CN210297240U - 一种igbt短路故障快速保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种IGBT短路故障快速保护电路，包括短路检测电路，门逻辑电路和放大电路。利用发生短路时与正常开通状态相比，门极电压与集电极电压不同的变化状态进行短路故障检测，通过逻辑电路控制推挽放大电路，及时将IGBT关断。本实用新型能够提高短路故障检测速率，所需的短路检测器件及检测电路简单，容易实现。

Description

一种IGBT短路故障快速保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种IGBT短路故障快速保护电路，属于电力电子技术领域。

背景技术

IGBT短路保护是提高电力电子***可靠性的关键因素。传统的退保和短路保护方法是通过检测IGBT的集电极—发射极电压，以确定是否发生IGBT短路故障。在这种保护方法中需要设置消隐电路，以避免在IGBT导通瞬态期间误触发短路保护。然而为了使驱动板具有通用性，通常需要设置较长的消隐时间，因而增加了短路损耗，使得结温上升，增大了短路故障对器件的冲击。除了退保和方法外，目前常用的方法还有从短路电流信息和门极信息提取两个方面进行短路保护，比如：利用功率发射机和辅助发射极间的感应电势提取短路电流，根据短路故障时的门极电压或门极电荷的变化。这些方法主要是为了提高短路保护速率，消除消音时间的影响，然而相比于传统的退保和方法，普遍需要大量的运算放大器进行信息的提取，并且需要根据特定的应用环境来进行检测电路的参数设计，通用性较差，并没有得到广泛的应用。因而研发一种既能够提高短路保护速率，又不需要过多的检测元件的短路保护变得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术上的不足，提出一种IGBT短路故障快速保护方法及电路。该电路能够提高短路保护速率，技术方案如下：

一种IGBT短路故障快速保护电路，包括：短路检测电路，门逻辑电路和放大电路；

所述短路检测电路，检测集电极电压和门极电压的状态，以判断是否发生短路故障，并输出故障信号给门逻辑电路；

所述门逻辑电路，根据外部控制器的PWM开关信号与故障信号，判断需要开通还是关断待测IGBT，并向放大电路输出控制信号；

所述放大电路，根据门逻辑电路输出的控制信号，向IGBT输出正驱动电压V_CC或负驱动电压V_EE，实现IGBT的开通与关断；

其中：门逻辑电路接收开关信号V_pwm和故障信号V_fault，并向放大电路输出控制信号V_p；短路检测电路检测待测IGBT的集电极电压V_CE和门极电压V_G，并向门逻辑电路输出故障信号V_fault；放大电路接收控制信号V_p，输出端连接待测IGBT的门极。

作为本实用新型的一种改进，所述短路检测电路，包括：集电极检测电路，门极检测电路，故障判断电路；其中：集电极检测电路输入端检测电路检测集电极电压V_CE，输出端与故障判断电路的第一输入端相连；门极检测电路输入端检测门极电压V_G，输出端与故障判断电路的第二输入端相连；故障判断电路输出端输出故障信号V_fault。

作为本实用新型的一种改进，所述集电极检测电路，实时检测集电极电压状态，包括：二极管D₁，二极管D₂，二极管D₃，电阻R₁，电容C₁，开关Q₁；其中：二极管D₁的阴极接待测IGBT的集电极，阳极与电阻R1的一端，电容C₁的一端，二极管D₂的阳极，二极管D₃的阴极，P型开关管Q₁的基极相连，电阻R1的另一端，二极管D₂的阴极和P型开关管Q₁的发射极与正驱动电压V_CC相连；电容C₁的另一端和二极管D₃的阳极接地。

作为本实用新型的一种改进，所述门极检测电路，采用二极管D₄实时检测门极状态，二极管D₄的阳极连接待测IGBT的门极。

作为本实用新型的一种改进，所述故障判断电路，根据门极电压与集电极电压的变化状态，判断是否发生短路故障，并向所述门逻辑电路输出故障信号，包括：电阻R₂，电阻R₃，电阻R₄，P型开关管Q₂，其中：电阻R₂的一端与P型开关管Q₁的集电极，P型开关管Q₂的基极，电阻R₃的一端相连；电阻R₃的另一端连接参考电压V_ref；电阻R₂的另一端与二极管D₄的阴极，P型开关管Q₂的发射极相连，P型开关管Q₂的集电极与电阻R₄的一端相连，并输出故障信号V_fault；电阻R₄的另一端与负驱动电压V_EE相连。

作为本实用新型的一种改进，所述P型开关管Q₁和Q₂采用开关速率较快功率开关器件，如BJT或MOSFET。

作为本实用新型的一种改进，所述门逻辑电路，可采用与门或与非门芯片搭建逻辑电路，也可采用数字芯片FPGA/CPLD进行逻辑控制。

作为本实用新型的一种改进，所述门极与集电极电压检测电路，参考电压V_ref的值在IGBT的米勒平台电压与正驱动电压V_CC之间。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型根据短路故障对门极与集电极的影响，通过实时检测门极电压和集电极电压，快速判断短路故障，消除了传统退饱和方法中为防止正常开通过程发生的误报故障而设置的消隐时间，提高了短路的保护速率。

本实用新型检测电路简单，且无需采用运算放大器进行参数提取，降低了电路成本与电路面积，通用性较好。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的结构框图；

图2为短路检测电路结构框图；

图3为本实用新型的电路原理图；

图4为IGBT正常开关时的波形原理图；

图5为IGBT在开通瞬态发生短路保护的波形原理图；

图6为IGBT在导通状态发生短路保护的波形原理图；

图7为设置门极钳位电路的原理图；

图8为设置门极钳位电路后IGBT在导通状态发生短路保护的波形原理图；

图9为设置软关断电路的原理图；

图10为IGBT在开通瞬态发生短路采用传统方法进行保护的实验波形；

图11为IGBT在开通瞬态发生短路采用本实用新型进行保护的实验波形；

图12为IGBT在导通状态发生短路采用传统方法进行保护的实验波形；

图13为IGBT在导通状态发生短路采用本实用新型进行保护的实验波形；

具体实施方式：

为了能够更清楚地理解本实用新型内容，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型进行说明。

实施例1：

本实用新型各单元连接关系参照图1所示。

包括：短路检测电路，门逻辑电路和放大电路。其中：门逻辑电路接收开关信号V_pwm和故障信号V_fault，并向放大电路输出控制信号V_p；短路检测电路检测待测IGBT的集电极电压V_CE和门极电压V_G，并向门逻辑电路输出故障信号V_fault；放大电路接收控制信号V_p，输出端连接待测IGBT的门极。

短路检测电路，检测集电极电压和门极电压的状态，以判断是否发生短路故障，并输出故障信号给门逻辑电路，包括：集电极检测电路，门极检测电路，故障判断电路。短路检测电路连接关系参照图2所示，其中：集电极检测电路输入端检测电路检测集电极电压V_CE，输出端与故障判断电路的第一输入端相连；门极检测电路输入端检测门极电压V_G，输出端与故障判断电路的第二输入端相连；故障判断电路输出端输出故障信号V_fault。

本实施例提供的各单元具体器件原理图如图3所示。

集电极检测电路，实时检测集电极电压状态，包括：二极管D₁，二极管D₂，二极管D₃，电阻R₁，电容C₁，开关Q₁。其中：二极管D₁的阴极接待测IGBT的集电极，阳极与电阻R1的一端，电容C₁的一端，二极管D₂的阳极，二极管D₃的阴极，P型开关管Q₁的基极相连，为；电阻R1的另一端，二极管D₂的阴极和P型开关管Q₁的发射极与正驱动电压V_CC相连；电容C₁的另一端和二极管D₃的阳极接地。

门极检测电路，采用二极管D₄实时检测门极状态，二极管D₄的阳极连接待测IGBT的门极。

故障判断电路，根据门极电压与集电极电压的变化状态，判断是否发生短路故障，并向所述门逻辑电路输出故障信号，包括：电阻R₂，电阻R₃，电阻R₄，P型开关管Q₂，其中：电阻R₂的一端与P型开关管Q₁的集电极，P型开关管Q₂的基极，电阻R₃的一端相连；电阻R₃的另一端连接参考电压V_ref；电阻R₂的另一端与二极管D₄的阴极，P型开关管Q₂的发射极相连，P型开关管Q₂的集电极与电阻R₄的一端相连，并输出故障信号V_fault；电阻R₄的另一端与负驱动电压V_EE相连。

门极与集电极电压检测电路，开关Q₁和Q₂采用开关速率较快功率开关器件，如BJT或MOSFET。

门逻辑电路，根据外部控制器的PWM开关信号与故障信号，判断需要开通还是关断待测IGBT，并向放大电路输出控制信号；可采用与门或与非门芯片搭建逻辑电路，也可采用数字芯片FPGA/CPLD进行逻辑控制；本实施例采用与门或与非门芯片搭建逻辑电路，如图3所示，包括：非门U₁，或门U₂，与非门U₃，与门U₄；其中：非门U₁的第一输入端接收开关信号V_pwm，U₁的输出端与U₂的第二输入端和输出端以及U₃的第一输入端相连；或门U₂的第一输入端接收故障信号V_fault，第二输入端与U₁的输出端相连，U₂的输出端与U₂的第二输入端和U₃的第一输入端相连；与非门U₃的第一输入端与U₂的输出端相连，第二输入端接受开关信号V_pwm；与门U₄的第一输入端与U₃的输出端相连，第二输入端接收控制信号V_pwm；与门U₄的输出端输出控制信号V_p。

放大电路，根据门逻辑电路输出的控制信号，向IGBT输出正驱动电压V_CC或负驱动电压V_EE，实现IGBT的开通与关断；包括：N型开关管Q_n，P型开关管Q_p和门极电阻R_g；其中：N型开关管Q_n的发射极与P型开关管Q_p的发射极，门极电阻R_g的一端相连；门极电阻R_g的另一端与待测IGBT门极，二极管D₄的阳极相连；N型开关管Q_n的集电极连接正驱动电压V_CC；P型开关管Q_p的集电极连接负驱动电压V_EE；N型开关管Q_n的基极与P型开关管Q_p的基极接收控制信号V_p。

本实用新型的短路保护原理为：

(1)在正常开通瞬态，在门极电压V_G上升至参考电压V_ref时，集电极电压已经由高电压下降至导通压降。

IGBT正常开关过程如图4所示。

在t₀时刻前，开关信号V_pwm为关断信号，放大电路向门极提供负驱动电压V_EE，待测IGBT为关断状态，集电极侧V_CE承受全母线电压V_DC，因而a点电压Va被钳位在正驱动电压V_CC上，P型开关管Q₁为关断状态，此时b点电压V_b与c点电压V_c都等于参考电压V_ref，因而P型开关管Q₂保持关断状态。故障信号V_fault输出电压为V_EE，无短路故障输出。

在t₀时刻，开关信号V_pwm切换为开通信号，放大电路切换为正电压V_CC，门极电压V_G开始上升，在上升至米勒平台电压前，集电极电压V_CE仍为高电压，P型开关管Q₁仍保持关断状态，b点电压V_b与c点电压V_c保持不变，因而P型开关管Q₂保持关断状态，故障信号V_fault输出电压不输出短路故障。

在进入米勒平台后，V_CE迅速下降至导通压降。在t₁时刻，a点电压Va小于正驱动电压V_CC，使得P型开关管Q₁开通，因而b点电压V_b与c点电压V_c转换为正驱动电压V_CC，P型开关管Q₂保持关断状态，故障信号V_fault不输出短路故障。

此后IGBT进入导通状态，V_G继续上升，b点电压V_b与c点电压V_c始终保持V_CC，故障信号V_fault不输出短路故障。

在t₃时刻，开关信号V_pwm切换为关断信号，放大电路切换为负驱动电压V_EE，门极电压V_G开始迅速下降至米勒平台电压，使其小于参考电压V_ref，b点电压V_b与c点电压V_c仍保持为正驱动电压V_CC；随着集电极电压V_CE由导通压降逐渐上升，到t₄时刻，a点电压Va开始被钳位在正驱动电压V_CC上，使得P型开关管Q₁关断，b点电压V_b与c点电压V_c转换为参考电压V_ref；在整个关断过程中，b点电压V_b始终等于c点电压V_c，因而P型开关管Q₂保持关断状态，故障信号V_fault不输出短路故障。

(2)当短路发生在待测IGBT开通瞬态时，当门极上升至参考电压V_ref时，集电极电压V_CE保持为高电压，短路检测电路据此识别短路故障，门逻辑电路控制放大电路，迅速将待测IGBT关断。

待测IGBT在开通瞬态发生短路的保护过程如图5所示。

在t₅时刻，开关信号V_pwm由关断信号切换为开通信号，放大电路切换为正电压V_CC，门极电压V_G开始持续上升，并发生了短路故障，受退饱和效应的影响，集电极电压V_CE始终保持高电压，a点电压Va被钳位在正驱动电压V_CC上，P型开关管Q₂保持关断状态，因而b点电压V_b与c点电压V_c为参考电压V_ref。

在t6时刻，门极电压V_G将高于参考电压V_ref，b点电压V_b与c点电压V_c开始上升，与R₂和R₃形成分压，b点电压V_b与c点电压V_c分别为：

其中：VD₄为二极管D₄的导通压降。

此时b点电压V_b开始低于c点电压V_c，使得P型开关管Q₂开通，故障信号V_fault转换为高电平，输出短路故障。门逻辑电路接收短路故障后，立即控制放大电路，并在t7时刻向门极提供负驱动电压V_EE，将待测IGBT关断。

(3)当短路发生在待测IGBT导通状态时，若无门极钳位电路，在集电极电流快速上升的过程中，门极电压V_G产生电压尖峰，而此时集电极V_CE为导通压降，短路检测电路据此识别短路故障，门逻辑电路控制放大电路，迅速将待测IGBT关断。

待测IGBT在导通状态发生短路的保护过程如图6所示。

在t₈时刻，由于外部器件开通使得待测IGBT发生短路故障，集电极电流迅速上升，发射极电感产生感应电势，导致门极电压V_G产生电压尖峰，将c点电压V_c抬高，此时，由于集电极电压V_CE仍为导通压降，P型开关管Q₁为开通状态，b点电压V_b仍为正驱动电压V_CC，因而b点电压V_b小于c点电压V_c，P型开关管Q₂开通，故障信号V_fault转换为高电平，输出短路故障。门逻辑电路接收短路故障后，立即控制放大电路，并在t9时刻向门极提供负驱动电压V_EE，将待测IGBT关断。

实施例2：

若放大电路中设置了门极钳位电路，如图7所示。二极管D5的阳极连接待测IGBT的门极，阴极连接正驱动电压V_CC。

当短路发生在待测IGBT导通状态时，门极钳位电路将门极电压尖峰抑制住了，无法产生明显的电压尖峰，则集电极电流继续上升使得待测IGBT开始发生退饱和现象，集电极电压V_CE由导通压降迅速上升至高电压，短路检测电路据此识别短路故障，门逻辑电路控制放大电路，迅速将待测IGBT关断。

待测IGBT在导通状态发生短路的保护过程则如图8所示。

在t₈时刻，集电极电流迅速上升，在t₈-t₉阶段内门极钳位电路将门极电压尖峰抑制住了。当待测IGBT开始发生退饱和现象后，集电极电压V_CE迅速上升，并在t₉时刻，a点电压Va被钳位在正驱动电压V_CC上，P型开关管Q₁为关断状态，b点电压V_b由正驱动电压V_CC变为：

此时b点电压V_b小于c点电压V_c，则P型开关管Q₂开通，故障信号V_fault转换为高电平，输出短路故障，门逻辑电路控制放大电路，迅速将待测IGBT关断。

与没有设置门极钳位电路相比，该实施例的短路保护时间点向后延迟。

实施例3：

当放大电路中设置了软关断电路，如图9所示，放大电路的软关断电路包括：P型开关管Qs，电阻R_gs，其中：P型开关管Qs的集电极与负驱动电压V_EE相连，发射极与电阻R_gs的一端相连，电阻R_gs的另一端连接待测IGBT的门极。

本实施例采用的与门或与非门芯片搭建逻辑电路，包括：非门U₁，或门U₂，与非门U₃，与门U₄；其中：非门U₁的第一输入端接收开关信号V_pwm，U₁的输出端与U₂的第二输入端和输出端以及U₃的第一输入端相连；或门U₂的第一输入端接收故障信号V_fault，第二输入端与U₁的输出端相连，U₂的输出端与U₂的第二输入端和U₃的第一输入端相连；与非门U₃的第一输入端与U₂的输出端相连，第二输入端接受开关信号V_pwm；与门U₄的第一输入端与U₃的输出端相连，第二输入端接收控制信号V_pwm；与门U₄的输出端输出控制信号V_p。控制信号V_p控制放大电路的N型开关管Q_n以及软关断开关管Q_s的开通与关断。开关信号V_pwm控制放大电路的P型开关管Q_p的开通与关断。

软关断电路的设置是为了避免短路故障关断时，过高的集电极电流变化速率使得集电极电压产生过高的电压尖峰，从而防止发生IGBT的击穿。

使其在正常关断时，放大电路实现常规关断，而在发生短路时，门逻辑电路开通软关断电路，使关断过程减缓，降低关断过压。

实施例4：

IGBT模块采用英飞凌公司的FF1400R17IP4，放大电路中正驱动电压V_CC为15V，负驱动电压V_EE为-15V，参考电压V_ref采用12V的稳压二极管，其型号为MM1Z12。短路检测电路其他器件型号分别为：Q_n为ZXTN2010Z，Q_p为ZXTP2012Z，Q1和Q2为S8050，D1为STTH112U，D2和D3为BAV99。当短路发生在待测IGBT开通瞬态时，传统的短路波形如图10所示。待测器件在4μs的时候开通，短路电流持续上升。由于需要消隐时间，在11μs的时候驱动才将待测器件关断，此刻，最大短路电流为4.3kA。与传统短路波形相比，本实用新型的短路波形如图11所示。同样待测IGBT在4μs开通，当门极电压在上升至12V时，放大电路检测到短路故障，并在7.4μs的时候将待测IGBT关断。此刻最大短路电流仅为2.9kA。

当短路发生在待测IGBT导通状态时，传统的短路波形如图12所示。待测IGBT在25.1μs时发生短路故障，传统方法在4.1μs后将待测IGBT关断。此刻最大短路电流为4.2kA。本实用新型的短路波形如图13所示。同样待测IGBT在25.1μs后发生短路故障，此时，驱动根据门极出现的电压尖峰检测到短路故障，并在1.2μs时刻将待测IGBT关断。此刻最大短路电流仅为3600A。

本实用新型根据短路故障对门极与集电极的影响，通过实时检测门极电压和集电极电压，快速判断短路故障，消除了传统退饱和方法中为防止正常开通过程发生的误报故障而设置的消隐时间，提高了短路的保护速率。

而与现有的基于短路电流信息或门极信息提取的保护电路及方法相比，本实用新型检测电路简单，且无需采用运算放大器进行参数提取，降低了电路成本与电路面积，通用性较好。

需要说明的是上述实施例仅是本实用新型的较佳实施例，并没有用来限定本实用新型的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种IGBT短路故障快速保护电路，包括：短路检测电路，门逻辑电路和放大电路；

所述短路检测电路，检测集电极电压和门极电压的状态，以判断是否发生短路故障，并输出故障信号给门逻辑电路；

所述门逻辑电路，根据外部控制器的PWM开关信号与故障信号，判断需要开通还是关断待测IGBT，并向放大电路输出控制信号；

所述放大电路，根据门逻辑电路输出的控制信号，向IGBT输出正驱动电压V_CC或负驱动电压V_EE，实现IGBT的开通与关断；

其中：门逻辑电路接收开关信号V_pwm和故障信号V_fault，并向放大电路输出控制信号V_p；短路检测电路检测待测IGBT的集电极电压V_CE和门极电压V_G，并向门逻辑电路输出故障信号V_fault；放大电路接收控制信号V_p，输出端连接待测IGBT的门极。

2.根据权利要求1所述的IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述短路检测电路，包括：集电极检测电路，门极检测电路，故障判断电路；其中：集电极检测电路输入端检测电路检测集电极电压V_CE，输出端与故障判断电路的第一输入端相连；门极检测电路输入端检测门极电压V_G，输出端与故障判断电路的第二输入端相连；故障判断电路输出端输出故障信号V_fault。

3.根据权利要求2所述的IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述集电极检测电路，实时检测集电极电压状态，包括：二极管D₁，二极管D₂，二极管D₃，电阻R₁，电容C₁，开关Q₁；其中：二极管D₁的阴极接待测IGBT的集电极，阳极与电阻R1的一端，电容C₁的一端，二极管D₂的阳极，二极管D₃的阴极，P型开关管Q₁的基极相连，电阻R1的另一端，二极管D₂的阴极和P型开关管Q₁的发射极与正驱动电压V_CC相连；电容C₁的另一端和二极管D₃的阳极接地。

4.根据权利要求2所述的IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述门极检测电路，采用二极管D₄实时检测门极状态，二极管D₄的阳极连接待测IGBT的门极。

5.根据权利要求2所述的一种IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述故障判断电路，根据门极电压与集电极电压的变化状态，判断是否发生短路故障，并向所述门逻辑电路输出故障信号，包括：电阻R₂，电阻R₃，电阻R₄，P型开关管Q₂，其中：电阻R₂的一端与P型开关管Q₁的集电极，P型开关管Q₂的基极，电阻R₃的一端相连；电阻R₃的另一端连接参考电压V_ref；电阻R₂的另一端与二极管D₄的阴极，P型开关管Q₂的发射极相连，P型开关管Q₂的集电极与电阻R₄的一端相连，并输出故障信号V_fault；电阻R₄的另一端与负驱动电压V_EE相连。

6.根据权利要求3或5所述的IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述P型开关管Q₁和Q₂采用开关速率较快功率开关器件，如BJT或MOSFET。

7.根据权利要求1所述的IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述门逻辑电路，可采用与门或与非门芯片搭建逻辑电路，也可采用数字芯片FPGA/CPLD进行逻辑控制。

8.根据权利要求2所述的IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述门极与集电极电压检测电路，参考电压V_ref的值在IGBT的米勒平台电压与正驱动电压V_CC之间。

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