一种矩阵式IGBT过流保护电路的制作方法

一种矩阵式igbt过流保护电路
技术领域
[0001]
本实用新型涉及过流保护技术领域，具体为一种矩阵式igbt过流保护电路。


背景技术：

[0002]
基于目前igbt在大电流传输技术得到广泛应用，其短路时会损坏器件本体，及引起电流过热安全的问题。短路时，温度升高会很快超出结温范围，实际过流时反应时间很快，微秒的反应时间，要求实际电路反应时间非常快，在引起损坏之前进行短路保护，要求的电路延迟很短。
[0003]
现在大多数过流保护电路，是利用电流传感器检测调制后的电流输出值进行电压比较，电压比较后输出过流信号 dsp 关断 igbt 的输入信号。 此检测反应时间较慢。电流传感器检测调制后的电流输出值，增加成本，而且可靠性相对较低，有发热损耗等不足。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型的目的是提供一种矩阵式igbt过流保护电路，可以有效解决背景技术中的问题。
[0005]
实现上述目的的技术方案是：一种矩阵式igbt过流保护电路，矩阵式igbt包括多组igbt开关电路，每组igbt开关电路由两个反向串联的 igbt开关组成，igbt开关之间呈矩阵式分布，每个igbt开关对应连接一个过流保护电路模块，其特征在于：过流保护电路模块包括igbt 驱动芯片u4、mcu、稳压二极管d2、电阻r1、r6、r9、二极管d1、电容c1、c2、12v供电电源、15v直流电源、电阻r7、r8、稳压二极管d10、电容c5；
[0006]
igbt 驱动芯片u4的型号为：acpl-335j，igbt 驱动芯片u4的3脚连接12v供电电源的正极，igbt 驱动芯片的1脚和3脚之间还连接有电容c1，电容c1与igbt 驱动芯片u4的1脚连接的一端同时接地，igbt 驱动芯片u4的12脚和16脚均连接15v直流电源的正极；
[0007]
稳压二极管d2的正极连接igbt 驱动芯片u4的13脚、负极连接igbt 驱动芯片u4的14脚，电容c2并联在稳压二极管d2的两端，电阻r9的一端连接稳压二极管d2的负极、另一端串接二极管d1后连接对应igbt开关的c极，电阻r1的一端连接15v直流电源的正极、另一端连接稳压二极管d2的负极；
[0008]
电阻r7的一端连接igbt 驱动芯片的11脚、另一端分别连接igbt开关q1的g极和稳压二极管d10的负极，稳压二极管d10的正极分别连接igbt 驱动芯片的9脚、13脚、igbt开关的e极，电容c5、电阻r8分别并联在稳压二极管d10的两端；
[0009]
igbt 驱动芯片的6脚连接mcu，igbt 驱动芯片u4的8脚通过电阻r6连接mcu。
[0010]
进一步地，过流保护电路模块还包括5v电源、电阻r3、电容c3，电阻r3、电容c3构成rc 滤波，所述电阻r3的一端连接5v电源的正极、另一端分别连接mcu、igbt 驱动芯片u4的6脚以及电容c3的一端，电容c3的另一端接地。
[0011]
进一步地，过流保护电路模块还包括电阻r5，电阻r5的一端连接5v电源、另一端连接igbt 驱动芯片u4的7脚。
[0012]
进一步地，过流保护电路模块还包括二极管d4、电阻r2、稳压二极管d3、d5、d6、d7、d8，二极管d4的负极连接igbt开关q1的g极、正极依次串接电阻r2、稳压二极管d3、d5、d6、d7、d8后连接igbt开关q1的c极。
[0013]
进一步地，过流保护电路模块还包括电阻r4、电容c4，电阻r4、电容c4是构成rc滤波电路，电阻r4的一端所述5v电源的正极，另一端分别连接mcu、igbt 驱动芯片的5脚和电容c4的一端，电容c4的另一端接地。
[0014]
本实用新型的有益效果：
[0015]
本实用新型优势损耗较小，集成了关断时过压的功能，延长了igbt 的使用寿命，矩阵式电路，减少了电流传感器的使用，降低了生产成本，每个过流保护电路能实时检测经过每个 igbt 单元的电流，当流经 igbt 单元中的电流过大时，过流保护电路向驱动模块输出过流信号，驱动模块停止驱动 igbt 单元运行，该反应时间短、可靠性高。
附图说明
[0016]
图1为本实用新型的原理框图；
[0017]
图2为ibgt开关的电流与压降的特性曲线图；
[0018]
图3为本实用新型的电路图。
具体实施方式
[0019]
如图1所示，本实用新型公开了一种矩阵式igbt过流保护电路，矩阵式igbt包括多组igbt开关电路1，每组igbt开关电路1由两个反向串联的 igbt开关q1组成，igbt开关q1之间呈矩阵式分布，每个igbt开关q1对应连接一个过流保护电路模块3。
[0020]
如图2所示，过流保护电路模块3是利用ibgt开关电流与压降的特性曲线，不同的电流ic 对应的不同压降，过流时有明显的压降特性，如电流曲线在一定温度时，对应的电流与压降的不同值，例如vge=15v，温度为175℃时，当ic=20a 时，vce=1.3v ；当ic=40a 时，vce=1.8v ；当ic=80a时，vce=2.75v。
[0021]
vge是igbt开关栅极与发射极的电压， ic是igbt开关集电极的电流, vce 是igbt开关集电极与发射极的压降，在电流80a为时，对应的压降为2.75v ，可以利用这个参数设置过流的值，曲线表格的推算可以，可以得出大于80a 时，此时的压降在2.75v 以上。实际设置保护电流会大于80a,实际瞬间的过电流压降大于设置值，通过不同的验证，igbt 驱动芯片检测过流的典型值电压值3.9v，最小值3.4v，最大值4.4v，选择合理的电路参数，就可以实现过流检测。
[0022]
如图3所示，过流保护电路模块3包括igbt 驱动芯片u4、mcu4、稳压二极管d2、电阻r1、r6、r9、二极管d1、电容c1、c2、12v供电电源、15v直流电源、电阻r7、r8、稳压二极管d10、电容c5。
[0023]
igbt 驱动芯片u4的型号为：acpl-335j，igbt 驱动芯片u4的3脚连接12v供电电源的正极，igbt 驱动芯片的1脚和3脚之间还连接有电容c1，电容c1与igbt 驱动芯片u4的1脚连接的一端同时接地，igbt 驱动芯片u4的12脚和16脚均连接15v直流电源的正极。
[0024]
稳压二极管d2的正极连接igbt 驱动芯片u4的13脚、负极连接igbt 驱动芯片u4的14脚，电容c2并联在稳压二极管d2的两端，电阻r9的一端连接稳压二极管d2的负极、另一端
串接二极管d1后连接对应igbt开关的c极，电阻r1的一端连接15v直流电源的正极、另一端连接稳压二极管d2的负极。
[0025]
电阻r7的一端连接igbt 驱动芯片的11脚、另一端分别连接igbt开关q1的g极和稳压二极管d10的负极，稳压二极管d10的正极分别连接igbt 驱动芯片的9脚、13脚、igbt开关的e极，电容c5、电阻r8分别并联在稳压二极管d10的两端。
[0026]
igbt 驱动芯片的6脚连接mcu4，igbt 驱动芯片u4的8脚通过电阻r6连接mcu4。
[0027]
在igbt开关q1启动期间，电阻r1、电容c2 构成延迟电路，允许igbt开关q1的集电极c的电压低于阈值电压，时间大约7us，开启时不监测过流发生，igbt 驱动芯片u4 的14脚为低电平信号，15v供电电源向电容c2充电，随着电容c2 充电完成，igbt 驱动芯片u4的14脚变化为高电平，指示电源15v上电完成，在开启或闭合igbt q1的瞬间时，稳压二极管d2 起到稳压作用， 使igbt 驱动芯片u4 的14脚电压不高于15v 。
[0028]
igbt 开关q1开启后发生过流时，igbt 驱动芯片u4的14脚监测到igbt开关q1的集电极c的电压升高并大于阈值电压，igbt 驱动芯片u4内部会启动软开关，通过降低igbt 驱动芯片u4的11脚电平，缓慢关闭igbt开关q1，减小电流损耗，同时igbt开关q1内部的光耦电路拉低6脚电平、并向mcu 4发出信号，通过mcu4 进一步控制igbt 驱动芯片u4的8脚光耦，使igbt 驱动芯片u4的11脚输出低电平，断开igbt开关q1，从而在最大的损耗损坏之前把电流关断。
[0029]
电阻r7、r8、稳压二极管d10、电容c5与igbt 驱动芯片的11脚构成igbt驱动电路，用于驱动igbt开关的通断，其中电阻 r7为igbt 限流驱动电阻，稳压二极管d10用于稳压、防止电压高于igbt开关栅极g的电压，电容c5 为滤波电压去除高频干扰，电阻r8 为下拉泄放电阻，确保在关闭时能可靠断开igbt开关q1。
[0030]
过流保护电路模块3还包括5v电源、电阻r3、电容c3，电阻r3、电容c3构成rc 滤波，所述电阻r3的一端连接5v电源的正极、另一端分别连接mcu4、igbt 驱动芯片u4的6脚以及电容c3的一端，电容c3的另一端接地。
[0031]
当igbt 驱动芯片u4的14脚电压超过15v时，通过内部光耦拉低igbt 驱动芯片u4的6脚电平并将信号发送至mcu， 通过mcu 进一步控制igbt 驱动芯片u4的8脚光耦，使igbt 驱动芯片u4的11脚输出低电平，断开igbt开关q1。
[0032]
过流保护电路模块3还包括电阻r5，电阻r5的一端连接5v电源、另一端连接igbt 驱动芯片u4的7脚，用于控制igbt 驱动芯片u4的7脚内部光电二极管。
[0033]
过流保护电路模块3还包括二极管d4、电阻r2、稳压二极管d3、d5、d6、d7、d8，二极管d4的负极连接igbt开关q1的g极、正极依次串接电阻r2、稳压二极管d3、d5、d6、d7、d8后连接igbt开关q1的c极。
[0034]
在igbt开关q1关断而c极出现过压时，电压经过d3、d5、d6、d7、d8 、d4、r2、r8、d10 稳压，反馈到igbt q1的g脚出现高电平，从而开启igbt开关 q1 ，保护igbt开关 q1的c极不受电压冲击。
[0035]
其中二极管d4、电阻r2、稳压二极管d3、d5、d6、d7、d8具体设计参考依赖于实际电路的电压值，如果关断过程中过压产生，二极管d4的电位为高电平，瞬间开启igbt开关q1，使igbt开关q1的vce 间过压减低，减少损耗，或过压冲击。
[0036]
过流保护电路模块3还包括电阻r4、电容c4，电阻r4、电容c4是构成rc滤波电路，电
阻r4的一端所述5v电源的正极，另一端分别连接mcu4、igbt 驱动芯片的5脚和电容c4的一端，电容c4的另一端接地。
[0037]
若igbt 驱动芯片u4的12脚发生欠压时， igbt 驱动芯片u4的11脚输出低电平断开igbt开关q1，同时igbt 驱动芯片u4的5脚延迟10us向mcu 发出igbt开关供电电源电压不足的信号；如果电压恢复正常，即igbt开关q1的12脚电压高于11.2v时，igbt 驱动芯片u4的11脚延迟10us 开启igbt开关q1，同时igbt 驱动芯片u4的11脚输出高电平指示igbt 开关电源恢复正常。