TWM531088U - Ｉｇｂｔ短路檢測保護電路及基於ｉｇｂｔ的可控整流電路 - Google Patents

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TWM531088U
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yong-quan Xie
cheng-zhi Li
guo-bin Shao
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Johnson Controls Tech Co
Johnson Controls Air Conditioning And Refrigeration Wuxi Co Ltd
York Wuxi Air Conditioning And Refrigeration Co Ltd
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Description

IGBT短路檢測保護電路及基於IGBT的可控整流電路
本創作關於一種基於IGBT的可控整流電路及保護電路，具體而言關於一種IGBT短路檢測保護電路及基於IGBT的可控整流電路。
絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作為一種電子開關，絕大多數情況下用於開關直流電壓(實現直流斬波)，因此當IGBT出現短路時，流過IGBT的電流始終為固定方向，因此只要按照這一電流方向設計相應的短路保護電路即可。而當IGBT用作交流電子開關時，若IGBT出現短路，則IGBT中的電流方向由IGBT兩端的電壓極性所決定，亦即當IGBT短路時，電流的方向是不確定的，為了對IGBT進行全面的保護，就必須針對兩個方向分別進行短路保護。常用的IGBT短路保護方法是通過檢測IGBT的集電極與發射極之間的壓降Vce，將其送入驅動光耦內的比較器的同相輸入端，與反向輸入端的一固定閥值進行比較。其原理是根據Vce與Ic之間的關係，當Ic迅速增大時，Vce跟著上升，其中Vce為集電極和發射極之間的壓降，Ic為集電極和發射極之間的電流。因此，當Vce大於反向端的固定閥值時，表示IGBT出現短路，此時比較器翻轉實現短路保護。但該方法只能實現固定電流方向的短路保護，而要實現對兩個方向的短路保護就必須額外增加另一個 方向的短路保護電路，相應的成本也大幅提高。
因此，為解決上述技術問題，有必要提出一種改進的IGBT雙向短路檢測保護電路。
針對現有技術的不足，本創作提出一種改進的IGBT雙向短路檢測保護電路，可以實現對兩個反向串聯IGBT的雙向短路保護，而無需額外增加短路保護電路。
本創作的一個實施例提供一種IGBT短路檢測保護電路，用於IGBT的短路檢測以及保護，該電路包括：驅動單元，其用於生成脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)驅動訊號以控制IGBT的導通；比較單元，其具有閾值引腳和檢測引腳，該閾值引腳與閾值電壓連接，該檢測引腳通過二極體與該IGBT的集電極連接，該檢測引腳為該二極體提供檢測電流，該二極體的陰極與該IGBT的集電極連接，其中該檢測引腳處的電壓大於該閾值電壓時，該驅動單元控制該IGBT關斷。
進一步地，該IGBT的發射極與參考地電壓連接。
進一步地，該驅動單元與比較單元集成在單一晶片內。
本創作的又一個實施例提供一種IGBT短路檢測保護電路，用於對反向串聯的一對IGBT進行短路檢測保護，該一對IGBT包括第一IGBT和第二IGBT，該第一IGBT的發射極與該第二IGBT的發射極連接，該電路包括：驅動單元，其輸出端輸出PWM驅動訊號，且與該第一IGBT和該第二IGBT的柵端連接，以同時控制該第一IGBT和該第二IGBT的導通；比較單元，其具有閾值引腳和檢測引腳，該閾值引腳與閾值電壓連接，該檢測引腳分別通過第一二極體和第二二極體與該第一IGBT和 該第二IGBT的集電極連接，該檢測引腳為該第一二極體和該第二二極體提供檢測電流，該第一二極體和該第二二極體的陰極分別與該第一IGBT和該第二IGBT的集電極連接，其中該檢測引腳處的電壓大於該閾值電壓時，該驅動單元控制該第一IGBT和該第二IGBT關斷。
進一步地，在該第一IGBT和該第二IGBT的集電極和發射極之間分別反向並聯第一續流二極體和第二續流二極體。
進一步地，該驅動單元與該比較單元集成在單一晶片內。
本創作的另一個實施例提供一種基於IGBT的可控整流電路，該基於IGBT的可控整流電路包括：三相交流電源以及三組反相串聯的IGBT單元，其中每組反向串聯的IGBT單元包括第一IGBT和第二IGBT，該第一IGBT的發射極與該第二IGBT的發射極連接，該第一IGBT和該第二IGBT其中之一的集電極與三相交流電源的其中一相連接，該第一IGBT和該第二IGBT其中之另一集電極與另外兩組的IGBT單元的其中之一的集電極連接。
每組IGBT單元還包括：驅動單元，其輸出端輸出PWM驅動訊號，且與該第一IGBT和該第二IGBT的柵端連接，以同時控制該第一IGBT和該第二IGBT的導通；比較單元，其具有閾值引腳和檢測引腳，該閾值引腳與閾值電壓連接，該檢測引腳分別通過第一二極體和第二二極體與該第一IGBT和該第二IGBT的集電極連接，該檢測引腳為該第一二極體和該第二二極體提供檢測電流，該第一二極體和該第二二極體的陰極分別與該第一IGBT和該第二IGBT的集電極連接，其中該檢測引腳處的電壓大於該閾值電壓時，該驅動單元控制該第一IGBT和該第二IGBT關斷。
進一步地，在該第一IGBT和該第二IGBT的集電極和發射極之間分別反向並聯第一續流二極體和第二續流二極體。
進一步地，該三相交流電源的每一相均通過電感與一組IGBT單元連接。
進一步地，該驅動單元與該比較單元集成在單一晶片內。
本創作的IGBT短路檢測保護電路利用IGBT導通時，如果出現短路則電流方向由其兩端電壓的極性所決定的特點，僅通過為每個IGBT增加一個二極體，實現對兩個反向串聯IGBT的雙向短路保護，而無需額外增加短路保護電路。
進一步地，本創作利用一個內含比較器的驅動晶片，同時實現對兩個反向串聯的IGBT的雙向短路保護功能，該雙向短路保護功能均由硬體觸發，實現軟關斷，從而在簡化電路的同時大大降低了成本，並提高了電路的穩定性。
C‧‧‧集電極
D、D1~D12‧‧‧二極體
E‧‧‧發射極
IC‧‧‧驅動晶片
IC1‧‧‧第一驅動晶片
IC2‧‧‧第二驅動晶片
IC3‧‧‧第三驅動晶片
IGBT、IGBT1~IGBT6‧‧‧絕緣閘雙極電晶體
L1、L2、L3‧‧‧電感
PWM、PWM1~PWM3‧‧‧脈波寬度調變
R‧‧‧R相
S‧‧‧S相
T‧‧‧T相
Vdesat‧‧‧檢測引腳
本創作的下列圖式在此作為本創作的一部分用於理解本創作。圖式中示出了本創作的實施例及其描述，用來解釋本創作的原理。
圖1示出了根據本創作一實施例的IGBT短路檢測保護電路的電路示意圖。
圖2示出了根據本創作一實施例的反向串聯的IGBT對短路檢測保護電路的電路示意圖。
圖3示出了根據本創作一實施例的基於IGBT可控整流電路的電路示意圖。
圖4用於說明圖3所示可控整流電路中在第一電流方向的IGBT短路檢測保護原理。
圖5用於說明圖3所示可控整流電路中在第二電流方向的IGBT短路檢測保護原理。
圖6示出了根據本創作另一實施例的基於IGBT整流電路的電路示意圖。
在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本創作更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員而言顯而易見的是，本創作可以無需一個或複數個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本創作發生混淆，對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。
應當理解的是，本創作能夠以不同形式實施，而不應當解釋為局限於這裡提出的實施例。相反地，提供這些實施例將使揭露徹底和完全，並且將本創作的範圍完全地傳遞給本領域技術人員。自始至終相同元件符號表示相同的元件。
為了徹底理解本創作，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及詳細的結構，以便闡釋本創作的技術方案。本創作的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本創作還可以具有其他實施方式。
基於前述原理，根據Vce與Ic之間的關係，當Ic迅速增大時，Vce跟著上升，本創作提供一種IGBT短路檢測保護電路，用於IGBT的短路檢測以及保護，如圖1所示，該電路包括內含比較器的驅動晶片IC，該驅動晶片可以輸出PWM驅動訊號來控制IGBT的導通和關斷，亦即PMW驅動訊號為高位準時，IGBT導通，PMW驅動訊號為低位準時，IGBT關斷。驅動晶片IC內的比較器具有閾值引腳和檢測引腳Vdesat，該閾值引腳為反相 輸入端，其與閾值電壓連接，該檢測引腳Vdesat為同相輸入端，其通過二極體D與IGBT的集電極C連接，該檢測引腳Vdesat通過驅動晶片內部的恒流源為該二極體D提供檢測電流，比如大小為250μA的檢測電流，該二極體D的陰極與該IGBT的集電極C連接，IGBT的集電極C與輸入電壓連接，IGBT的發射極E與驅動訊號參考地電壓連接，當IGBT導通時，電流從集電極流向發射極，此時二極體D也導通，檢測引腳Vdesat的輸入電壓為二極體D的壓降+IGBT集電極和發射極之間的壓降Vce，如果IGBT出現短路，則集電極和發射極之間的電流Ic增大，因而集電極和發射極之間的壓降Vce也增大，當該檢測引腳處Vdesat的電壓大於該閾值電壓，比如圖1中所述7V時，驅動晶片內的比較器翻轉，進而驅動晶片輸出的PWM驅動訊號變為低位準，該IGBT關斷，實現短路保護。
基於上述IGBT短路檢測保護電路，本創作還提供一種IGBT短路檢測保護電路，用於對反相串聯的一對IGBT進行短路檢測保護，如圖2所示，該一對IGBT包括第一IGBT(IGBT1)和第二IGBT(IGBT2)，該第一IGBT的發射極E與該第二IGBT的發射極E連接，該第一IGBT的集電極與輸入電壓連接。內含比較器的驅動晶片IC輸出端輸出PWM驅動訊號，且與該第一IGBT和該第二IGBT的柵端連接，以同時控制該第一IGBT和該第二IGBT的導通。驅動晶片IC內的比較器具有閾值引腳和檢測引腳Vdesat，該閾值引腳與閾值電壓連接，該檢測引腳Vdesat分別通過第一高壓隔離二極體D1和第二高壓隔離二極體D3與該第一IGBT和該第二IGBT的集電極連接，該檢測引腳Vdesat為該第一高壓隔離二極體D1和該第二高壓隔離二極體D3提供檢測電流，該第一高壓隔離二極體D1和該第二高壓 隔離二極體D3的陰極分別與該第一IGBT和該第二IGBT的集電極C連接。
此外，在該第一IGBT和該第二IGBT的集電極C和發射極E之間分別反向並聯第一續流二極體D2和第二續流二極體D4。此處的所謂反向並聯，亦即該IGBT和該續流二極體之間只有一個可以導通。
該檢測引腳Vdesat輸入的電壓大於該閾值電壓時，該驅動晶片IC輸出的PWM驅動訊號變為低位準，該第一IGBT和第二IGBT關斷。具體地，當電流按照IGBT1→續流二極體D4方向流動時，第一方向電流的Vce電壓獲取單元D1會即時獲取IGBT1兩端的壓降，並將其送入比較器的同相輸入端Vdesat與反向輸入端的閥值進行比較，從而實現第一方向電流的短路保護。當電流按照IGBT2→續流二極體單元D2方向流動時，第二方向電流的Vce電壓獲取單元D3會即時獲取IGBT2兩端的壓降，並將其送入比較器的同相輸入端Vdesat與反向輸入端的閥值進行比較，從而實現第二方向電流的短路保護。
進一步地，本創作上述電路提供了一種基於IGBT的可控整流電路，如圖3所示，該整流電路包括三相交流電源，該三相交流電源具有三相輸入R、S和T，每一相輸入分別連接對應的儲能電感L1、L2、L3，並且每相輸出分別與一組反向串聯的IGBT單元連接。
如圖3所示，R相輸出通過電感L1與第一組反向串聯的IGBT單元連接，第一組IGBT單元包括第一IGBT(IGBT 1)和第二IGBT(IGBT 2)，該第一IGBT(IGBT 1)的發射極與該第二IGBT(IGBT 2)的發射極極連接，該第一IGBT(IGBT 1)的集電極與R相連接，該第二IGBT(IGBT 1)的集電極與另外兩組的IGBT 單元的其中之一的集電極連接。第一組IGBT單元還包括短路檢測保護電路，該短路檢測保護電路包括內含比較器的第一驅動晶片IC1以及高壓隔離二極體和續流二極體。其中第一驅動晶片IC1輸出端輸出PWM1驅動訊號，且與該第一IGBT和該第二IGBT的柵端連接，以同時控制該第一IGBT和該第二IGBT的導通。第一驅動晶片IC1內的比較器具有閾值引腳和檢測引腳Vdesat，該閾值引腳與閾值電壓連接，該檢測引腳Vdesat分別通過第一二極體D1和第二二極體D3與該第一IGBT和第二IGBT的集電極連接，該檢測引腳Vdesat為該第一二極體D1和該第二二極體D3提供檢測電流，該第一二極體D1和該第二二極體D3的陰極分別與該第一IGBT和該第二IGBT的集電極C連接。在該第一IGBT和嘎第二IGBT的集電極C和發射極E之間分別反向並聯第一續流二極體D2和第二續流二極體D4。
類似地，L相輸出通過電感L2與第二組反向串聯的IGBT單元連接，T相輸出通過電感L3與第三組反向串聯的IGBT單元連接，第二組反向串聯的IGBT單元由第三IGBT(IGBT 3)、第四IGBT(IGBT 4)、第三高壓隔離二極體D5、第四高壓隔離二極體D7、第三續流二極體D6、第四續流二極體D8以及第二驅動晶片IC2構成。第三組反向串聯的IGBT單元由第五IGBT(IGBT 5)、第六IGBT(IGBT 5)、第五高壓隔離二極體D9、第六高壓隔離二極體D11、第五續流二極體D10、第六續流二極體D12以及第三驅動晶片IC3構成。第二組反向串聯和第三組反向串聯的IGBT單元的連接與第一組反向串聯的IGBT單元的連接類似，在此不再贅述。
此外，第二IGBT、第四IGBT、第六IGBT的集電極彼此連接。
上述構成了本創作的基於IGBT的可控整流電路，其與常規三開關兩位準的APFC電路的整流原理類似，在此不再贅述。下面結合圖4圖和圖5來說明本實施例中可控整流電路的IGBT的短路檢測保護。
在此，以R相和S相之間的電流為例進行說明，其它相之間的情形類似。如圖4所示，當PWM1、PWM2均為高位準且RS之間電壓為正半周時，電流方向為R→L1→IGBT1→D4→IGBT4→D6→L2→S(圖4虛線箭頭所示方向)。由於PWM1為高位準，因此IGBT1和IGBT2均處於導通狀態，但是根據RS之間的電壓極性，IGBT1中有電流流過，此時二極體D1導通，而IGBT2中無電流流過，二極體D3截止，因此第一驅動晶片IC1內的比較器的同相輸入端Vdesat的電壓=二極體D1上的電壓+IGBT1兩端的壓降。同理，二極體D7導通，而二極體D5截止，第二驅動晶片IC2內的比較器的同相輸入端Vdesat=二極體D7上的電壓+IGBT4兩端的壓降。
當IGBT出現短路時，IGBT兩端的壓降急劇增大，當驅動晶片IC1/IC2的同相輸入端Vdesat的電壓大於反向輸入端設定的閥值時，驅動晶片IC1/IC2自動對驅動訊號PWM軟關斷(亦即，變為低位準)，從而實現電流從R→S方向的短路保護。
如圖5所示，當PWM1、PWM2均為高位準且RS之間電壓為負半周時，電流方向由S→L2→IGBT3→D8→IGBT2→D2→L1→R(圖5虛線箭頭所示方向)。由於PWM2為高位準，因此IGBT3和IGBT4均處於導通狀態，但是根據RS之間的電壓極性，IGBT3中有電流流過，此時二極體D5導通，而IGBT4中無電流流過，二極體D7截止，第二驅動晶片IC2內的比較器的同相輸入端Vdesat的電壓=二極體D5上的電壓+IGBT3兩端的 壓降。
同理，二極體D3導通，而二極體D1截止，第一驅動晶片IC1內的比較器的同相輸入端Vdesat=二極體D3上的電壓+IGBT2兩端的壓降。
當IGBT出現短路時，IGBT兩端的壓降急劇增大，當驅動晶片IC1/IC2的同相輸入端的電壓大於反向輸入端設定的閥值時，驅動光耦自動對驅動訊號軟關斷，從而實現電流從S→R方向的短路保護。
可以理解的是，在上述實施例中，用於控制IGBT導通的驅動訊號和比較器集成在驅動晶片IC內，這樣可以簡化電路，提供穩定性，但是也可以根據需要使用分立的器件，亦即IGBT的驅動訊號和集電極和發射極之間電壓的檢測分別通過提供驅動訊號PWM的驅動單元和比較單元實現，其同樣可以實現上述IGBT的短路檢測保護功能，具體電路如圖6所示，本領域技術人員根據前述說明，易於明白，在此不再贅述。
本創作已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本創作限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本創作並不局限於上述實施例，根據本創作的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本創作所要求保護的範圍以內。本創作的保護範圍由隨附的申請專利範圍及其等效範圍所界定。
D1~D12‧‧‧二極體
IC1‧‧‧第一驅動晶片
IC2‧‧‧第二驅動晶片
IC3‧‧‧第三驅動晶片
IGBT1~IGBT6‧‧‧絕緣閘雙極電晶體
L1、L2、L3‧‧‧電感
PWM1~PWM3‧‧‧脈波寬度調變
R‧‧‧R相
S‧‧‧S相
T‧‧‧T相
Vdesat‧‧‧檢測引腳

Claims (10)

  1. 一種絕緣閘雙極電晶體(IGBT)短路檢測保護電路，用於絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的短路檢測以及保護，該電路包括：驅動單元，其用於生成脈波寬度調變(PWM)驅動訊號以控制該絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的導通；以及比較單元，其具有閾值引腳和檢測引腳，該閾值引腳與閾值電壓連接，該檢測引腳通過二極體與該絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的集電極連接，該檢測引腳為該二極體提供檢測電流，該二極體的陰極與該絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的集電極連接；該檢測引腳處的電壓大於該閾值電壓時，該驅動單元控制該絕緣閘雙極電晶體(IGBT)關斷。
  2. 如請求項1所記載之絕緣閘雙極電晶體(IGBT)短路檢測保護電路，其中該絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的發射極與該驅動訊號的參考地電壓連接。
  3. 如請求項1所記載之絕緣閘雙極電晶體(IGBT)短路檢測保護電路，其中該驅動單元與該比較單元集成在單一晶片內。
  4. 一種絕緣閘雙極電晶體(IGBT)短路檢測保護電路，用於對反向串聯的一對絕緣閘雙極電晶體(IGBT)進行短路檢測保護，該一對絕緣閘雙極電晶體(IGBT)包括第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)，該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的發射極與該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的發射極連接，該電路包括：驅動單元，其輸出端輸出脈波寬度調變(PWM)驅動訊號，且與該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙 極電晶體(IGBT)的柵端連接，以同時控制該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的導通；以及比較單元，其具有閾值引腳和檢測引腳，該閾值引腳與閾值電壓連接，該檢測引腳分別通過第一二極體和第二二極體與該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的集電極連接，該檢測引腳為該第一二極體和該第二二極體提供檢測電流，該第一二極體和該第二二極體的陰極分別與該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的集電極連接；該檢測引腳處的電壓大於該閾值電壓時，該驅動單元控制該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)關斷。
  5. 如請求項4所記載之絕緣閘雙極電晶體(IGBT)短路檢測保護電路，其中在該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的集電極和發射極之間分別反向並聯第一續流二極體和第二續流二極體。
  6. 如請求項4所記載之絕緣閘雙極電晶體(IGBT)短路檢測保護電路，其中該驅動單元與該比較單元集成在單一晶片內。
  7. 一種基於絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的可控整流電路，包括：三相交流電源以及三組反相串聯的絕緣閘雙極電晶體(IGBT)單元，每組反向串聯的絕緣閘雙極電晶體(IGBT)單元包括第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)，該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的發射極與該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的發射極連接，該第一絕緣閘雙 極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)其中之一的集電極與該三相交流電源的其中一相連接，該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)其中之另一的集電極與另外兩組的絕緣閘雙極電晶體(IGBT)單元的其中之一的集電極連接；每組絕緣閘雙極電晶體(IGBT)單元還包括：驅動單元，其輸出端輸出脈波寬度調變(PWM)驅動訊號，且與該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的柵端連接，以同時控制該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的導通；比較單元，其具有閾值引腳和檢測引腳，該閾值引腳與閾值電壓連接，該檢測引腳分別通過第一二極體和第二二極體與該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的集電極連接，該檢測引腳為該第一二極體和該第二二極體提供檢測電流，該第一二極體和該第二二極體的陰極分別與該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的集電極連接；該檢測引腳處的電壓大於該閾值電壓時，該驅動單元控制該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)關斷。
  8. 如請求項7所記載之基於絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的可控整流電路，其中在該第一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和該第二絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的集電極和發射極之間分別反向並聯第一續流二極體和第二續流二極體。
  9. 如請求項7所記載之基於絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的可控整流電路，其中該三相交流電源的每一相均通過電感與一組絕緣閘雙極電晶體(IGBT)單元連接。
  10. 如請求項7所記載之基於絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的可控整流電路，其中該驅動單元與該比較單元集成在單一晶片內。
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