損壞形式及對(duì)應(yīng)措施有以下幾點(diǎn)。IGBT作為功率回路的重要換流器件，一旦出現(xiàn)意外很有可能炸機(jī)，所以針對(duì)IGBT的保護(hù)尤其重要。由于過(guò)流是引起IGBT損壞的主要原因，這里單獨(dú)描述IGBT的過(guò)流保護(hù)。IGBT出現(xiàn)短路的幾率并不是很大，但是如果出現(xiàn)短路卻沒(méi)有及時(shí)保護(hù)住，后果將是毀滅性的。因此擁有可靠的IGBT過(guò)流保護(hù)電路是必須的。過(guò)流的形式主要以下有兩種a.鎖定效應(yīng)引起的過(guò)流損壞。IGBT為復(fù)合器件，其內(nèi)部有寄生晶閘管，在漏極電流大到一定程度后寄生晶閘管開(kāi)通，門極失去控制，發(fā)生鎖定效應(yīng)后，集電極電流太大使IGBT損壞。為避免IGBT發(fā)生鎖定效應(yīng)損壞，電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在任何狀態(tài)下器件最大工作電流都不超過(guò)IGBT的Idm值或者在電流回路中用電容隔直。同時(shí)通過(guò)加大驅(qū)動(dòng)電阻延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間，減少器件的di/dt (電流變化率)。IGBT最好加負(fù)電壓，有負(fù)偏壓的情況下，驅(qū)動(dòng)電壓在10-15V之間，IGBT發(fā)射極電流可在5-10 μ s內(nèi)超過(guò)額定電流的4_10倍，由于變換器負(fù)載沖擊特性各不相同，且供電設(shè)備可能發(fā)生電源故障短路，所以變換器設(shè)計(jì)采取限流措施進(jìn)行電流限制。b.短路超時(shí)(大于10 μ s)。當(dāng)IGBT承受電流值超出短路安全區(qū)所限定的最大邊界，例如4-5倍額定電流時(shí)，必須在10μ s內(nèi)關(guān)斷IGBT。產(chǎn)生過(guò)流的原因大致有晶體管或二極管損壞、控制與驅(qū)動(dòng)電路故障或干擾等引起誤動(dòng)、輸出線接錯(cuò)或絕緣損壞等形成短路、輸出端對(duì)地短路與絕緣損壞、逆變橋的橋臂短路等。IGBT承受過(guò)電流的時(shí)間僅為幾微秒，為了保護(hù)IGBT，必須選擇合理的IGBT關(guān)斷方式，改善IGBT關(guān)斷時(shí)電壓電流的軌跡。當(dāng)IGBT過(guò)流時(shí)，首先要設(shè)法延長(zhǎng)IGBT能夠承受過(guò)流的時(shí)間，然后減小電流并關(guān)斷。
權(quán)利要求1.可靠靈敏的IGBT過(guò)流保護(hù)電路，包括IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBUVce采樣電路以及IGBT控制電路；其特征在于所述過(guò)流保護(hù)電路還設(shè)有互感采樣電路，該互感采樣電路由電流傳感器Tl、電阻RLF1、二極管DD2、電阻R2152、穩(wěn)壓管DQll組成，電流傳感器Tl的輸入端中，I號(hào)接線端接負(fù)載L，2號(hào)接線端與IGBT的集電極以及所述Vce采樣電路連接，電流傳感器Tl的輸出端中，3號(hào)接線端分兩路，一路經(jīng)所述電阻RLFl接地，另一路通過(guò)依序串聯(lián)的所述二極管DD2、電阻R2152、穩(wěn)壓管DQll連接IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBl的DESAT引腳，4號(hào)接線端接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可靠靈敏的IGBT過(guò)流保護(hù)電路，其特征在于所述Vce采樣電路包括依序串聯(lián)的二極管DDl、電阻R2151、電容C229，電阻R2151和電容C229之間的節(jié)點(diǎn)連接所述IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBl的DESAT腳，二極管DDl的負(fù)極連接所述電流傳感器Tl的2號(hào)引腳。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的可靠靈敏的IGBT過(guò)流保護(hù)電路，其特征在于所述控制電路由電阻R217、R218、穩(wěn)壓管DQ12、DQ13組成，所述電阻R217的一端連接IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UBl的OUT引腳，另一端分三路，第一路連接IGBT的門極，IGBT的發(fā)射極接地，第二路通過(guò)所述電阻R218接地、第三路與穩(wěn)壓管DQ13的負(fù)極連接，穩(wěn)壓管DQ13的正極與穩(wěn)壓管DQ12的正極連接，穩(wěn)壓管DQ12的負(fù)極接地。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種保護(hù)電路。目的是提供的保護(hù)電路具有靈敏度高的特點(diǎn)。技術(shù)方案是可靠靈敏的IGBT過(guò)流保護(hù)電路，包括IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UB1、Vce采樣電路及IGBT控制電路；其特征在于過(guò)流保護(hù)電路還設(shè)有互感采樣電路，互感采樣電路由電流傳感器T1、電阻RLF1、二極管DD2、電阻R2152、穩(wěn)壓管DQ11組成，電流傳感器T1的輸入端中，1號(hào)接線端接負(fù)載L，2號(hào)接線端與IGBT的集電極及Vce采樣電路連接，電流傳感器T1的輸出端中，3號(hào)接線端分兩路，一路經(jīng)電阻RLF1接地，另一路通過(guò)依序串聯(lián)的二極管DD2、電阻R2152、穩(wěn)壓管DQ11連接IGBT驅(qū)動(dòng)芯片UB1的DESAT引腳，4號(hào)接線端接地。
文檔編號(hào)H03K17/567GK202652171SQ20122028599
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者奚江峰 申請(qǐng)人:臨安市潔深電磁科技有限公司