CN113049860A - 一种基于igbt器件端子压降检测的三类短路保护电路 - Google Patents
一种基于igbt器件端子压降检测的三类短路保护电路 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113049860A CN113049860A CN202110298896.6A CN202110298896A CN113049860A CN 113049860 A CN113049860 A CN 113049860A CN 202110298896 A CN202110298896 A CN 202110298896A CN 113049860 A CN113049860 A CN 113049860A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- circuit
- pole
- short
- resistor
- terminal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
- G01R1/36—Overload-protection arrangements or circuits for electric measuring instruments
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
- G01R31/2851—Testing of integrated circuits [IC]
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
- G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Conversion In General (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
本发明公布了一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路,它包括短路保护检测电路、逻辑控制电路和电压比较电路;短路保护电路由电阻R3、电容C1、二极管D1及电流源电路组成;电阻R3一端接+15V电平,另一端与电容C1、二极管D1正极和电流源电路连接;电容C1另一端接地;辅助端子g极上分别连接有电阻R1和电阻R2,电阻R1与逻辑控制电路之间分别连接有三极管T1和三极管T2,电阻R2与逻辑控制电路之间连接有三极管T3。本发明包含了三类短路(SCⅢ)的保护功能,可以防止三类短路(SCⅢ)发生时器件发生闩锁失效(擎住效应),提高变流器的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于IGBT驱动器技术领域,具体为一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路。
背景技术
IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor),绝缘栅双极型晶体管,是组成各种变流器的核心功率元器件,IGBT只有配上合适的驱动器才能正常工作,为提高变流模块的可靠性与寿命,驱动器必须具有异常工况保护功能,其中主回路短路是最恶劣的异常工况。
图5为一种常见的三相桥逆变电路,由三个桥臂组成(每个桥臂由上下2只IGBT串联组成,串联中点为交流输出端),其中Q1~Q6为6只IGBT器件,HV+和HV-是直流输入端,分别接直流电压的正负极,L1~L3为逆变电路的负载(负载也可以是电机M),每一只IGBT器件配有一块驱动电路板。
以下对短路分类(以Q4管短路为例)作简要说明:
1)、一类短路(SCⅠ)
一类短路(SCⅠ)定义为:器件开通前短路已经发生,且短路回路阻抗极低通常不超过200nH。图8为典型测试波形,其中绿色为IGBT门极电压Vge,蓝色为IGBT端电压Vce,红色波形为短路电流,Q4开通便立即进入大电流工况(一类短路工况),由于回路阻抗极低,Q4并不会饱和导通,Q4的端电压Vce不会跌落很多,器件损耗极大,驱动器必须保证在10μs以内关断Q4,否则Q4将会过热失效,关断过程中必须保证Q4端电压Vce不超出器件额定电压,否则IGBT将会过压失效,通常驱动器具有软关断功能保证这一点。
2)、二类短路(SCⅡ)
二类短路(SCⅡ)定义为:器件开通前短路已经发生,且短路回路阻抗较低通常在10uH以上。图7为典型测试波形图,其中绿色为IGBT门极电压Vge,黑色为IGBT端电压Vce,红色波形为短路电流,Q4开通先进入饱和导通阶段,由于回路阻抗较大,电流从零缓慢上升(相对于一类短路上升较缓慢,但仍然较正常负载电流上升迅速很多),当电流增至一定值(通常为器件2~4倍额定电流)后IGBT便退出饱和导通区进入线性放大区,Vce开始上升,损耗逐渐加大,此时驱动器必须保证在10μs以内关断Q4,否则Q4将会过热失效,关断过程中必须保证Q4端电压Vce不超出器件额定电压,否则IGBT将会过压失效,通常驱动器具有软关断功能保证这一点。
3)、三类短路(SCⅢ)
三类短路(SCⅢ)定义为:器件开通后短路才发生,且短路回路阻抗极低通常不超过200nH。图6为典型测试波形图,其中左侧波形为IGBT正在载流时发生短路,绿色为IGBT门极电压Vge,蓝色为IGBT端电压Vce,红色波形为短路电流,短路发生前Q4器件门极电压Vge为高(通常为+15V),即IGBT在正向导通状态下发生短路,集电极电流Ic从额定电流值迅速升高。电流变化率di/dt由集电极-发射极电压Vce与串联电感LSC决定。在这个过程中,由于米勒效应导致栅压升高,因此短路电流峰值比前2种情况更大,容易发生闩锁失效(擎住效应),这种情况下lGBT需要承受更严峻的考验,为了保护lGBT,通常需要在驱动电路中采用栅极电压箝位措施。
右侧波形为二极管正在载流时发生短路,绿色为IGBT门极电压Vge,蓝色为IGBT端电压Vce,红色波形为短路电流,开始时快恢复二极管(FRD)处于正向导通状态,与之反并联连接的lGBT处于阻断状态,发生短路后FRD从正向导通进入反向恢复状态,因此IGBT会首先开通进入导通状态,紧接着进入短路状态,如图所示。这种情况下IGBT受短路冲击的严峻性与左侧短路情况基本相同,但是FRD在反向恢复的状态下需要承受很大的电压变化率(dv/dt)的冲击,其受冲击的程度比IGBT更严峻。
目前市面上的驱动器大都采用图4所示的短路检测电路,正常开通时IGBT饱和导通,Vce电压很低(一般不超过2V),二极管D导通,Cblocking上的电压只有IGBT饱和导通电压+0.7V(D的导通压降),一旦发生短路工况电流增大到一定程度时,IGBT就会退出饱和导通区进入线性放大区,Vce电压值开始上升,Cblocking上的电压也开始在Ih电流源的作用下充电,当Cblocking上的电压增值设定值后,驱动器延时一段时间(通常为6~10us),驱动器就会启动软关断电路及时关闭IGBT(图4中未画出软关断部分电路)。
这种常规的检测方式可以有效保护一类短路(SCⅠ)、二类短路(SCⅡ),因为这两种短路都是在器件开通前短路就已经发生,器件开通后电流从0开始上升到一定程度,器件Vce就会上升,当Vce达到驱动器设定值时就会保护。但是对于三类短路(SCⅢ),由于是器件开通后才发生短路,对器件的冲击很大,往往电流在极短时间就上冲到器件额定电流的6~10倍,常规的短路保护策略无法限制该电流峰值,只能靠器件自身抗住该极端工况,大部分器件无法承受该极端峰值而发生闩锁失效(擎住效应),常规保护电路直到器件退饱和后Vce达到驱动器保护门槛值且延时一段时间(通常为6~10us)后,驱动器才会启动软关断保护。可见,常规保护电路对于三类短路(SCⅢ)的保护效果十分有限。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题,提供一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路,它包含了三类短路(SCⅢ)的保护功能,可以防止三类短路(SCⅢ)发生时器件发生闩锁失效(擎住效应),提高变流器的可靠性。
为实现以上目的,本发明采用的技术方案是:一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路,所述IGBT器件包括主功率端子E极、功率端子C极、辅助端子e极、辅助端子c极和辅助端子g极,所述辅助端子e极接地,所述主功率端子E极和辅助端子e极与功率端子C极和辅助端子c极之间均具有封装电感L;三类短路保护电路包括短路保护检测电路、逻辑控制电路和电压比较电路;所述短路保护电路由电阻R3、电容C1、二极管D1及电流源电路组成;所述电阻R3一端接+15V电平,另一端与电容C1、二极管D1正极和电流源电路连接;所述电容C1另一端接地;所述辅助端子g极上分别连接有电阻R1和电阻R2,所述电阻R1与逻辑控制电路之间分别连接有三极管T1和三极管T2,所述电阻R2与逻辑控制电路之间连接有三极管T3;所述三极管T1基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R1和15V电平;所述三极管T2基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R1和-15V电平;所述三极管T3基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R2和-15V电平;所述功率端子C极和逻辑控制电路分别接有二极管D1的正极和负极,所述电压比较电路分别接有主功率端子E极和地极;所述电压比较电路输出端接有逻辑控制电路,且其内设有用于比较主功率端子E极相对于辅助端子e极的电压值VEe的电压比较门槛值。
进一步的,所述R1电阻值小于R2电阻值。
进一步的,所述三极管T1为PNP三极管,所述三极管T2和三极管T3为NPN三极管。
进一步的,所述电压比较门槛值由实验室三类短路实验确定。
本发明的有益效果:
1、本发明通过检测主功率端子E极相对于驱动器的地(即辅助端子e)的电压值实现三类短路(SCⅢ)di/dt检测,因为三类短路(SCⅢ)发生时器件的电流上升斜率极高,将会在封装电感L上感应出电压,此时VEe通常在-30至-100V之间,通过电压比较电路与预先设置的门槛值(门槛值由实验室三类短路实验确定)比较,当VEe的幅值高于门槛值时,认为发生了三类短路(SCⅢ)。
2、本发明具有新颖性、创新性、实用性的地方在于提出的保护脉冲策略,检测到三类短路(SCⅢ)后短暂拉低Vge从而限制短路电流峰值,防止器件发生闩锁失效(擎住效应),因为拉低时间是短暂的不会直接关闭IGBT器件故不会导致器件Vce过压失效(最终实现软关断IGBT器件的电路还是由R3、C1、D1、电流源组成的常规短路检测电路)。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明保护电路的脉冲策略图。
图3为现有技术中IGBT器件电路图。
图4为现有技术中常规短路检测电路原理图。
图5为现有技术中三相桥逆变电路原理图。
图6为现有技术中IGBT驱动器主回路三类短路典型测试波形图。
图7为现有技术中IGBT驱动器主回路二类短路典型测试波形图。
图8为现有技术中IGBT驱动器主回路一类短路典型测试波形图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图对本发明进行详细描述,本部分的描述仅是示范性和解释性,不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图1-图2所示,本发明的具体结构为:一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路,所述IGBT器件包括主功率端子E极、功率端子C极、辅助端子e极、辅助端子c极和辅助端子g极,所述辅助端子e极接地,所述主功率端子E极和辅助端子e极与功率端子C极和辅助端子c极之间均具有封装电感L;三类短路保护电路包括短路保护检测电路、逻辑控制电路和电压比较电路;所述短路保护电路由电阻R3、电容C1、二极管D1及电流源电路组成;所述电阻R3一端接+15V电平,另一端与电容C1、二极管D1正极和电流源电路连接;所述电容C1另一端接地;所述辅助端子g极上分别连接有电阻R1和电阻R2,所述电阻R1与逻辑控制电路之间分别连接有三极管T1和三极管T2,所述电阻R2与逻辑控制电路之间连接有三极管T3;所述三极管T1基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R1和15V电平;所述三极管T2基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R1和-15V电平;所述三极管T3基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R2和-15V电平;所述功率端子C极和逻辑控制电路分别接有二极管D1的正极和负极,所述电压比较电路分别接有主功率端子E极和地极;所述电压比较电路输出端接有逻辑控制电路,且其内设有用于比较主功率端子E极相对于辅助端子e极的电压值VEe的电压比较门槛值。
优选的,所述R1电阻值小于R2电阻值。
优选的,所述三极管T1为PNP三极管,所述三极管T2和三极管T3为NPN三极管。
优选的,所述电压比较门槛值由实验室三类短路实验确定。
***工作时,由于三类短路(SCⅢ)发生时短路电流上升斜率(di/dt)比一类短路(SCⅠ)、二类短路(SCⅡ)发生时短路电流上升斜率(di/dt)大得多,因此设置电流上升斜率(di/dt)检测电路,由于IGBT器件封装结构特性决定了主功率端子E极和辅助端子e极具有封装电感L(功率端子C极和辅助端子c极也有),当di/dt较高时主功率端子E极和辅助端子e极之间会有相应的感应电压。因此,可以将主功率端子E极和辅助端子e极之间的电压差作为三类短路(SCⅢ)检测的标志。
通常IGBT器件门极端子包括门极g和辅助端子e,其中e接驱动器的地(电平为0V),当T1闭合(T2、T3断开)时Vge=+15V,IGBT打开,器件开始载流,当T2闭合(T1、T3断开)时Vge=-15V,IGBT关断,器件不再载流。由R3、C1、D1及电流源电路组成常规的短路保护检测电路,当IGBT器件电流过高后器件退出饱和导通,Vce开始上升,C1上的电压也开始上升,C1上电压升上驱动器设定的阈值时驱动器将会闭合T3(T1、T2处于断开状态),通过R2(R2电阻阻值高于R1)关闭IGBT器件,从而实现软关断,防止器件过压失效。
三类短路(SCⅢ)发生于器件处于开通状态(T1闭合,T2、T3断开),当检测到三类短路(SCⅢ)发生后,由于米勒效应器件门极电压Vge会升高进一步导致短路电流升高,为防止短路电流过大,驱动器应该立即拉低Vge(关闭T1,闭合T2),但此时的Vge拉低持续时间不能太久,否则会彻底关闭IGBT器件,此时由于电流太大直接关闭会导致器件Vce关断尖峰过高而失效。短暂拉低后,驱动器应该迅速将器件门极电压Vge拉高至额定(闭合T1,关闭T2)防止器件的STO(self-turn-off)现象(往往STO也会导致器件失效),等待6~10us后再软关断IGBT器件。
如图2所示,t1时刻之前IGBT器件处于正常导通状态,Vge=+15V(T1闭合,T2、T3断开),t1时刻发生三类短路(SCⅢ)电压比较电路检测到VEe幅值高于设定的门槛值,逻辑控制电路立即关闭T1、打开T2,持续300ns~1000ns左右(具体时间针对不同器件会不一样,具体由试验确定最佳值),t2时刻开启T1、关闭T2将Vge又充至+15V,此后由R3、C1、D1及电流源电路组成常规的短路保护检测电路将会检测到VCE高于设定的保护值,延时6~10us后,将会关闭T1、打开T3对IGBT器件实现软关断。
特别说明的是,图2中绘制的是IGBT器件的控制脉冲,实际IGBT器件侧的Vge因为受到IGBT器件门极电容的影响,波形不会是垂直的。
需要说明的是,在本文中,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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,由于文字表达的有限性,而客观上存在无限的具体结构,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进、润饰或变化,也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合;这些改进润饰、变化或组合,或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路,所述IGBT器件包括主功率端子E极、功率端子C极、辅助端子e极、辅助端子c极和辅助端子g极,所述辅助端子e极接地,所述主功率端子E极和辅助端子e极与功率端子C极和辅助端子c极之间均具有封装电感L;其特征在于,三类短路保护电路包括短路保护检测电路、逻辑控制电路和电压比较电路;所述短路保护电路由电阻R3、电容C1、二极管D1及电流源电路组成;所述电阻R3一端接+15V电平,另一端与电容C1、二极管D1正极和电流源电路连接;所述电容C1另一端接地;所述辅助端子g极上分别连接有电阻R1和电阻R2,所述电阻R1与逻辑控制电路之间分别连接有三极管T1和三极管T2,所述电阻R2与逻辑控制电路之间连接有三极管T3;所述三极管T1基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R1和15V电平;所述三极管T2基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R1和-15V电平;所述三极管T3基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R2和-15V电平;所述功率端子C极和逻辑控制电路分别接有二极管D1的正极和负极,所述电压比较电路分别接有主功率端子E极和地极;所述电压比较电路输出端接有逻辑控制电路,且其内设有用于比较主功率端子E极相对于辅助端子e极的电压值VEe的电压比较门槛值。
2.根据权利要求1所述的一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路,其特征在于,所述R1电阻值小于R2电阻值。
3.根据权利要求1所述的一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路,其特征在于,所述三极管T1为PNP三极管,所述三极管T2和三极管T3为NPN三极管。
4.根据权利要求1所述的一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路,其特征在于,所述电压比较门槛值由实验室三类短路实验确定。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110298896.6A CN113049860A (zh) | 2021-03-20 | 2021-03-20 | 一种基于igbt器件端子压降检测的三类短路保护电路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110298896.6A CN113049860A (zh) | 2021-03-20 | 2021-03-20 | 一种基于igbt器件端子压降检测的三类短路保护电路 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113049860A true CN113049860A (zh) | 2021-06-29 |
Family
ID=76514032
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110298896.6A Pending CN113049860A (zh) | 2021-03-20 | 2021-03-20 | 一种基于igbt器件端子压降检测的三类短路保护电路 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113049860A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116953464A (zh) * | 2023-07-31 | 2023-10-27 | 荣信汇科电气股份有限公司 | 一种igbt功率模块全工况短路试验方法及装置 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110568335A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-12-13 | 北京交通大学 | 一种无检测盲区的SiC MOSFET短路检测保护***和方法 |
CN210297240U (zh) * | 2019-06-25 | 2020-04-10 | 徐州中矿大传动与自动化有限公司 | 一种igbt短路故障快速保护电路 |
-
2021
- 2021-03-20 CN CN202110298896.6A patent/CN113049860A/zh active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN210297240U (zh) * | 2019-06-25 | 2020-04-10 | 徐州中矿大传动与自动化有限公司 | 一种igbt短路故障快速保护电路 |
CN110568335A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-12-13 | 北京交通大学 | 一种无检测盲区的SiC MOSFET短路检测保护***和方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
伍思凯: "《SiC MOSFET短路特性及其诊断研究》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》, pages 63 - 64 * |
郭江荣: "《新型IGBT驱动策略在船用直流电网短路保护中的应用》", 《中国航海》, pages 21 - 24 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116953464A (zh) * | 2023-07-31 | 2023-10-27 | 荣信汇科电气股份有限公司 | 一种igbt功率模块全工况短路试验方法及装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110635792B (zh) | 一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路及方法 | |
CN105577153B (zh) | 半导体装置 | |
US6208185B1 (en) | High performance active gate drive for IGBTs | |
CN103036415B (zh) | 一种功率半导体开关串联电路及其控制方法 | |
US5200878A (en) | Drive circuit for current sense igbt | |
Chen et al. | Closed-loop gate drive for high power IGBTs | |
John et al. | High-performance active gate drive for high-power IGBT's | |
CN110350484B (zh) | 一种igbt短路故障快速保护方法及电路 | |
CN112838746A (zh) | 具有集成米勒钳位器的栅极驱动器 | |
CN109375087B (zh) | 一种具有高速检测igbt短路故障的保护电路与方法 | |
CN113676029B (zh) | 一种基于igbt的有源钳位电路 | |
CN106026621A (zh) | 一种带避免短路保护盲区的igbt驱动电路及检测方法 | |
US8503146B1 (en) | Gate driver with short-circuit protection | |
US10193544B2 (en) | Minimizing ringing in wide band gap semiconductor devices | |
JPH11285238A (ja) | 絶縁ゲート型半導体素子のゲート駆動回路、電力変換装置 | |
CN210297240U (zh) | 一种igbt短路故障快速保护电路 | |
CN111585251A (zh) | 用于i型三电平apf的短路保护装置及其方法 | |
CN114977753A (zh) | 有源钳位方法、电路及电力变换设备 | |
JP5542719B2 (ja) | 電力用半導体素子の駆動保護回路 | |
JP3379562B2 (ja) | インバータ装置 | |
CN113049860A (zh) | 一种基于igbt器件端子压降检测的三类短路保护电路 | |
CN112332821B (zh) | 一种mosfet无源隔离防直通快关驱动电路 | |
CN211266458U (zh) | 一种SiC IGBT驱动和保护*** | |
CN113765070A (zh) | 基于电感电流变化率的igbt短路保护电路和方法 | |
US11831307B2 (en) | Power switch drive circuit and device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |