CN201549882U - 绝缘栅双极型晶体管保护装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例涉及一种绝缘栅双极型晶体管保护装置，包括：电流采样单元、与所述电流采样单元连接的比较器单元和与所述比较器单元连接的逻辑处理单元；所述电流采样单元，用于对绝缘栅双极型晶体管进行电流采样，将得到的电流采样信号输入所述比较器单元；所述比较器单元，用于将所述电流采样信号与设置的至少两个参考电压阈值分别进行比较后，将得到的过流保护信号分别输入所述逻辑处理单元；所述逻辑处理单元，用于根据所述比较器单元输入的各个过流保护信号，对所述绝缘栅双极型晶体管进行保护。本实用新型实施例可以实现多阈值保护，减小误保护的概率，使IGBT工作更稳定，提高检测精度，延长IGBT的寿命。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及电子技术领域，特别涉及一种绝缘栅双极型晶体管保护装置。
背景技术
随着世界工业化水平的飞速提高，运用于各个领域中的电力电子设备功率等级也不断上升。作为构成电力电子功率电路的核心，功率半导体器件的性能及工况成为了大功率***是否能稳定工作的决定性因素之一。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor；简称：IGBT)是电力电子***中最具应用前景的功率半导体器件之一。利用各种控制手段以及优化电路拓扑结构的方法可以改善IGBT的工作性能，在IGBT的驱动电路中进行合理的调整则是一种更为直接并且经济的改善IGBT的工作性能的方法。
采用IGBT驱动保护检测方式直接关系到IGBT的寿命和***运行的稳定性与可靠性。IGBT驱动保护检测方式有多种，一种是采用二极管隔离检测IGBT管压降，通过内部上拉电源，将IGBT深度饱和时的管压降加上与其构成回路的管压降与给定恒定电源比较，通过比较器判断IGBT是否过流；另一种是采用二极管隔离检测IGBT管压降，并与驱动信号做逻辑处理，通过逻辑结果判断IGBT是否过流。
此外，还可以根据检测时间对IGBT进行保护。由于IGBT开通时由不饱和进入饱和状态，IGBT管压降由母线电压慢慢降低到深度饱和的管压降。采用二极管隔离耐压检测时，IGBT的开始检测的响应时间可以通过外加电容实现。图1为现有恒流源式二极管隔离耐压检测的示意图，如图1所示，C为检测端，与IGBT连接；R为防止二极管反向电流增大的限流电阻；Ca为响应时间电容；Cb为防止开通时误检测的电容；MEASURE为与PWM相反的控制信号，防止在IGBT关断期间对母线电容充电；OVERCURR为检测到过流保护后的反转信号。检测时间通过给电容Ca的充电时间实现，当IGBT开通后，关闭MEASURE信号，通过恒流源给电容Ca充电，直到电容Ca电压与外界压降等同。图1中的IGBT的保护阈值为电阻Rth两端电压产生的压差，IGBT进入深度饱和的管压降加上二极管的管压降与电阻Rth上的分压得到总压差，将总压差与电阻Rth上的压差作为比较器的正负输入端进行比较。
综上所述，现有的IGBT保护方法中，保护阈值单一，并且由于响应时间电容本身差别较大，容易受温度变化影响，根据电容计算的检测时间差别也较大，影响检测精度和IGBT的寿命。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种绝缘栅双极型晶体管保护装置，用以解决现有技术IBGT检测精度低和影响IGBT寿命的问题。
本实用新型实施例提供一种绝缘栅双极型晶体管保护装置，包括：电流采样单元、与所述电流采样单元连接的比较器单元和与所述比较器单元连接的逻辑处理单元；
所述电流采样单元，用于对绝缘栅双极型晶体管进行电流采样，将得到的电流采样信号输入所述比较器单元；
所述比较器单元，用于将所述电流采样信号与设置的至少两个参考电压阈值分别进行比较后，将得到的过流保护信号分别输入所述逻辑处理单元；
所述逻辑处理单元，用于根据所述比较器单元输入的各个过流保护信号，对所述绝缘栅双极型晶体管进行保护。
本实用新型实施例提供的绝缘栅双极型晶体管保护装置，比较器单元将电流采样单元的电流采样信号与设置的至少两个参考电压阈值，可以实现多阈值保护，减小误保护的概率，使IGBT工作更稳定，可以提高检测精度，延长IGBT的寿命。
附图说明
图1为现有恒流源式二极管隔离耐压检测的示意图；
图2为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第一实施例的结构示意图；
图3为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第二实施例的示意图；
图4为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第三实施例中软降栅压单元的结构示意图；
图5为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第三实施例中比较器单元的结构示意图；
图6为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第三实施例中逻辑处理单元的状态机的示意图；
图7为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第三实施例中电流采样单元的结构示意图。
具体实施方式
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。
图2为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第一实施例的结构示意图，如图2所示，该绝缘栅双极型晶体管保护装置包括：电流采样单元21、与电流采样单元21连接的比较器单元22和与比较器单元22连接的逻辑处理单元23；
其中，电流采样单元21，用于对绝缘栅双极型晶体管20进行电流采样，将得到的电流采样信号输入比较器单元22；
比较器单元22，用于将所述电流采样信号与设置的至少两个参考电压阈值分别进行比较后，将得到的过流保护信号分别输入逻辑处理单元23；
逻辑处理单元23，用于根据比较器单元22输入的各个过流保护信号，对绝缘栅双极型晶体管20进行保护。
具体地，电流采样单元21对绝缘栅双极型晶体管20进行电流采样得到电流采样信号，将该电流采样信号输入到比较器单元22。比较器单元22中预先设置了多个参考电压阈值，将该电流采样信号与各个参考电压阈值分别进行比较后，将各个过流保护信号分别输入逻辑处理单元23。逻辑处理单元23根据接收到的各个过流保护信号中有效的信号，对绝缘栅双极型晶体管20进行短路保护或软降栅压保护等操作。
本实施例比较器单元将电流采样单元的电流采样信号与设置的至少两个参考电压阈值，可以实现多阈值保护，减小误保护的概率，使IGBT工作更稳定，可以提高检测精度，延长IGBT的寿命。
图3为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第二实施例的示意图，如图3所示，在本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第一实施例的基础上，逻辑处理单元23连接有功率驱动单元31和软降栅压单元32，其中，逻辑处理单元23可以为复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device；简称：CPLD)或单片机等，逻辑处理单元23向功率驱动单元31输入脉冲控制信号，向软降栅压单元32输入软降栅压控制信号；软降栅压单元32与功率驱动单元31连接；功率驱动单元31和软降栅压单元32连接绝缘栅双极型晶体管的发射极E和栅极G。
如图3所示，RST为外部复位信号，Vcom为电源电压监测信号，SOFT为软降栅压控制信号，PWM为控制脉冲信号，比较器单元输入的OC1和0C2为过流保护复位信号，即过流保护信号，过流保护信号的数量包括但不限于两个。
本实施例本实施例比较器单元将电流采样单元的电流采样信号与设置的至少两个参考电压阈值，可以实现多阈值保护，逻辑处理单元通过软降栅压控制信号可以控制软降栅压单元的工作，减小误保护的概率，使IGBT工作更稳定，提高检测精度，延长IGBT的寿命。
图4为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第三实施例中软降栅压单元的结构示意图，如图4所示，在本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第二实施例的基础上，软降栅压单元可以包括：场效应晶体管MOS、稳压管VZ、吸收电容C1和第一电阻R1；
其中，吸收电容C1和第一电阻R1并联的一端连接绝缘栅双极型晶体管20发射极E，并且连接稳压管VZ的负极；
稳压管VZ的正极连接场效应晶体管MOS的漏极D，场效应晶体管的源极S接地；
场效应晶体管VZ的栅极G0连接逻辑处理单元23，用于根据逻辑处理单元23输入的所述软降栅压控制信号，使能场效应晶体管VZ，以使吸收电容C1经由场效应晶体管VZ放电；
吸收电容C1和第一电阻R1并联的另一端连接绝缘栅双极型晶体管的栅极G。
其中，SOFT信号为***进入软降栅压状态时，从逻辑处理单元例如：CPLD发出的信号。***进入软降栅压状态时，使能MOS管，使门极电压的吸收电容C1经由MOS管放电，直放到稳压管VZ的电平。使得IGBT的G端被嵌位在稳压管VZ的导通压降，从而实现软降栅压。
进一步地，图5为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第三实施例中比较器单元的结构示意图，如图5所示，比较器单元包括：电压跟随器51、第一比较器52和第二比较器53；
电压跟随器51的输入端与电流采样单元21连接，用于输入所述电流采样信号；
电压跟随器51的输出端分别连接第一比较器52和第二比较器53，将处理后的电流采样信号分别输入第一比较器52和第二比较器53。
一种情况下，电压跟随器51的输出端可以分别连接所述第一比较器52和第二比较器53的同向端，如图5所示；
此时，第一比较器52的反向端输入第一参考电压阈值；第一比较器52的输出端连接逻辑处理单元，用于向逻辑处理单元输出第一过流保护信号，当所述处理后的电流采样信号大于所述第一参考电压阈值时，所述第一过流保护信号有效；
第二比较器53的反向端输入第二参考电压阈值；第二比较器53的输出端连接逻辑处理单元，用于向逻辑处理单元输出第二过流保护信号，当所述处理后的电流采样信号大于所述第二参考电压阈值时，所述第二过流保护信号有效。
示例性地，IGBT连接的电流传感器的信号经过采样后，得到电流采样信号，电流采样信号经过电压跟随器处理后输送给两个比较器：第一比较器52和第二比较器53。当输入第一比较器52的处理后的电流采样信号OT1大于第一参考电压阈值Vref1时，CPLD在延时3us后如果OC1还有效，使能软降栅压单元。如果在继续延时一定时间后检测到OC1还有效，则对IGBT进行短路保护，封锁脉冲，置故障位。当处理后的电流采样信号OT2大于的设定的第二参考电压阈值Vref2时，OC2有效时，在延时3us后，如果仍检测到OC2有效时，则对IGBT进行短路保护，直接封锁脉冲，置故障位，从而防止IGBT开通时短路。其中Vref1可以小于Vref2，将Vref1设置为稍大于正常值，而将Vref2设置为远大于正常值。
另一种情况下，电压跟随器51的输出端还可以分别连接第一比较器52和第二比较器53的反向端，例如：将图5中第一比较器52和第二比较器53同向端和反向端的连线互换；
此时，第一比较器52的同向端输入第一参考电压阈值；第一比较器52的输出端连接逻辑处理单元，用于向逻辑处理单元输出第一过流保护信号，当所述处理后的电流采样信号大于所述第一参考电压阈值时，所述第一过流保护信号有效；
第二比较器53的同向端输入第二参考电压阈值；第二比较器53的输出端连接逻辑处理单元，用于向逻辑处理单元输出第二过流保护信号，当所述处理后的电流采样信号大于所述第二参考电压阈值时，所述第二过流保护信号有效。
再进一步地，逻辑处理单元可以包括：
第一保护模块，用于当所述第一过流保护信号有效、所述第二过流保护信号无效时，延时后使能所述软降栅压单元，若使能所述软降栅压单元后再延时一定时间仍检测到所述第一过流保护信号有效，则对所述绝缘栅双极型晶体管进行短路保护，封锁脉冲并置故障位；
第二保护模块，用于当所述第一过流保护信号无效、所述第二过流保护信号有效时，延时后对所述绝缘栅双极型晶体管进行短路保护，封锁脉冲并置故障位；
第三保护模块，用于当所述第一过流保护信号和所述第二过流保护信号同时有效时，延时后对所述绝缘栅双极型晶体管进行短路保护，封锁脉冲并置故障位。
图6为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第三实施例中逻辑处理单元的状态机的示意图，如图6所示，各个状态的含义为：st0为***的上电状态；st1为复位状态；st2为正常运行状态；st3为电流采样状态；st4为故障保护状态；st5为软降栅压状态。其中，RST为外部复位信号，当RST为1时，执行复位状态st1；Vcom为电源电压监测信号，正常状态时Vcom为1，当电源电压欠压时Vcom为0；OC1、OC2为过流保护的信号，即第一过流保护信号和第二过流保护信号。
本实用新型中所有的检测时间、延迟时间可以在CPLD中完成，以脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation；简称：PWM)的上升沿为基准，延时检测的。示例性地，当***上电检测到电源引脚的Vcom为高电平，可以进入复位状态st1，延时100ms后进入正常运行状态st2，在PWM为上升沿时延时3us进入电流采样状态st3，在电流采样状态st3下，如果检测到过流保护的第一过流保护信号OC1为高电平，则进入软降栅压状态st5，如果仍检测到过流保护的第一过流保护信号OC1为高电平，则进入故障保护状态st4，封锁脉冲，置位故障反馈信号。如果在3us内检测到第二过流保护信号OC2有效，但第一过流保护信号OC1无效，则进入故障保护状态st4。如果在3us内检测到第一过流保护信号OC1和第二过流保护信号OC2同时有效，也进入故障保护状态st4。
再进一步地，图7为本实用新型绝缘栅双极型晶体管保护装置第三实施例中电流采样单元的结构示意图，如图7所示，电流采样单元可以包括电流传感器71，电流传感器71两端跨接第二电阻R2，电流传感器71的一端连接绝缘栅双极型晶体管20的发射极E，电流传感器71的另一端接地GND。图7中的电流传感器71为一个桥臂的电流传感器，电流采样单元的U端接母线电源。经过采样后，将电流采样信号发送给比较器单元22，经过电压跟随器输送给如图5所示的两个比较器：第一比较器52和第二比较器53做阈值比较，当两个比较器中任何一个满足条件时，该比较器发生翻转，比较器将过流保护信号(OC1或OC2)传输给CPLD进行逻辑判断，确定是进行短路保护还是进行软降栅压保护。
本实用新型中IGBT的电流采样方式为传感器采样，采样得到的电流采样信号的模拟量值通过电压跟随器与多个不同阈值的比较器进行比较，不同比较器输出的过流保护信号传输给CPLD进行逻辑判断。CPLD以PWM的上升沿为检测基准，例如：当PWM为上升沿时，延时3us到5us后开始检测，如果CPLD收到OC1，认为是假过流保护，进行软降栅压保护，在软降栅压状态下延时的时间内继续进行检测，如果还存在保护现象，即还收到OC1，则判断为真过流保护，此时CPLD进行短路保护，输出故障信号，封锁脉冲。
本实施例采用电流传感器进行采样，可以实时检测经过IGBT的电流模拟量的变化量，检测结果更加精准；将电流采样信号与不同的参考电压阈值进行比较，可以实现多阈值保护，通过CPLD判断过流保护的真伪，从而减小误保护的概率，使IGBT工作更稳定；通过CPLD进行延时检测与状态转换处理，精准度高，可以有效避免硬件个体差异带来的误差；增加了短路保护功能，在检测到需要进行短路保护时，立即封锁脉冲，进一步增加了***的可靠性，从而延长了IGBT的寿命。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种绝缘栅双极型晶体管保护装置，其特征在于，包括：电流采样单元、与所述电流采样单元连接的比较器单元和与所述比较器单元连接的逻辑处理单元；
所述电流采样单元，用于对绝缘栅双极型晶体管进行电流采样，将得到的电流采样信号输入所述比较器单元；
所述比较器单元，用于将所述电流采样信号与设置的至少两个参考电压阈值分别进行比较后，将得到的过流保护信号分别输入所述逻辑处理单元；
所述逻辑处理单元，用于根据所述比较器单元输入的各个过流保护信号，对所述绝缘栅双极型晶体管进行保护。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管保护装置，其特征在于，
所述逻辑处理单元连接有功率驱动单元和软降栅压单元，向所述功率驱动单元输入脉冲控制信号，向所述软降栅压单元输入软降栅压控制信号；
所述软降栅压单元与所述功率驱动单元连接；
所述功率驱动单元和所述软降栅压单元连接所述绝缘栅双极型晶体管的发射极和栅极。
3.根据权利要求2所述的绝缘栅双极型晶体管保护装置，其特征在于，所述软降栅压单元包括：场效应晶体管、稳压管、吸收电容和第一电阻；
所述吸收电容和第一电阻并联的一端连接所述绝缘栅双极型晶体管的发射极，并且连接所述稳压管的负极；
所述稳压管的正极连接所述场效应晶体管的漏极，所述场效应晶体管的源极接地；
所述场效应晶体管的栅极连接所述逻辑处理单元，用于根据所述逻辑处理单元输入的所述软降栅压控制信号，使能所述场效应晶体管，以使所述吸收电容经由所述场效应晶体管放电；
所述吸收电容和第一电阻并联的另一端连接所述绝缘栅双极型晶体管的栅极。
4.根据权利要求2所述的绝缘栅双极型晶体管保护装置，其特征在于，所述比较器单元包括：电压跟随器、第一比较器和第二比较器；
所述电压跟随器的输入端与所述电流采样单元连接，用于输入所述电流采样信号；
所述电压跟随器的输出端分别连接所述第一比较器和第二比较器，将处理后的电流采样信号分别输入所述第一比较器和第二比较器。
5.根据权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管保护装置，其特征在于，所述电压跟随器的输出端分别连接所述第一比较器和第二比较器的同向端；
所述第一比较器的反向端输入第一参考电压阈值；所述第一比较器的输出端连接所述逻辑处理单元，用于向所述逻辑处理单元输出第一过流保护信号，当所述处理后的电流采样信号大于所述第一参考电压阈值时，所述第一过流保护信号有效；
所述第二比较器的反向端输入第二参考电压阈值；所述第二比较器的输出端连接所述逻辑处理单元，用于向所述逻辑处理单元输出第二过流保护信号，当所述处理后的电流采样信号大于所述第二参考电压阈值时，所述第二过流保护信号有效。
6.根据权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管保护装置，其特征在于，所述电压跟随器的输出端分别连接所述第一比较器和第二比较器的反向端；
所述第一比较器的同向端输入第一参考电压阈值；所述第一比较器的输出端连接所述逻辑处理单元，用于向所述逻辑处理单元输出第一过流保护信号，当所述处理后的电流采样信号大于所述第一参考电压阈值时，所述第一过流保护信号有效；
所述第二比较器的同向端输入第二参考电压阈值；所述第二比较器的输出端连接所述逻辑处理单元，用于向所述逻辑处理单元输出第二过流保护信号，当所述处理后的电流采样信号大于所述第二参考电压阈值时，所述第二过流保护信号有效。
7.根据权利要求5或6所述的绝缘栅双极型晶体管保护装置，其特征在于，所述逻辑处理单元包括：
第一保护模块，用于当所述第一过流保护信号有效、所述第二过流保护信号无效时，延时后使能所述软降栅压单元，若使能所述软降栅压单元后再延时一定时间仍检测到所述第一过流保护信号有效，则对所述绝缘栅双极型晶体管进行短路保护，封锁脉冲并置故障位；
第二保护模块，用于当所述第一过流保护信号无效、所述第二过流保护信号有效时，延时后对所述绝缘栅双极型晶体管进行短路保护，封锁脉冲并置故障位；
第三保护模块，用于当所述第一过流保护信号和所述第二过流保护信号同时有效时，延时后对所述绝缘栅双极型晶体管进行短路保护，封锁脉冲并置故障位。
8.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管保护装置，其特征在于，所述电流采样单元包括电流传感器，所述电流传感器两端跨接第二电阻，所述电流传感器的一端连接所述绝缘栅双极型晶体管的发射极，所述电流传感器的另一端接地。
9.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管保护装置，其特征在于，所述逻辑处理单元为复杂可编程逻辑器件或单片机。
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