一種igbt的過流檢測(cè)與保護(hù)電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的一種IGBT的過流檢測(cè)與保護(hù)電路，包括過流檢測(cè)模塊、穩(wěn)壓二極管、儲(chǔ)能電容、受控開關(guān)電流源、驅(qū)動(dòng)單元、多個(gè)電阻及比較器，通過過流檢測(cè)模塊對(duì)IGBT導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)集電極與發(fā)射極之間的電壓進(jìn)行采樣，再經(jīng)過流檢測(cè)模塊帶有的過流保護(hù)閾值調(diào)節(jié)功能調(diào)理后，輸出電壓信號(hào)，與比較器參考電壓比較后輸出動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的使能及封鎖控制，從而驅(qū)動(dòng)單元執(zhí)行過流保護(hù)動(dòng)作。本發(fā)明的IGBT過流檢測(cè)保護(hù)電路可以連續(xù)精確地設(shè)定及調(diào)整IGBT的過流保護(hù)閾值，從而滿足IGBT在不同過流保護(hù)閾值要求下的使用，且可以適用于不同規(guī)格的IGBT器件，調(diào)節(jié)方便，移植性強(qiáng)。
【專利說明】-種IGBT的過流檢測(cè)與保護(hù)電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種IGBT過流檢測(cè)及保護(hù)電路，尤其涉及一種過流保護(hù)闊值可精確 設(shè)定與調(diào)整的IGBT過流檢測(cè)保護(hù)電路，屬于電力電子領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管）是電力電子 電路與相應(yīng)裝置設(shè)備中常見的一種半導(dǎo)體器件。在高壓大功率的開關(guān)型變換電路中，IGBT 往往承受較大的電流。IGBT過流是造成IGBT器件失效損壞的一個(gè)主要原因。在實(shí)際應(yīng)用 過程中，由于負(fù)載過載、內(nèi)部信號(hào)錯(cuò)誤、外部干擾等原因，造成流過IGBT器件的電流會(huì)急劇 增加、遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其容量限制，此時(shí)需要關(guān)斷IGBT器件進(jìn)行保護(hù)，W避免IGBT被損毀壞。過 流保護(hù)不僅直接關(guān)系到IGBT器件本身的工作性能和運(yùn)行安全，還影響到整個(gè)電源裝置系 統(tǒng)的性能和安全。IGBT應(yīng)用是否成功在很大程度上取決于過流保護(hù)電路的優(yōu)劣。
[0003] 由IGBT導(dǎo)通時(shí)的伏安特性可知，IGBT導(dǎo)通時(shí)的電壓與其流過的電流大小有關(guān)，當(dāng) IGBT過流或短路時(shí)，其通態(tài)電壓U。。會(huì)上升到某一較高的電平值，因此，一旦IGBT過流，U。。 會(huì)隨著集電極電流的增大而增大?，F(xiàn)有的IGBT過流檢測(cè)及保護(hù)方法就是根據(jù)該一特性，通 過檢測(cè)U。。來判斷IGBT是否過流，將U。。電壓與設(shè)定的闊值電壓進(jìn)行比較生成過流保護(hù)信號(hào) 封鎖驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。該種過流檢測(cè)方法稱之為退飽和檢測(cè)。
[0004] 然而，現(xiàn)有的IGBT過流檢測(cè)及保護(hù)方法普遍存在W下問題；1.過流保護(hù)電路一旦 設(shè)計(jì)好，其過流保護(hù)的闊值就無法調(diào)節(jié)，而不同規(guī)格的IGBT器件往往需要不同的過流保護(hù) 點(diǎn)扣J才能進(jìn)行可靠的保護(hù)?，F(xiàn)有方法需要針對(duì)不同器件設(shè)計(jì)不同的保護(hù)電路，不便于移 植應(yīng)用；2.溫度等環(huán)境因素的改變會(huì)導(dǎo)致IGBT過流保護(hù)點(diǎn)的變化；3.實(shí)際應(yīng)用中為了提 高可靠性，很多電路與裝置系統(tǒng)往往對(duì)功率器件采用"降容使用"，需要減低過流保護(hù)闊值， 即低于額定過流點(diǎn)提前采取保護(hù)。因此需要根據(jù)IGBT器件的工作條件要求來精確設(shè)定或 調(diào)整IGBT過流保護(hù)點(diǎn)的動(dòng)作闊值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中過流檢測(cè)保護(hù)電路不便于移植應(yīng)用、闊值無法調(diào) 節(jié)的問題，提供一種可精確設(shè)定與調(diào)整過流保護(hù)闊值的IGBT過流檢測(cè)與保護(hù)電路。
[0006] 本發(fā)明的一種IGBT的過流檢測(cè)與保護(hù)電路，包括；過流檢測(cè)模塊、穩(wěn)壓二極管 ZD1、儲(chǔ)能電容Cl、受控開關(guān)電流源、驅(qū)動(dòng)單元、電阻R8、電阻R9及比較器；
[0007] 所述的過流檢測(cè)模塊，包括可變電阻R5，熱敏電阻RT，電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電 阻R4、電阻R6、電阻R7,二極管D1、二極管D2, H極管QUH極管Q2, H端可編程穩(wěn)壓源Q3 ; 電阻Rl的一端與二極管Dl的陰極、比較器的負(fù)輸入端及受控開關(guān)電流源的輸出端相連，電 阻Rl的另一端與H極管Ql的基極連接，H極管Ql的集電極與電阻R2的一端相連，H極管 Ql的發(fā)射極與二極管D2的陽極及熱敏電阻RT的一端相連，二極管D2的陰極為與IGBT集 電極相連的連接端；H極管Q2的集電極與電阻R3的一端及二極管Dl的陽極相連，H極管 Q2的基極與電阻R4的一端相連，H極管Q2的發(fā)射極與H端可編程穩(wěn)壓源Q3的陽極、電阻 R6的一端、電阻R9的一端、穩(wěn)壓二極管ZDl的陰極及儲(chǔ)能電容Cl的正極相連，該連接點(diǎn)為 與IGBT的發(fā)射極相連的連接端；H端可編程穩(wěn)壓源Q3的陰極與電阻R4的另一端及電阻 R7的一端相連，H端可編程穩(wěn)壓源Q3的參考端與可變電阻R5的一端及電阻R6的另一端相 連，可變電阻R5的另一端與熱敏電阻RT的另一端相連；受控開關(guān)電流源的輸入端、電阻R2 的另一端、電阻R3的另一端、電阻R9的另一端及電阻R7的另一端都與正供電VCC相連；受 控開關(guān)電流源的開關(guān)端與電流源控制信號(hào)端相連，比較器的正輸入端連接參考電壓源Vuf, 比較器的輸出端與驅(qū)動(dòng)單元的使能端連接，驅(qū)動(dòng)單元的輸入端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)端相連，輸出端 與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端為與IGBT的柵極相連的連接端；穩(wěn)壓二極管ZDl 的陽極及儲(chǔ)能電容Cl的負(fù)極接地。
[0008] 上述技術(shù)方案中，所述的H端可編程穩(wěn)壓源Q3可采用TL431芯片。
[0009] 本發(fā)明的IGBT過流檢測(cè)與保護(hù)電路中，過流檢測(cè)模塊與IGBT的集電極C、發(fā)射極 E相連接，對(duì)IGBT導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)集電極C與發(fā)射極E之間的電壓U。。進(jìn)行采樣，經(jīng)過流檢測(cè)模 塊帶有的過流保護(hù)闊值調(diào)節(jié)功能調(diào)理后，輸出Vdetwt信號(hào)，Vdetwt信號(hào)再接入比較器負(fù)輸入 端，與比較器參考電壓Vuf比較后輸出動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)，其輸出端與驅(qū)動(dòng)單元相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì) 驅(qū)動(dòng)單元的使能及封鎖控制，驅(qū)動(dòng)單元執(zhí)行過流保護(hù)動(dòng)作。
[0010] 本發(fā)明中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平（即IGBT開通）時(shí)，電流源控制信號(hào)使能，受控開 關(guān)電流源Is產(chǎn)生ImA左右的較小電流。電流源產(chǎn)生的小電流由于幅度過低通常不能直接 作為二極管D2的偏置電流，根據(jù)二極管的伏安特性可知，當(dāng)導(dǎo)通電流過小時(shí)，導(dǎo)通電流的 微小變化會(huì)導(dǎo)致二極管導(dǎo)通壓降的較大波動(dòng)，會(huì)直接造成對(duì)IGBT通態(tài)電壓U。。的采樣的精 度降低。因此，本發(fā)明在電流源Is之后增加了一級(jí)由H極管Ql和限流電阻RU R2構(gòu)成的 偏置電流放大電路，將電流源直接產(chǎn)生的小電流進(jìn)行合適的放大，得到較大的可保證二級(jí) 管D2產(chǎn)生穩(wěn)定導(dǎo)通壓降的偏置電流，W減小因采樣二極管D2的導(dǎo)通電壓波動(dòng)所引起的檢 測(cè)誤差，進(jìn)一步提局檢測(cè)精度。
[0011] 可調(diào)電阻R5與定值電阻R6構(gòu)成電阻分壓器，對(duì)經(jīng)二極管D2采樣得到的IGBT導(dǎo) 通電壓進(jìn)行分壓調(diào)理，調(diào)理后的電壓輸入H端可編程穩(wěn)壓源Q3的參考端，與Q3內(nèi)置的電壓 基準(zhǔn)進(jìn)行比較，控制Q3陰極、陽極間的開通和關(guān)斷，通過改變可調(diào)電阻R5的大小，可W改變 引發(fā)Q3發(fā)生開關(guān)動(dòng)作的闊值電壓Uw^th,因此，通過設(shè)置合適的R5,可W實(shí)現(xiàn)對(duì)過流保護(hù)闊 值的連續(xù)設(shè)定。
[0012] 當(dāng)Q3關(guān)斷時(shí)，開關(guān)H極管Q2開通，此時(shí)經(jīng)二極管Dl輸入到比較器負(fù)輸入端的檢 巧IJ信號(hào)VdWWt近似為0 ;當(dāng)Q3開通時(shí)，開關(guān)立極管Q2關(guān)斷，此時(shí)經(jīng)二極管Dl輸入到比較器 負(fù)輸入端的檢測(cè)信號(hào)近似為VCC，因此，經(jīng)此環(huán)節(jié)輸出的檢測(cè)信號(hào)只為0或VCC (忽略 二極管的導(dǎo)通壓降和H極管的飽和導(dǎo)通壓降），不會(huì)出現(xiàn)VdWWt電壓接近參考電壓源Vuf時(shí) 比較器負(fù)輸入端引入的干擾電壓造成比較器誤動(dòng)作的情況，保證了比較器的可靠動(dòng)作，大 大提高了檢測(cè)保護(hù)電路的抗干擾能力。
[001引IGBT正常工作時(shí)，比較器負(fù)輸入端上的電壓Vdetwt > 0小于比較器內(nèi)置參考電壓 VCC 源電壓Vuf (可將Vuf設(shè)置于K.g/ 處），比較器輸出高電平，驅(qū)動(dòng)單元使能，驅(qū)動(dòng)信號(hào) 正常輸出；當(dāng)IGBT過流或短路故障發(fā)生時(shí)，Vdetwt > VCC大于Vuf,比較器輸出低電平，封鎖 驅(qū)動(dòng)單元，關(guān)斷IGBT，W實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)動(dòng)作。此外，在可調(diào)電阻R5與定值電阻R6構(gòu)成的電 阻分壓器中串聯(lián)一個(gè)具有溫度特性的熱敏電阻RT，可W實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT過流保護(hù)闊值的溫度 補(bǔ)償和對(duì)IGBT的過溫保護(hù)；采用穩(wěn)壓管ZDl與儲(chǔ)能電容Cl并聯(lián)可為IGBT 口級(jí)提供-5V的 關(guān)斷負(fù)壓，W保證IGBT實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷，避免口極寄生禪合的干擾電壓造成IGBT誤開通。
[0014] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的IGBT過流檢測(cè)及保護(hù)電路可W連續(xù)精確地設(shè) 定及調(diào)整IGBT的過流保護(hù)闊值，從而滿足IGBT在不同過流保護(hù)闊值要求下的使用，且可W 適用于不同規(guī)格的IGBT器件，調(diào)節(jié)方便，移植性強(qiáng)；通過采用熱敏電阻RT，可W實(shí)現(xiàn)過流保 護(hù)闊值的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，即IGBT的過溫降額、過溫保護(hù)等，提高了過流保護(hù)電路的智能性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為過流保護(hù)闊值可精確設(shè)定與調(diào)整的IGBT過流檢測(cè)保護(hù)電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，為了避免對(duì)本發(fā)明的實(shí)質(zhì) 造成不必要的混淆，并沒有詳細(xì)說明眾所周知的方法、過程、流程、元件和電路等。
[0017] 如圖1所示，IGBT的過流檢測(cè)與保護(hù)電路，包括；過流檢測(cè)模塊、穩(wěn)壓二極管ZD1、 儲(chǔ)能電容CU受控開關(guān)電流源Is、驅(qū)動(dòng)單元B、電阻R8、電阻R9及比較器A ;
[0018] 所述的過流檢測(cè)模塊，包括可變電阻R5，熱敏電阻RT，電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電 阻R4、電阻R6、電阻R7,二極管D1、二極管D2, H極管QUH極管Q2, H端可編程穩(wěn)壓源Q3 ; 電阻Rl的一端與二極管Dl的陰極、比較器A的負(fù)輸入端及受控開關(guān)電流源Is的輸出端相 連，電阻Rl的另一端與H極管Ql的基極連接，H極管Ql的集電極與電阻R2的一端相連， H極管Ql的發(fā)射極與二極管D2的陽極及熱敏電阻RT的一端相連，二極管D2的陰極為與 IGBT集電極C相連的連接端；H極管Q2的集電極與電阻R3的一端及二極管Dl的陽極相 連，H極管Q2的基極與電阻R4的一端相連，H極管Q2的發(fā)射極與H端可編程穩(wěn)壓源Q3的 陽極3、電阻R6的一端、電阻R9的一端、穩(wěn)壓二極管ZDl的陰極及儲(chǔ)能電容Cl的正極相連， 該連接點(diǎn)為與IGBT的發(fā)射極E相連的連接端；H端可編程穩(wěn)壓源Q3的陰極2與電阻R4的 另一端及電阻R7的一端相連，H端可編程穩(wěn)壓源Q3的參考端1與可變電阻R5的一端及電 阻R6的另一端相連，可變電阻R5的另一端與熱敏電阻RT的另一端相連；受控開關(guān)電流源 Is的輸入端、電阻R2的另一端、電阻R3的另一端、電阻R9的另一端及電阻R7的另一端都 與正供電VCC相連；受控開關(guān)電流源Is的開關(guān)端與電流源控制信號(hào)端相連，比較器A的正 輸入端連接參考電壓源Vuf,比較器A的輸出端與驅(qū)動(dòng)單元B的使能端ENB連接，驅(qū)動(dòng)單元 的輸入端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)端相連，輸出端與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端為與IGBT的 柵極G相連的連接端；穩(wěn)壓二極管ZDl的陽極及儲(chǔ)能電容Cl的負(fù)極接地。
[0019] 當(dāng)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，受控開關(guān)電流源Is關(guān)斷，不輸出電流，U。。電壓為直流母 線電壓，遠(yuǎn)高于檢測(cè)參考電壓，二極管D2截止，過流檢測(cè)功能關(guān)閉。
[0020] 當(dāng)IGBT處于開通狀態(tài)時(shí)，電流源控制信號(hào)使能，受控開關(guān)電流源Is開通，輸出電 流流入H極管Ql的基極，H極管Ql和電阻Rl、R2構(gòu)成了偏置電流放大電路，放大后的電流 Id= (1+目Hs, Id為二極管D2實(shí)際工作中的偏置電流。經(jīng)過放大，數(shù)值較大的偏置電流Id 為二極管D2提供合適的偏置電流及其工作點(diǎn)，保證其導(dǎo)通壓降Vd為穩(wěn)定值。
[0021] 穩(wěn)壓管ZDl與并聯(lián)儲(chǔ)能電容Cl為驅(qū)動(dòng)提供-5V的關(guān)斷負(fù)壓。該種設(shè)計(jì)減少了驅(qū) 動(dòng)電路需要的供電電源數(shù)量和種類，即整個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路只需要一路電源供電。
[0022] 過流保護(hù)闊值設(shè)定方式，本實(shí)施例中R5、R6構(gòu)成電阻分壓器，對(duì)經(jīng)二極管D2的采 樣電壓進(jìn)行分壓調(diào)理，調(diào)理后的電壓V。輸入Q3的參考端引腳1，與Q3內(nèi)置電壓基準(zhǔn)VfT進(jìn) 行比較，控制Q3陰極2和陽極3間的開通和關(guān)斷（當(dāng)V。> VfT時(shí)，Q3開通；當(dāng)V。< VfT時(shí)， Q3關(guān)斷），過流保護(hù)闊值所對(duì)應(yīng)的闊值電壓的計(jì)算公式如下：
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種IGBT的過流檢測(cè)與保護(hù)電路，其特征在于包括：過流檢測(cè)模塊、穩(wěn)壓二極管 ZD1、儲(chǔ)能電容C1、受控開關(guān)電流源（Is)、驅(qū)動(dòng)單元（B)、電阻R8、電阻R9及比較器（A); 所述的過流檢測(cè)模塊，包括可變電阻R5,熱敏電阻RT，電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻 R4、電阻R6、電阻R7,二極管D1、二極管D2,三極管Q1、三極管Q2,三端可編程穩(wěn)壓源Q3 ;電 阻R1的一端與二極管D1的陰極、比較器（A)的負(fù)輸入端及受控開關(guān)電流源（Is)的輸出端 相連，電阻R1的另一端與三極管Q1的基極連接，三極管Q1的集電極與電阻R2的一端相連， 三極管Q1的發(fā)射極與二極管D2的陽極及熱敏電阻RT的一端相連，二極管D2的陰極為與 IGBT集電極（C)相連的連接端；三極管Q2的集電極與電阻R3的一端及二極管D1的陽極 相連，三極管Q2的基極與電阻R4的一端相連，三極管Q2的發(fā)射極與三端可編程穩(wěn)壓源Q3 的陽極（3)、電阻R6的一端、電阻R9的一端、穩(wěn)壓二極管ZD1的陰極及儲(chǔ)能電容C1的正極 相連，該連接點(diǎn)為與IGBT的發(fā)射極（E)相連的連接端；三端可編程穩(wěn)壓源Q3的陰極（2)與 電阻R4的另一端及電阻R7的一端相連，三端可編程穩(wěn)壓源Q3的參考端（1)與可變電阻R5 的一端及電阻R6的另一端相連，可變電阻R5的另一端與熱敏電阻RT的另一端相連；受控 開關(guān)電流源（Is)的輸入端、電阻R2的另一端、電阻R3的另一端、電阻R9的另一端及電阻 R7的另一端都與正供電VCC相連；受控開關(guān)電流源（Is)的開關(guān)端與電流源控制信號(hào)端相 連，比較器（A)的正輸入端連接參考電壓源，比較器（A)的輸出端與驅(qū)動(dòng)單元（B)的使能端 (ENB)連接，驅(qū)動(dòng)單元的輸入端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)端相連，輸出端與電阻R8的一端相連，電阻R8的 另一端為與IGBT的柵極（G)相連的連接端；穩(wěn)壓二極管ZD1的陽極及儲(chǔ)能電容C1的負(fù)極 接地。
【文檔編號(hào)】H03K17/082GK104363011SQ201410534730
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】王正仕, 謝宇, 周賀, 陳敏, 徐德鴻 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)