基于电感电流变化率的IGBT短路保护电路和方法与流程

基于电感电流变化率的igbt短路保护电路和方法
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于电感电流变化率的igbt短路保护电路、igbt电路和保护方法。


背景技术：

2.igbt短路保护伴随着igbt应用和发展，短路故障工况下需要快速可靠的关断igbt，以防止更严重的故障发生。当电力电子回路发生桥臂短路时，整个短路回路处于低感状态，短路电流迅速上升，在几个us的时间内达到甚至超过igbt的极限电流能力，同时igbt退饱和也非常迅速，高压大电流下，极易发生igbt失效。针对低感回路下igbt桥臂直通短路保护成为设计的难点和关键。现有的igbt保护功能大部分通过模拟电路检测igbt发生退饱和进行过流保护或检测igbt封装电感上的电流变化率进行积分，通过比较器与设定值比较判断igbt是否发生短路，然后通过功率驱动放大级关断igbt。整个保护链路存在一定的滤波和驱动关断时延，对于桥臂短路，无法实现igbt快速关断而导致igbt失效；另外现有igbt短路保护回路复杂，电路延迟和短路信号滤波导致保护存在很大的延迟，对于桥臂直通过流无法达到快速可靠的保护。
3.目前大多数针对igbt过流和短路保护提出的解决方案分为以下几种：
4.第一种，通过二极管检测igbt的管压降(集电极和发射极电压vce)，当管压降超过设定电压值即判定发生过流或短路，进而执行驱动保护，电路相对简单，但由于igbt从阻断到导通存在开通过程，需要经过固有的开通时间，为防止保护功能的误动作，保护需要一定的消隐时间(故障信号滤波)，通常为几个us，保护响应速度较慢，无法实现极端工况下igbt的可靠保护；
5.第二种，通过阻容检测igbt的集电极和发射极导通压降vce，与第一种方法相似，保护功能需要一定的消隐时间，保护响应慢，保护功能不完善；
6.第三种如专利申请“基于瞬时功率损耗保护中高压igbt模块短路的方法”中所述，需要采集igbt器件的导通电流ic和管压降vce并通过乘法器，由于高dv/dt、d i/dt及强电磁环境，导通电流和管压降采集数据精确度不高，极容易受到干扰，同时电路复杂，可靠性大大降低，故障风险增加；
7.第四种，通过检测igbt过流或短路时模块内部封装电感的电流变化率d i/dt，再通过积分与预设值的门槛值进行比较，判断器件是否发生过流和短路，进而实施驱动保护，同样此方法电路复杂，需要经过逻辑处理进行故障保护，时延较长，无法实现特殊短路工况下的igbt短路保护。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种检测快速、关断响应迅速的基于电感电流变化率的igbt短路保护电路、igbt电路和方法。
9.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
10.一种基于电感电流变化率的igbt短路保护电路，包括
11.检测单元，用于检测igbt内部封装电感或杂散电感的电流变化率；
12.故障信号产生单元，其输入端与所述检测单元的输出端相连，用于在电流变化率超过设定阈值时输出故障信号；
13.故障信号保持单元，其输入端与所述故障信号产生单元的输出端相连，用于对故障信号进行保持；
14.关断信号产生单元，其输入端与所述故障保持单元的输出端相连，其输出端直接与igbt的栅极相连，用于在接收到故障信号时产生关断信号至igbt的栅极。
15.作为上述技术方案的进一步改进：
16.所述故障信号保持单元的输出端与igbt驱动单元的输入端相连，用于将故障信号发送至igbt驱动单元进行igbt驱动信号的封锁并关断igbt。
17.所述检测单元包括电阻r5～r7、稳压二极管d2、二极管d3和二极管d4；其中电阻r6的一端连接到igbt的辅助端子e，另一端连接到稳压二极管d2的阴极，稳压二极管d2的阳极连接到故障信号产生单元的其中一个输入端，故障信号产生单元的另一个输入端依次串联r5和r7后连接二极管d4的阳极，二极管d4的阴极与igbt的主端子e连接；二极管d3的阴极连接到r5和r7的公共端，d3人阳极连接到负电源。
18.所述故障信号产生单元为光耦隔离单元。
19.所述光耦隔离单元包括光电耦合器u2，所述光电耦合器u2内部的发光二极管的阳极连接二极管d2的阳极，发光二极管的阴极与电阻r5相连。
20.所述故障保持单元包括电阻r4和电容c1，其中电阻r4的一端和电容c1的一端相连，并连接至光电耦合器u2的输出端，电阻r4的另一端连接到电源vcc，电容c1的另一端连接到负电源。
21.所述关断信号产生单元包括开关器件v1、驱动器u1、电阻r1～r3和二极管d1，其中驱动器u1的输入端与光电耦合器u2的输出端相连，所述驱动器u1的输出端连接电阻r3的一端，电阻r3的另一端连接电阻r2的一端和开关器件v1的栅极，所述电阻r2的另一端连接到开关器件v1的漏极并连接到负电源，所述开关器件v1的源极连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端连接二极管d1的阴极，所述二极管d1的阳极直接与igbt的栅极相连。
22.所述开关器件为mosfet。
23.本发明还公开了一种igbt电路，包括igbt和igbt驱动单元，所述igbt驱动单元与所述igbt的栅极相连；还包括如上所述的基于电感电流变化率的igbt短路保护电路。
24.本发明进一步公开了一种基于如上所述的基于电感电流变化率的igbt短路保护电路的保护方法，包括步骤：
25.1)检测单元实时检测igbt内部封装电感或杂散电感的电流变化率；
26.2)故障信号产生单元在电流变化率超过设定阈值时输出故障信号；
27.3)故障信号保持单元对故障信号进行保持，以发送至关断信号产生单元；
28.4)关断信号产生单元在接收到故障信号时产生关断信号至i gbt的栅极，以关断igbt。
29.作为上述技术方案的进一步改进：
30.在步骤3)中，发送故障信号至关断信号产生单元的同时，还发送故障信号至igbt
驱动单元，以封锁驱动信号并关断igbt。
31.与现有技术相比，本发明的优点在于：
32.本发明适用于大功率igbt模块桥臂直通工况下的快速保护，用于电力电子回路在发生igbt桥臂直通短路故障时，通过检测单元检测igbt内部封装电感或杂散电感上感应的电流变化率(短路电压值)，当电流变化率(短路电压值)超过设定值时，触发故障信号产生单元产生故障信号，故障信号经过故障信号保持单元进行保持，并输出给关断信号产生单元以产生关断信号直接关断igbt；上述方案中，通过检测单元检测igbt内部封装电感或杂散电感上感应的电流变化率来判断igbt是否发生短路，检测快速；其中关断信号直接作用于igbt的栅极，未经过复杂逻辑电路和igbt驱动单元，延时时间短，响应迅速；上述整体方案原理简单，电路结构简单、可靠性高，响应迅速，作为现有igbt短路保护功能的完善和补充，可解决现有igbt短路保护方案时延和复杂的问题，实现igbt桥臂短路后快速故障触发和保护。
33.本发明在输出故障信号至关断信号产生单元的同时，将故障信号反馈给igbt驱动单元，进行驱动信号的封锁并关断igbt，进一步提高关断的可靠性。
34.本发明通过光电隔离单元(光电耦合器)实现了检测单元与保护电路、以及故障反馈信号的电气隔离，可实现同桥臂上下管电力电子器件以及不同桥臂间电力电子器件的短路保护，通过性强且用途广泛。
附图说明
35.图1为本发明的保护电路在具体应用时的方框结构图。
36.图2为本发明的保护电路在具体应用时的电路原理图。
具体实施方式
37.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
38.如图1所示，本实施例的基于电感电流变化率的igbt短路保护电路，包括
39.检测单元，用于检测igbt内部封装电感(或杂散电感)的电流变化率，从而得到封装电感上的短路电压值
△
u＝lσ*di/dt；
40.故障信号产生单元，其输入端与检测单元的输出端相连，用于在电流变化率(或者短路电压值)超过设定阈值时输出故障信号；
41.故障信号保持单元，其输入端与故障信号产生单元的输出端相连，用于对故障信号进行保持；
42.关断信号产生单元，其输入端与故障保持单元的输出端相连，其输出端直接与igbt的栅极相连，用于在接收到故障信号时产生关断信号至igbt的栅极。
43.本发明适用于大功率igbt模块桥臂直通工况下的快速保护，用于电力电子回路在发生igbt桥臂直通短路故障时，通过检测单元检测igbt内部封装电感(或杂散电感)上感应的电流变化率(短路电压值)，当电流变化率(短路电压值)超过设定值时，触发故障信号产生单元产生故障信号，故障信号经过故障信号保持单元进行保持，并输出给关断信号产生单元以产生关断信号直接关断igbt；上述方案中，通过检测单元检测igbt内部封装电感或杂散电感上感应的电流变化率来判断igbt是否发生短路，检测快速；其中关断信号直接作
用于igbt的栅极，未经过复杂逻辑电路和igbt驱动单元，延时时间短，响应迅速；上述整体方案原理简单，可靠性高，响应迅速，作为现有igbt短路保护功能的完善和补充，可解决现有igbt短路保护方案时延和复杂的问题，实现igbt桥臂短路后快速故障触发和保护。
44.进一步地，故障信号保持单元的输出端与igbt驱动单元的输入端相连，用于将故障信号发送至igbt驱动单元进行igbt驱动信号的封锁并关断igbt，进一步提高igbt关断的可靠性。
45.如图2所示，本实施例中，检测单元包括电阻r5～r7、稳压二极管d2、二极管d3和二极管d4；其中电阻r6的一端连接到igbt的辅助端子e(辅助端子e连接0电平gnd)，另一端连接到稳压二极管d2的阴极，稳压二极管d2的阳极连接到故障信号产生单元的其中一个输入端，故障信号产生单元的另一个输入端依次串联r5和r7后连接二极管d4的阳极，二极管d4的阴极与igbt的主端子e连接；二极管d3的阴极连接到r5和r7的公共端，d3的阳极连接到负电源(如-15v)；其中辅助端子e与主端子e之间则为封装电感lσ；上述检测单元电路结构简单、易于实现。
46.如图2所示，本实施例中，故障信号产生单元为光耦隔离单元；光耦隔离单元包括光电耦合器u2，光电耦合器u2内部的发光二极管的阳极连接二极管d2的阳极，发光二极管的阴极与电阻r5相连。通过光耦隔离单元实现电平转换以及电气隔离，通用性强，用途广泛。其中u2通过vcc和-15v供电(电源电压与u2参数相关，此处vcc为-10v，供电电压为+5v)。
47.如图2所示，本实施例中，故障保持单元包括电阻r4和电容c1，其中电阻r4的一端和电容c1的一端相连，并连接至光电耦合器u2的输出端，电阻r4的另一端连接到电源vcc，电容c1的另一端连接到负电源(如-15v)；另外电阻r4与电容c1的公共端还连接到igbt驱动单元的故障输入端a，以提供故障信号至igbt驱动单元。故障保持单元的电路结构简单，易于实现。
48.如图2所示，本实施例中，关断信号产生单元(图1中的功率放大执行单元)包括mosfet器件v1、驱动器u1、电阻r1～r3和二极管d1，其中驱动器u1由gnd和-15v供电(供电电压为+15v)，其输入端ina与光电耦合器u2的输出端相连，驱动器u1的输出端连接电阻r3的一端，电阻r3的另一端连接电阻r2的一端和mosfet器件v1的栅极，电阻r2的另一端连接到mosfet器件v1的漏极并连接到负电源，mosfet器件v1的源极连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端连接二极管d1的阴极，二极管d1的阳极直接与igbt的栅极相连。关断信号产生单元的电路结构简单、易于实现。
49.上述整体保护电路的结构简单、易于实现。
50.本发明进一步公开了一种基于如上所述的基于电感电流变化率的igbt短路保护电路的保护方法，包括步骤：
51.1)检测单元实时检测igbt内部封装电感(或杂散电感)的电流变化率di/dt，也即得到短路电压值
△
u＝lσ*di/dt；
52.2)故障信号产生单元在电流变化率(也即短路电压值)超过设定阈值时输出故障信号；
53.3)故障信号保持单元对故障信号进行保持，并发送故障信号至关断信号产生单元；
54.4)关断信号产生单元在接收到故障信号时产生关断信号至igbt的栅极，以关断
igbt。
55.本实施例中，在步骤3)中，发送故障信号至关断信号产生单元的同时，还发送故障信号至igbt驱动单元，以封锁驱动信号并关断igbt，进一步提高关断的可靠性。
56.如图1和图2所示，本发明还公开了一种igbt电路，包括igbt、igbt驱动单元和如上所述的基于电感电流变化率的igbt短路保护电路，其中igbt驱动单元与igbt的栅极相连。本发明的igbt电路包括如上所述的保护电路，同样具有如上保护电路所述的优点。
57.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。