CN112886541B - 一种变换器及igbt门极驱动的保护电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变换器及IGBT门极驱动的保护电路和方法，首先生成与IGBT的PWM指令和门极电压存在预设关系的门极监控电压；然后在门极监控电压大于等于预设值时，输出故障信号，以实现对于IGBT所在功率变换单元内全部IGBT的PWM指令封锁；也即，通过实时监控IGBT的PWM指令和门极电压，来确定IGBT的状态；若IGBT接到关断指令，而其门极电压未能及时响应或无法响应、以关断IGBT，则本方法能够在未发生短路现象或发生较小的短路时间内，快速反馈故障信号，并封锁所有IGBT的PWM指令，进而防止功率器件因直通短路的电流冲击而导致故障扩大化，提高了功率变换单元运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种变换器及IGBT门极驱动的保护电路和方法。
背景技术
功率半导体的开关行为一般通过驱动电路进行控制，并且要求驱动电路具备电气隔离特性，能够快速响应控制信号指令，进而给IGBT的门极提供合适的正负偏压，使IGBT可靠的开通和关断。同时，该驱动电路应具备保护功能，如电源欠压保护、短路检测保护等；并能通过软关断、有源钳位抑制关断电压尖峰，保障IGBT安全工作。
实际应用时，无论***发生何种故障，均需要保证IGBT能够安全关断。但是，由于组成驱动IGBT门极关断回路的器件种类多，数量大，难免出现器件的失效，进而导致IGBT无法正常关断。
一般情况下，若IGBT无法正常关断，会形成直通短路现象。IGBT短路电流造成的模块退饱和现象触发驱动板的短路保护功能，进而封锁驱动信号，保护IGBT模块。而通常为了防止短路保护功能的误触发，短路保护的启动会设置一个延时响应时间，因此，如果短路时间较短或者短路电流较小未能造成IGBT的退饱和，驱动板则不能检测到关断故障，而已经承受的短路能量或持续的短路电流冲击势必导致IGBT模块过热失效。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种变换器及IGBT门极驱动的保护电路和方法，在IGBT门极驱动接到关断指令，且对应IGBT的门极电压未能及时响应或无法响应、以实现关断IGBT时，能够快速反馈故障信号，并封锁IGBT的PWM指令，防止功率器件因直通短路的电流冲击而导致故障扩大化，提高了功率变换单元运行的可靠性。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明第一方面提供一种IGBT门极驱动的保护方法，包括：
生成所述IGBT的门极监控电压；所述门极监控电压与所述IGBT的PWM指令和门极电压存在预设关系；
判断所述门极监控电压是否大于等于预设值；
若所述门极监控电压大于等于所述预设值，则输出故障信号，以实现对于所述IGBT所在功率变换单元内全部IGBT的PWM指令封锁。
可选的，在判断所述门极监控电压是否大于等于预设值之后，还包括：
若所述门极监控电压小于所述预设值，则不输出所述故障信号。
可选的，生成所述IGBT的门极监控电压，包括：
在所述IGBT的PWM指令为开通指令时，控制所述门极监控电压被下拉至零电平；
在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，控制所述门极监控电压小于所述预设值；
在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长之后，若所述IGBT的门极电压大于正常关断负压，则控制所述门极监控电压受所述门极电压的影响而大于等于所述预设值。
可选的，在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，控制所述门极监控电压被下拉至零电平或者从零电平开始逐渐增大但小于所述预设值。
本发明第二方面提供一种IGBT门极驱动的保护电路，包括：比较单元、充电单元、充电电阻和分压电阻；其中：
所述充电电阻的一端连接电源；所述充电电阻的另一端，分别连接所述比较单元的第一输入端、所述充电单元的输入端和所述分压电阻的一端；
所述比较单元的第二输入端接收预设值；所述比较单元的输出端为所述保护电路的输出端；
所述充电单元的输出端接地，所述充电单元的控制端接收控制信号；
所述分压电阻的另一端连接所述IGBT的门极；
所述充电单元用于生成所述IGBT的门极监控电压；所述门极监控电压与所述IGBT的PWM指令和门极电压存在预设关系；
所述比较单元用于判断所述门极监控电压是否大于等于所述预设值，并在所述门极监控电压大于等于所述预设值时，输出故障信号，以实现对于所述IGBT所在功率变换单元内全部IGBT的PWM封锁。
可选的，所述比较单元还用于：在所述门极监控电压小于所述预设值时，不输出所述故障信号。
可选的，在所述IGBT的PWM指令为开通指令时，所述充电单元生成的所述门极监控电压为零电平；
在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，所述充电单元生成的所述门极监控电压小于所述预设值；
在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长之后，若所述IGBT的门极电压大于正常关断负压，则所述充电单元生成的所述门极监控电压受所述门极电压的影响而大于等于所述预设值。
可选的，所述充电单元包括：并联连接的缓冲电容和开关管；
所述开关管的控制端为所述充电单元的控制端，接收所述控制信号。
可选的，所述控制信号与所述IGBT的PWM指令同步变化。
可选的，在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，所述充电单元生成的所述门极监控电压，从零电平开始逐渐增大但小于所述预设值。
可选的，在所述IGBT的PWM指令为开通指令时，以及，在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长之后，所述控制信号与所述IGBT的PWM指令相同；
而在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，所述控制信号为开通指令，以使所述充电单元生成的所述门极监控电压被下拉至零电平。
可选的，所述比较单元为：比较器或者光耦；
所述比较器的同相输入端作为其第一输入端、接收所述门极监控电压，所述比较器的反相输入端作为其第二输入端、接收所述预设值，所述比较器的输出端作为其输出端、输出所述故障信号。
可选的，还包括：连接于所述IGBT的门极与发射极之间的门极负载电阻。
可选的，所述充电电阻和所述分压电阻的阻值均大于预设阻值。
本方面第三发明提供一种变换器，包括：功率变换单元、控制电路、N个驱动电路及N个如上述任一项所述的IGBT门极驱动的保护电路；
N为所述功率变换单元中IGBT的个数；
所述控制电路分别通过各个所述驱动电路实现对于相应IGBT的控制；
各个IGBT的门极还通过相应的所述保护电路连接所述控制电路，以向所述控制电路输出故障信号。
可选的，所述驱动电路包括：正压支撑电容、负压支撑电容、导通开关、关断开关、门极电阻及钳位二极管；其中：
所述正压支撑电容设置于正压电源和地之间；
所述负压支撑电容设置于负压电源和地之间；
所述导通开关和所述关断开关串联连接于所述正压电源和所述负压电源之间；
所述导通开关和所述关断开关的连接点通过所述门极电阻连接相应IGBT的门极和所述钳位二极管的阳极；
所述钳位二极管的阴极连接所述正压电源。
可选的，所述功率变换单元为：DCDC变换电路，或者，单相或三相的DCAC变换电路。
基于上述本发明实施例提供的IGBT门极驱动的保护方法，首先生成与IGBT的PWM指令和门极电压存在预设关系的门极监控电压；并判断门极监控电压是否大于等于预设值；若门极监控电压大于等于预设值，则输出故障信号，以实现对于IGBT所在功率变换单元内全部IGBT的PWM指令封锁；也即，本发明提供的保护方法，通过实时监控IGBT的PWM指令和门极电压，来确定IGBT的状态；若IGBT接到关断指令，而其门极电压未能及时响应或无法响应、以关断IGBT，则本方法能够在未发生短路现象或发生较小的短路时间内，快速反馈故障信号，并封锁所有IGBT的PWM指令，进而防止功率器件因直通短路的电流冲击而导致故障扩大化，提高了功率变换单元运行的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的IGBT的驱动电路的结构图；
图2为本发明提供的IGBT门极驱动的保护方法的流程图；
图3为本发明提供的IGBT门极驱动的保护电路的结构示意图；
图4为本发明提供的IGBT门极驱动的保护电路的具体结构图；
图5为本发明提供的半桥IGBT模块的结构示意图；
图6为本发明提供的IGBT门极驱动的保护方法的波形示意图；
图7为本发明提供的IGBT门极驱动的保护方法的具体流程图；
图8为本发明提供的IGBT门极驱动的保护方法的仿真结果示意图；
图9为本发明提供的变换器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
图1所示为现有的IGBT门极的驱动电路，包括：正压支撑电容C1、负压支撑电容C2、导通开关K1、关断开关K2和门极电阻Rg。
当导通开关K1导通、关断开关K2关断时，IGBT门极通过门极电阻Rg充电至正压电源U+的电压值，IGBT导通。反之，当导通开关K1关断、关断开关K2导通时，IGBT门极放电并维持负压电源U-的电压值，IGBT关断。
接收到关断指令后，IGBT从导通状态进入到关断状态之间的时间称为动态关断时长；若其动态关断时长小于等于预设值，即在正常动态关断时长之后，其门极电压可以下降至负压电源U-的电压值，也即可以下降至正常关断负压，则表明IGBT能够正常关断；而若其动态关断时长大于预设值，即在正常动态关断时长之后，其门极电压仍未下降至正常关断负压，则表明IGBT不能正常关断。
实际应用中，无论在何种故障状态下，都希望IGBT能够安全关断。通过图1可以看到，IGBT的关断回路核心器件是门极电阻Rg、关断开关K2和负压电源U-。另外为了抑制门极过压，通常在其门极增加正压钳位二极管D1。这样就导致组成驱动门极回路的器件种类多、数量大，难免出现器件的失效，如负压支撑电容C2磕件导致短路、导通开关K1短路、关断开关K2开路以及门极正压钳位二极管D1短路等多种情况都可能导致IGBT无法正常关断。
一般情况下，若IGBT无法正常关断后，会形成短路现象。IGBT短路电流造成的模块退饱和现象触发驱动板的短路保护功能，进而封锁驱动信号，保护IGBT模块。而通常为了防止短路保护功能的误触发，短路保护的启动会设置一个延时响应时间；如果短路时间较短或者短路电流较小未能造成IGBT的退饱和，驱动板不能检测到关断故障，而已经承受的短路能量或持续的短路电流冲击势必导致IGBT模块过热失效。
因此，本发明提供一种IGBT门极驱动的保护方法，以提高对于IGBT关断故障检测的可靠性和及时性。
参见图2，该IGBT门极驱动的保护方法，包括：
S101、生成IGBT的门极监控电压。
正常情况下，IGBT的门极电压会跟随IGBT通过驱动电路所接收到的PWM指令而变化；比如，当驱动电路接收到开通指令时，其门极电压应该为正压；而接收到关断指令以后，正常门极关断的情况是，经过较短的关断动态延时，即正常动态关断时长之后，门极电压由正压下降为负压，记该电压为正常关断负压。
异常门极关断的情况包括：由导通状态切换至关断状态的过程中未能正常关断的情况，以及，关断状态下出现误导通的情况。其中，未能正常关断的情况具体是指，当驱动电路接受到关断指令以后，门极电压在正常动态关断时长后，仍然表现为零压以上，甚至处于IGBT的门槛电压以上，此时门极电压高于正常关断负压。而关断状态下出现误导通的情况具体是指，IGBT已经处于关断状态，并且其应该持续保持这一状态直至接收到开通指令，在这期间因故障而出现的异常导通，这时虽然其PWM指令仍然为关断指令，但其门极电压是高于正常关断负压的。
因此，通过监控IGBT的门极电压的波形，生成一个与PWM指令和门极电压存在预设关系的门极监控电压，即可监控门极的关断行为是否得以实现。
S102、判断门极监控电压是否大于等于预设值。
由上述分析可知，接收到开通指令之后，门极电压应为正压；接收到关断指令之后，若能够实现正常关断，则其门极电压应为正常关断负压；而若出现异常门极关断，则关断指令下其门极电压会高于正常关断负压。实际应用中，可以通过设置PWM指令和门极电压与门极监控电压之间的预设关系，使得仅在接收到关断指令且门极电压大于正常关断负压时，该门极监控电压是大于一个预设值的，进而识别门极关断是否出现故障。
若门极监控电压大于等于预设值，则说明此时IGBT的门极关断出现故障，需要执行步骤S103。
S103、输出故障信号，以实现对于IGBT所在功率变换单元内全部IGBT的PWM指令封锁。
IGBT的门极关断出现故障时，为了避免其所在桥臂发生直通短路而导致故障扩大化，此时生成故障信号进行锁存并上传，以通过故障信号，使功率变换单元内部全部IGBT的PWM指令均处于封锁状态，进而使该故障IGBT同一桥臂上的其他IGBT关断。具体的，若该故障IGBT出现的异常门极关断是未能正常关断，则通过步骤S103能够在桥臂未发生短路现象时及时做出响应，确保桥臂不会出现直通短路；若该故障IGBT出现的异常门极关断是关断状态下出现误导通，则通过上述监控和封锁，能够在桥臂发生较小的短路时间内，快速做出响应，及时打断桥臂上出现的直通短路。
本实施例提供的保护方法，通过实时监控IGBT的PWM指令和门极电压，来确定IGBT的状态；若IGBT接到关断指令，而其门极电压未能及时响应或无法响应、以关断IGBT，则本方法能够在未发生短路现象或发生较小的短路时间内，快速反馈故障信号，以提高对于IGBT关断故障检测的可靠性和及时性；并且通过该故障信号能够封锁所有IGBT的PWM指令，进而防止功率器件因直通短路的电流冲击而导致故障扩大化，提高了功率变换单元运行的可靠性。
实际应用中，该IGBT门极驱动的保护方法，在步骤S102、判断门极监控电压是否大于等于预设值之后，若门极监控电压小于预设值，则说明此时IGBT的门极驱动是正常的，不必输出该故障信号。
优选的，该IGBT门极驱动的保护方法中，其步骤S101、生成IGBT的门极监控电压，具体可以包括以下三种情况：
(1)在IGBT的PWM指令为开通指令时，控制门极监控电压被下拉至零电平。
接收到开通指令之后，门极电压为正压；为了确保通过步骤S102不会导致正常开通下的误判断，这里需要设置其门极监控电压小于预设值，比如被下拉至零电平。
(2)在IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，控制门极监控电压小于预设值。
接收到关断指令之后，若能够实现正常关断，则在正常动态关断时长以内，其门极电压将会下降为正常关断负压；此时，可以控制门极监控电压一直被下拉至零电平；或者，也可以控制门极监控电压从零电平开始逐渐增大但小于预设值，即控制门极监控电压单向变化、以从零电平开始逐渐趋近于预设值；只要其一直小于预设值，即可给正常关断留出判断窗口，保证不会误封锁。
(3)在IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长之后，若IGBT的门极电压大于正常关断负压，则控制门极监控电压受门极电压的影响而大于等于预设值。
接收到关断指令之后，若出现异常门极关断，则正常动态关断时长之后其门极电压仍会高于正常关断负压；此时，可以设置门极监控电压受门极电压的影响而升高至大于等于预设值，以实现对于门极关断的故障识别。并且，异常门极关断下，设置门极监控电压是受门极电压影响而变化的，还可以减少软件上的逻辑设置，易于实现。
由于异常门极关断会导致门极电压高于正常关断负压，本发明另一实施例提供一个门极电压监控比较电路，来实现IGBT门极驱动的保护电路，参见图3，包括：比较单元101、充电单元102、充电电阻R1和分压电阻R2；其中：
充电电阻R1的一端连接电源Us；充电电阻R1的另一端，分别连接比较单元101的第一输入端、充电单元102的输入端和分压电阻R2的一端。
比较单元101的第二输入端接收预设值Ub；比较单元101的输出端为该保护电路的输出端。
充电单元102的输出端接地，充电单元102的控制端接收控制信号Vin。
分压电阻R2的另一端连接IGBT的门极。
充电单元102用于生成IGBT的门极监控电压。该门极监控电压与IGBT的PWM指令和门极电压存在的预设关系，以使得IGBT正常关断时，检测到的门极监控电压小于预设值；而异常关断时，门极监控电压大于该预设值。
比较单元101用于判断门极监控电压是否大于等于预设值，并在门极监控电压大于等于预设值时，发生电平翻转，输出故障信号，以实现对于IGBT所在功率变换单元内全部IGBT的PWM封锁。实际应用中，比较单元101还用于：在门极监控电压小于预设值时，不输出故障信号。
该预设关系的具体设置，以及，比较单元101和充电单元102的工作原理，均可参见上述实施例，此处不再赘述。
实际应用中，如图4所示，该充电单元102可以包括：并联连接的缓冲电容C1和开关管S；该开关管S的控制端为充电单元102的控制端，接收控制信号Vin。另外，该比较单元101可以为：比较器U1(参见图4)或者光耦(未进行图示)；如图4所示，该比较器U1的同相输入端作为比较单元101的第一输入端、接收门极监控电压Ua，比较器U1的反相输入端作为比较单元101的第二输入端、接收预设值Ub，比较器U1的输出端作为其输出端、输出故障信号。
图4所示的电路结构下，其具体的工作原理为：
IGBT导通阶段，开关管S导通，门极监控电压Ua被下拉至GND；也即，在IGBT的PWM指令为开通指令时，充电单元102生成的门极监控电压Ua为零电平；此时Ua<Ub，比较器U1输出信号FA保持低电平。
IGBT关断阶段：开关管S关断，电源Us通过充电电阻R1向缓冲电容C1充电。正常关断时，门极电压下降较快，在IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，充电单元102生成的门极监控电压Ua将一直小于预设值Ub；而Ua<Ub，FA信号不变；异常关断时，门极电压下降较慢，缓冲电容C1充电时间较长，导致门极监控电压Ua电位升高，因此在IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长之后，充电单元102生成的门极监控电压Ua受门极电压的影响而大于等于预设值Ub；而Ua>Ub，比较器U1输出信号FA翻转为高电平，报出故障信号并封锁所有PWM指令。
值得说明的是，开关管S接收到的控制信号Vin，可以是跟随IGBT的PWM指令，比如与IGBT的PWM指令保持同步变化的，或者可以直接采用其PWM指令。实际应用中，为了避免正常关断时的动态过程比较器误触发，可调节Vin信号略延时于IGBT关断指令，并通过调节图4中分压电阻R2和缓冲电容C1的参数，使得Ua电位在IGBT正常动态关断过程中延时充电，避免比较器误触发；比如，对于控制信号Vin的设置具体也可以是：在IGBT的PWM指令为开通指令时，以及，在IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长之后，设置控制信号Vin与IGBT的PWM指令相同；而在IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，设置控制信号Vin为开通指令，以使充电单元102生成的门极监控电压被下拉至零电平。也就是说，在IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，充电单元102生成小于预设值Ub的门极监控电压Ua，其具体方式分为两种：(1)从零电平开始逐渐增大但小于预设值，即从零电平开始逐渐趋近于预设值；(2)保持被下拉至零电平。
该比较单元101采用光耦时，其主要原理均是Ua、Ub电压差值不同；即正常关断时，Ua<Ub；异常关断时Ua>Ub，输出电平翻转。
设计电路时，由于IGBT稳态关断过程中，门极监控电压Ua的稳态值需小于预设值Ub，而因此，可以根据电源Us、预设值Ub、IGBT的门极与发射极之间的压差的取值以及该关系式，作为充电电阻R1和分压电阻R2的阻值选取依据。
另外，充电电阻R1和分压电阻R2的阻值需要设计较大，比如均大于相应的预设阻值，以避免对正常门极信号造成影响。
实际应用中，还可以在IGBT的门极g与发射极e之间设置一个门极负载电阻R3，进而在门极关断回路断开的情况下，保证门极电压接近于零压。
以图5所示半桥IGBT模块及其驱动电路示意图为例，对图4所示保护电路的应用进行具体说明如下：
驱动电路DriverA的原边控制信号指令INA，驱动电路DriverB的原边控制信号指令INB，具体都可以是上文中提到的PWM指令；两者分别通过相应的驱动电路隔离，控制IGBT模块上下管(包括上管Top和下管Bottom)的开通和关断。
由于驱动信号的传输存在一定延时，同时IGBT的动态开关过程也需要时间，因此通常将原边控制信号指令设置一个死区时间，以防止IGBT模块上下管直通。如图6中，时间段t0～t1以及时间段t2～t4为INA和INB指令切换设定的死区时间，即上下管存在同时关断的一个过渡时间。
图6中，设定上管Top的门极开关动作正常，其门极电压波形为图6中所示的VgeA；下管Bottom的门极电压波形VgeB存在两种情况，即如图6所示的：
VgeB1：正常关断波形，在死区时间内正常关断；
VgeB2：异常关断波形，由于关断回路异常，导致门极无法正常泻放电荷，甚至超过死区时间，待上管Top导通后，形成上下管短路直通。
针对VgeB1和VgeB2两种门极关断波形，如果能够快速区分识别异常关断门极波形，反馈故障FA，并封锁所有功率器件的开通指令，即可防止故障扩大，保证功率变换单元的安全运行。
结合图4-图6，本实施例通过电压比较，在驱动电路收到关断指令后，对门极电压进行检测对比；若门极监控电压异常，则报出故障FA，并进行PWM指令封锁，具体分析过程如下：
时间段t0～t1：死区阶段，VgeB保持关断状态，稳态电压Ua<Ub，FA信号为低电平。
时间段t1～t2：VgeB为开通过程，通过开通指令Vin控制开关管S导通，比较器U1同相输入端被下拉至GND，比较器U1输出信号FA保持低电平。
时间段t2～t3：VgeB为正常动态关断过程，时间较短，门极电压监控比较电路不响应。FA信号保持低电平。
时间段t3～t4：正常门极关断电压VgeB1保持稳态负压，但异常关断波形VgeB2的电压仍然表现为零压以上，甚至处于IGBT的门槛电压以上，Ua>Ub，FA信号翻转为高电平。由于此阶段位于死区内，此时上管Top未导通，即不会形成短路，本发明可在此阶段内报出故障信号FA，并进行指令封锁，防止直通短路现象的发生。
时间段t4～t5：同样，正常门极关断电压VgeB1保持稳态负压，但异常关断波形VgeB2的电压仍然表现为零压以上，甚至处于IGBT的门槛电压以上，Ua>Ub，FA信号翻转为高电平。此阶段由于VgeA已导通，形成短路电流，但由于短路时间较短，IGBT退饱和不充分或者短路检测功能的延时启动，导致无法报出短路故障，多频次较大的冲击电流，亦可导致IGBT失效。通过本实施例可在此阶段检测到门极异常时，及时报出故障FA，并进行指令封锁，防止模块遭受大电流冲击失效。
时间段t5～t6：由于VgeB2的异常关断以及上管Top开通，形成上下管直通短路，IGBT进入退饱和，驱动电路启动短路保护功能，此时IGBT已承受较大的短路电流冲击，损耗较大。
因此，此保护电路通过对于门极电压的监控和比较，能够较快的检测出异常关断IGBT，同时极大减小甚至消除上下管直通短路的时间，有效防止故障的扩大化。
其具体操作流程如图7所示。实际应用中，其他基于此工作原理的保护电路视为衍变电路，也在本发明的保护范围之内。
图8所示为该保护电路的仿真结果，正常关断时，比较器U1输出信号FA保持低电平。当门极关断回路异常，难以快速关断IGBT时，FA翻转为高电平，报出故障，并使能控制电路封锁PWM指令，保障功率变换单元安全运行。
本发明另一实施例还提供一种变换器，参见图9，包括：功率变换单元、控制电路、N个驱动电路及N个如上述任一实施例所述的IGBT门极驱动的保护电路(图中未展示)；其中，N为功率变换单元中IGBT的个数。
控制电路分别通过各个驱动电路实现对于相应IGBT的控制。
各个IGBT的门极还通过相应的保护电路连接控制电路，以向控制电路输出故障信号。该IGBT门极驱动的保护电路的具体结构及原理参见上述实施例即可，不再一一赘述。
参见图1，该驱动电路包括：正压支撑电容C1、负压支撑电容C2、导通开关K1、关断开关K2、门极电阻Rg及钳位二极管D1；其中：
正压支撑电容C1设置于正压电源U+和地之间；负压支撑电容C2设置于负压电源U-和地之间；导通开关K1和关断开关K2串联连接于正压电源U+和负压电源U-之间；导通开关K1和关断开关K2的连接点通过门极电阻Rg连接相应IGBT的门极和钳位二极管D1的阳极；钳位二极管D1的阴极连接正压电源U+。
功率半导体的开关行为一般通过驱动电路进行控制，这要求驱动电路具备电气隔离特性，能够快速响应控制信号指令，给IGBT的门极提供合适的正负偏压，使IGBT可靠的开通和关断。实际应用中，该驱动电路还应具备保护功能，如电源欠压保护、短路检测保护等；并能通过软关断、有源钳位抑制关断电压尖峰，保障IGBT安全工作；参见现有技术即可，不再一一赘述。
实际应用中，该功率变换单元可以为：DCDC变换电路，或者，单相或三相的DCAC变换电路。
该功率变换单元内可以包括多个IGBT，比如全桥IGBT模块或者图5所示的半桥IGBT模块，也可以只包括一个IGBT，只要通过相应的保护电路实现各IGBT门极关断的故障检测和保护即可，均在本申请的保护范围内。
值得说明的是，IGBT无法正常关断时，会导致短路现象发生；短路保护机制是IGBT开通后检测出短路状态后进行的封波保护。短路保护的启动需要满足短路检测所需的退饱和现象，IGBT的动态关断时长会持续到短路保护的启动，此过程中，IGBT会承受很大的短路能量；另外，如果短路时间较短或者短路电流较小未能造成IGBT充分退饱和，驱动板均不能检测到关断故障，持续的短路电流冲击势必导致IGBT模块过热失效。本实施例通过对IGBT的门极进行监控，在驱动电路接到关断指令后，若IGBT的门极电压未能及时响应或无法响应、以实现关断IGBT，可在未发生短路现象或发生较小的短路时间内，快速反馈故障信号，并封锁所有IGBT模块的PWM指令，其响应速度明显快于短路保护机制，能够防止功率器件因直通短路的电流冲击而导致故障扩大化，提高功率单元运行的可靠性。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的***及***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (17)
1.一种IGBT门极驱动的保护方法，其特征在于，包括：
生成所述IGBT的门极监控电压；所述门极监控电压与所述IGBT的PWM指令和门极电压存在预设关系；
判断所述门极监控电压是否大于等于预设值；其中，接收到关断指令后，判断所述门极电压大于正常关断负压，则所述门极监控电压大于等于预设值；
若所述门极监控电压大于等于所述预设值，则输出故障信号，以实现对于所述IGBT所在功率变换单元内全部IGBT的PWM指令封锁。
2.根据权利要求1所述的IGBT门极驱动的保护方法，其特征在于，在判断所述门极监控电压是否大于等于预设值之后，还包括：
若所述门极监控电压小于所述预设值，则不输出所述故障信号。
3.根据权利要求1或2所述的IGBT门极驱动的保护方法，其特征在于，生成所述IGBT的门极监控电压，包括：
在所述IGBT的PWM指令为开通指令时，控制所述门极监控电压被下拉至零电平；
在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，控制所述门极监控电压小于所述预设值；
在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长之后，若所述IGBT的门极电压大于正常关断负压，则控制所述门极监控电压受所述门极电压的影响而大于等于所述预设值。
4.根据权利要求3所述的IGBT门极驱动的保护方法，其特征在于，在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，控制所述门极监控电压被下拉至零电平或者从零电平开始逐渐增大但小于所述预设值。
5.一种IGBT门极驱动的保护电路，其特征在于，包括：比较单元、充电单元、充电电阻和分压电阻；其中：
所述充电电阻的一端连接电源；所述充电电阻的另一端，分别连接所述比较单元的第一输入端、所述充电单元的输入端和所述分压电阻的一端；
所述比较单元的第二输入端接收预设值；所述比较单元的输出端为所述保护电路的输出端；
所述充电单元的输出端接地，所述充电单元的控制端接收控制信号；
所述分压电阻的另一端连接所述IGBT的门极；
所述充电单元用于生成所述IGBT的门极监控电压；所述门极监控电压与所述IGBT的PWM指令和门极电压存在预设关系；
所述比较单元用于判断所述门极监控电压是否大于等于所述预设值，并在所述门极监控电压大于等于所述预设值时，输出故障信号，以实现对于所述IGBT所在功率变换单元内全部IGBT的PWM封锁；其中，接收到关断指令后，判断所述门极电压大于正常关断负压，则所述门极监控电压大于等于所述预设值。
6.根据权利要求5所述的IGBT门极驱动的保护电路，其特征在于，所述比较单元还用于：在所述门极监控电压小于所述预设值时，不输出所述故障信号。
7.根据权利要求5所述的IGBT门极驱动的保护电路，其特征在于，在所述IGBT的PWM指令为开通指令时，所述充电单元生成的所述门极监控电压为零电平；
在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，所述充电单元生成的所述门极监控电压小于所述预设值；
在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长之后，若所述IGBT的门极电压大于正常关断负压，则所述充电单元生成的所述门极监控电压受所述门极电压的影响而大于等于所述预设值。
8.根据权利要求7所述的IGBT门极驱动的保护电路，其特征在于，所述充电单元包括：并联连接的缓冲电容和开关管；
所述开关管的控制端为所述充电单元的控制端，接收所述控制信号。
9.根据权利要求8所述的IGBT门极驱动的保护电路，其特征在于，所述控制信号与所述IGBT的PWM指令同步变化。
10.根据权利要求9所述的IGBT门极驱动的保护电路，其特征在于，在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，所述充电单元生成的所述门极监控电压，从零电平开始逐渐增大但小于所述预设值。
11.根据权利要求8所述的IGBT门极驱动的保护电路，其特征在于，在所述IGBT的PWM指令为开通指令时，以及，在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长之后，所述控制信号与所述IGBT的PWM指令相同；
而在所述IGBT的PWM指令为关断指令后的正常动态关断时长以内，所述控制信号为开通指令，以使所述充电单元生成的所述门极监控电压被下拉至零电平。
12.根据权利要求5-11任一项所述的IGBT门极驱动的保护电路，其特征在于，所述比较单元为：比较器或者光耦；
所述比较器的同相输入端作为其第一输入端、接收所述门极监控电压，所述比较器的反相输入端作为其第二输入端、接收所述预设值，所述比较器的输出端作为其输出端、输出所述故障信号。
13.根据权利要求5-11任一项所述的IGBT门极驱动的保护电路，其特征在于，还包括：连接于所述IGBT的门极与发射极之间的门极负载电阻。
14.根据权利要求5-11任一项所述的IGBT门极驱动的保护电路，其特征在于，所述充电电阻和所述分压电阻的阻值均大于预设阻值。
15.一种变换器，其特征在于，包括：功率变换单元、控制电路、N个驱动电路及N个如权利要求5-14任一项所述的IGBT门极驱动的保护电路；
N为所述功率变换单元中IGBT的个数；
所述控制电路分别通过各个所述驱动电路实现对于相应IGBT的控制；
各个IGBT的门极还通过相应的所述保护电路连接所述控制电路，以向所述控制电路输出故障信号。
16.根据权利要求15所述的变换器，其特征在于，所述驱动电路包括：正压支撑电容、负压支撑电容、导通开关、关断开关、门极电阻及钳位二极管；其中：
所述正压支撑电容设置于正压电源和地之间；
所述负压支撑电容设置于负压电源和地之间；
所述导通开关和所述关断开关串联连接于所述正压电源和所述负压电源之间；
所述导通开关和所述关断开关的连接点通过所述门极电阻连接相应IGBT的门极和所述钳位二极管的阳极；
所述钳位二极管的阴极连接所述正压电源。
17.根据权利要求15或16所述的变换器，其特征在于，所述功率变换单元为：DCDC变换电路，或者，单相或三相的DCAC变换电路。
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