CN213547476U - Igbt过压保护电路及空调 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种IGBT过压保护电路及空调，所述IGBT过压保护电路，包括设有IGBT的工作电路、通过驱动电阻Rg与所述工作电路连接的驱动电路，还包括：连接所述工作电路和所述驱动电路的保护电路，所述保护电路在所述IGBT过压关断时重新开启所述IGBT；所述驱动电阻Rg一端连接所述工作电路，另一端连接所述驱动电路。与现有技术相比，本实用新型IGBT过压保护电路结构简单，成本低廉，同时可使TVS管能够工作在额定点附近，大大提高了电压钳位的精准度和电路有效性。

Description

IGBT过压保护电路及空调

技术领域

本实用新型涉及电器领域，特别是一种IGBT过压保护电路及空调。

技术背景

IGBT作为一种常用的功率器件，在电源、家用电器和空调等产品中广泛应用，发挥着关键作用。然而在实际应用中，当出现电流过载或者短路时，由于di/dt很高且在换流通路存在杂散电感，会导致电压过冲，这将可能超过IGBT的击穿电压并损坏IGBT 。如果直流母线电压很高，这将会严格限制IGBT的应用范围。因此，驱动电路中通常需要增加钳位电路，保证集电极电位不至于过高。

请参考图1，目前常用的集电极-发射极钳位，利用外置的TVS管Dz和二极管D1。当IGBT集电极处的电位超过了某一特定电压临界值Uce，单向的TVS二极管Dz就会导通且通过电流，这时Q2开通，IGBT被关断。如果Uce电压高于二极管Dz的雪崩电压，电流流过Dz、D1、Rg和Q2。

请参考图2为TVS管的工作特性，正常情况下，TVS管能工作在额定的击穿点附近（工作点1），如果TVS管被击穿后电流剧烈增大，那么TVS则从工作点1下探至工作点2，其电压也会强烈上升，这意味着IGBT的CE电压也会上升，达不到IGBT钳位的效果。同时，TVS管的功耗非常大，导致必须选取封装较大的TVS管，导致物料比较贵、难以购买、误差偏大、结电容过高等特点。

因此，如何设计一种IGBT过压保护电路及空调，能够大大提高IGBT钳位的精准度和有效性，是业界亟待解决的技术问题。

实用新型内容

针对现有技术中IGBT钳位效果不佳的技术问题，本实用新型提出了一种IGBT过压保护电路及空调。

本实用新型的技术方案为，提出了一种IGBT过压保护电路，包括设有IGBT的工作电路、通过驱动电阻Rg与所述工作电路连接的驱动电路，还包括：连接所述工作电路和所述驱动电路的保护电路，所述保护电路在所述IGBT过压关断时重新开启所述IGBT；

所述驱动电阻Rg一端连接所述工作电路，另一端连接所述驱动电路。

进一步，所述保护电路包括：检测所述IGBT电流状态的检测单元、和与所述工作电路连接的控制单元；

所述检测单元检测到所述IGBT过压时发送过压信号给所述控制单元，所述控制单元接收到所述过压信号时控制所述IGBT重新开启。

进一步，所述检测单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和放大器U1；

所述放大器U1的同相输入端串联所述电阻R1后连接到所述电阻Rg和所述工作电路之间，所述放大器U1的反相输入端串联所述电阻R3后连接到所述电阻Rg和所述驱动电路之间，所述电阻R2一端连接在所述电阻R1和所述放大器U1的同相输入端之间，另一端连接电源V-REF，所述电阻R4连接所述放大器U1的反相输入端和输出端，所述放大器U1的输出端还作为所述检测单元的输出连接到所述控制单元的输入。

进一步，所述控制单元包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、三极管Q3和比较器U2；

所述比较器U2的同相输入端作为所述控制单元的输入连接到所述检测单元的输出，所述比较器U2的反相输入端串联所述电阻R5后连接到电源VCC，所述电阻R6一端连接在所述电阻R5和所述比较器U2的反相输入端之间，所述电阻R6的另一端接地，所述比较器U2的输出端串联电阻R7后连接到所述三极管Q3的基极，所述三极管Q3的集电极串联所述电阻R8后连接到所述电源VCC，所述三极管Q3的发射极连接在所述电阻Rg和所述工作电路之间。

进一步，所述工作电路包括IGBT、TVS管Dz、二极管D1，所述IGBT的集电极连接所述TVS管Dz的负极，所述IGBT的栅极连接所述电阻Rg，所述IGBT的发射极接地，所述TVS管Dz的正极连接所述二极管D1的正极，所述二极管D1的负极连接到所述电阻Rg和所述IGBT的栅极之间。

进一步，所述TVS管Dz的电流保护值为Is,所述电源V-REF电压满足：V-REF≥Is*Rg*R2/R1。

进一步，所述电阻R5、电阻R6的计算关系为：Vcc*R6/(R5+R6)=Is*Rg*R2/R1+V-REF。

进一步，所述电阻Rg上电流大于等于Is时，所述放大器U1输出所述过压信号，所述比较器U1接收到所述过压信号并发出高电平信号，所述三极管Q3导通使得所述IGBT重新导通。

进一步，所述驱动电路包括三极管Q1和三极管Q2，所述三极管Q1的集电极连接电源VCC，所述三极管Q1的发射极连接所述三极管Q2的发射极，所述三极管Q2的集电极接地，所述三极管Q1的基极连接所述三极管Q2的基极；所述三极管Q1的基极和所述三极管Q2的基极还连接有PWM信号输入，所述电阻Rg一端连接在所述三极管Q1的发射极和所述三极管Q2的发射极之间，另一端连接在所述IGBT的栅极。

本实用新型还提出了一种空调，所述空调采用上述IGBT过压保护电路。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：

1、本实用新型IGBT过压保护电路结构简单，成本低廉。

2、可以使TVS管工作在额定点附近，大大提高了电压钳位的精准度和电路的有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中集电极-发射极钳位电路结构示意图；

图2为TVS管工作特性示意图；

图3为本实用新型电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本实用新型的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本实用新型的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的***设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

下面结合附图以及实施例对本实用新型的原理及结构进行详细说明。

请参考图3，IGBT过压保护电路，包括设有IGBT的工作电路、通过驱动电阻Rg与工作电路连接的驱动电路，还包括连接工作电路和驱动电路的保护电路，当IGBT在发生过压关断时，保护电路重新开启IGBT。在重新开启IGBT后，能够减少IGBT关断过程中的di/dt，从而减小电压过冲，TVS管工作在额定工作点附近。

电阻Rg为IGBT的驱动电阻，其一端连接工作电路，另一端连接驱动电路，其电阻Rg较大，有利于抑制IGBT的电流上升率以及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗；Rg较小，会引起电流上升速率增大，使IGBT误导通或损坏。Rg的具体数据与驱动电路的具体结构及IGBT的容量有关，一般在几欧~几十欧，小容量的IGBT其Rg值较大。

其中，保护电路包括检测单元和控制单元，检测单元连接驱动电路和控制单元，控制单元连接到工作电路。检测单元用于检测IGBT的电流状态，当IGBT发生过压时，检测单元会发送过压信号给控制单元，控制单元接收到该过压信号后控制IGBT重新开启。

具体的，检测单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和放大器U1；放大器U1的同相输入端串联电阻R1后连接到电阻Rg和工作电路之间，放大器U1的反相输入端串联电阻R3后连接到电阻Rg和驱动电路之间，电阻R2一端连接在电阻R1和放大器U1的同相输入端之间，另一端连接电源V-REF，电阻R4一端连接放大器U1的反相输入端，另一端连接到放大器U1的输出端，放大器U1的输出端还作为检测单元的输出连接到控制单元的输入。

控制单元包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、三极管Q3和比较器U2，比较器U2的同相输入端作为控制单元的输入连接到检测单元的输出，比较器U2的反相输入端串联电阻R5后连接到电源VCC，电阻R6一端连接在电阻R5和比较器U2的反相输入端之间，另一端接地，比较器U2的输出端连接电阻R7后连接到三极管Q3的基极，三极管Q3的的集电极连接电阻R8后连接到电源VCC，三极管Q3的发射极连接在电阻Rg和工作电路之间。

工作电路包括IGBT、TVS管Dz、二极管D1，IGBT的集电极连接TVS管Dz的负极，IGBT的栅极连接电阻Rg，IGBT的发射极接地，TVS管Dz的正极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接到电阻Rg和IGBT的栅极之间。

其中，参见图3中检测单元部分，检测电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和放大器U1构成一个差分放大电路，根据差分放大电路输出端的基本公式可以得到，放大器U1的输出端输出电压为Uc=(Ub-Ua)R2/R1+V_REF，当电路正常工作时，驱动电路给工作电路提供电压，电流方向由a流向b，此时a点的电压会高于b点，故(Ub-Ua)R2/R1的结果为负值，又由于电阻Rg串联在a点和b点之间，可以得出Ua-Ub=I*Rg，由于电阻Rg的大小不变，可知Ua-Ub的值与流过电阻Rg的电流大小成正比，IGBT过压时电流最大，达到TVS管Dz的电流保护值，电流为Is，检测电路用于检测IGBT是否发生过压，故当IGBT发生过压时，Ua-Ub的值最大，也即（Ub-Ua)R2/R1的值为负数且最小，此时需保证放大器U1的输出Uc≥0,即(Ub-Ua)R2/R1+V_REF≥0，可以得出V_REF≥Is*Rg*R2/R1，此情况为电流最大时，保证该条件后可以使得放大器U1得输出端一直具有输出电平。

请参见图3控制单元部分，其中电路由电阻R5、电阻R6、电阻R7和比较器U2以及放大器U1得输出端连接后构成一个比较器电路，当比较器U2的同相输入端电压高于反相输入端电压时，比较器U2输出高电平，比较器U2的同相输入端电压小于反相输入端电压时，比较器U2输出低电平，请参看图3控制单元的三极管Q3部分，三极管Q3的集电极连接到电源Vcc，而发射极连接到IGBT的栅极，基极连接到比较器U2的输出端，可以发现，当三极管Q3导通时，电源Vcc会对IGBT的栅极充电，能够重新开启IGBT，为保证三极管Q3导通，需使三极管Q3的基极电平为高电平，又由于三极管Q3的基极连接到比较器U2的输出端，即只有当比较器U2的输出端输出电平为高电平时，才能使得三极管Q3导通从而使得IGBT重新导通。

由于比较器U2的同相输入端连接到放大器U1的输出端，而放大器U1输出端的输出电平为Uc=(Ub-Ua)R2/R1+V_REF，故为使比较器U2的输出端为高电平，应该有比较器U2反相输入端的电压小于其同相输入端的电压，故U<Uc时，比较器U2输出端输出高电平。本电路的逻辑是为了使电路在IGBT发生过压时导通，其余时间不导通，故当IGBT未发生过压时，需使得比较器U2的反相输入端电压大于其同相输入端电压，此时U>Uc，两者以IGBT是否过压为分界，当IGBT发生过压时，电流为Is，此时Uc=Is*Rg*R2/R1+V-REF，故可以设置比较器U2反相输入端电压U=Is*Rg*R2/R1+V-REF，可以使得当IGBT发生过压时，电流增大，比较器U2输出端输出高电平，而IGBT未发生过压时，比较器U2输出端输出低电平。

故本电路实现了IGBT发生过压时，即流过电阻Rg的电流I≥Is时，放大器U1输出过压信号，过压信号表示为输出电压Uc≥Is*Rg*R2/R1+V_REF时的信号，比较器U2接收到放大器U1输出的过压信号后，输出高电平信号，使三极管Q3导通从而使得IGBT重新导通。

驱动电路为推挽电路，其包括三极管Q1、三极管Q2，三极管Q1的集电极连接电源Vcc，三极管Q1的发射极连接到三极管Q2的发射极，三极管Q2的集电极接地，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极相连并连接有PWM信号输入，电阻Rg一端连接在三极管Q1的发射极和三极管Q2的发射极之间，另一端连接IGBT的栅极。推挽电路工作时，两个对称的三极管每次只有一个导通，所以导通损耗小。当驱动电路输出高电平时，电流方向由a流向b，当驱动电路输出低电平时，电流方向由b流向a，IGBT释放栅极电荷以及TVS管的工作电流会由点b流向点a。

下面对本实用新型的工作原理进行说明，当电路正常工作IGBT没有发生过压时，设定此时流过电阻Rg的电流大小为I₁,可以得出此时放大器U1的输出端输出电压Uc=(Ub-Ua)R2/R1+V_REF=V_REF-I₁*Rg*R2/R1，比较器U2的同相输入端接收到该电平信号后，输出低电平信号，三极管Q3截止，IGBT正常工作。当IGBT过压时，可以得出此时放大器U1的输出端输出电压Uc=(Ub-Ua)R2/R1+V_REF=V_REF-Is*Rg*R2/R1，比较器U2接收到该电平信号后，输出高电平信号，三极管Q3导通，电压Vcc给IGBT栅极的电容Cgs(IGBT

内部自身电容）充电，使IGBT重新导通。IGBT导通后，可以减少IGBT在关断过程中的di/dt，从而减少电压过冲，且TVS管工作在额定工作点附近。

本实用新型还提出了一种空调，所述空调采用上述IGBT过压保护电路。

与现有技术相比，本实用新型IGBT过压保护电路结构简单，成本低廉，同时可以使TVS管工作在额定点附近，大大提高了电压钳位的精准度和电路的有效性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.IGBT过压保护电路，包括设有IGBT的工作电路、通过驱动电阻Rg与所述工作电路连接的驱动电路，其特征在于，还包括：连接所述工作电路和所述驱动电路的保护电路，所述保护电路在所述IGBT过压关断时重新开启所述IGBT；

所述驱动电阻Rg一端连接所述工作电路，另一端连接所述驱动电路；

所述保护电路包括：检测所述IGBT电流状态的检测单元、和与所述工作电路连接的控制单元；

所述检测单元检测到所述IGBT过压时发送过压信号给所述控制单元，所述控制单元接收到所述过压信号时控制所述IGBT重新开启；

所述检测单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和放大器U1；

所述放大器U1的同相输入端串联所述电阻R1后连接到所述电阻Rg和所述工作电路之间，所述放大器U1的反相输入端串联所述电阻R3后连接到所述电阻Rg和所述驱动电路之间，所述电阻R2一端连接在所述电阻R1和所述放大器U1的同相输入端之间，另一端连接电源V-REF，所述电阻R4连接所述放大器U1的反相输入端和输出端，所述放大器U1的输出端还作为所述检测单元的输出连接到所述控制单元的输入；

所述控制单元包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、三极管Q3和比较器U2；

所述比较器U2的同相输入端作为所述控制单元的输入连接到所述检测单元的输出，所述比较器U2的反相输入端串联所述电阻R5后连接到电源VCC，所述电阻R6一端连接在所述电阻R5和所述比较器U2的反相输入端之间，所述电阻R6的另一端接地，所述比较器U2的输出端串联电阻R7后连接到所述三极管Q3的基极，所述三极管Q3的集电极串联所述电阻R8后连接到所述电源VCC，所述三极管Q3的发射极连接在所述电阻Rg和所述工作电路之间。

2.如权利要求1所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述工作电路包括IGBT、TVS管Dz、二极管D1，所述IGBT的集电极连接所述TVS管Dz的负极，所述IGBT的栅极连接所述电阻Rg，所述IGBT的发射极接地，所述TVS管Dz的正极连接所述二极管D1的正极，所述二极管D1的负极连接到所述电阻Rg和所述IGBT的栅极之间。

3.如权利要求2所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述TVS管Dz的电流保护值为Is,所述电源V-REF电压满足：V-REF≥Is*Rg*R2/R1。

4.如权利要求3所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述电阻R5、电阻R6的计算关系为：Vcc*R6/(R5+R6)=Is*Rg*R2/R1+V-REF。

5.如权利要求4所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述电阻Rg上电流大于等于Is时，所述放大器U1输出所述过压信号，所述比较器U1接收到所述过压信号并发出高电平信号，所述三极管Q3导通使得所述IGBT重新导通。

6.如权利要求1所述的IGBT过压保护电路，其特征在于，所述驱动电路包括三极管Q1和三极管Q2，所述三极管Q1的集电极连接电源VCC，所述三极管Q1的发射极连接所述三极管Q2的发射极，所述三极管Q2的集电极接地，所述三极管Q1的基极连接所述三极管Q2的基极；所述三极管Q1的基极和所述三极管Q2的基极还连接有PWM信号输入，所述电阻Rg一端连接在所述三极管Q1的发射极和所述三极管Q2的发射极之间，另一端连接在所述IGBT的栅极。

7.一种空调，其特征在于，所述空调采用如权利要求1至6任意一项权利要求所述的IGBT过压保护电路。

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