Igbt管保护方法、保护电路以及使用该保护电路的功率模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种IGBT管保护电路以及使用该保护电路的功率模块。
【背景技术】
[0002]智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成在一起，与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速、伺服驱动、电力牵引、冶金机械、变频家电的一种理想电力电子器件。
[0003]IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘棚.双极型晶体管)是智能功率模块内重要的器件，其额定驱动电压是15V(由智能功率模块的电源电压提供)，在该电压下IGBT管一般工作在饱和区，集电极和发射极之间的电压非常小，一般要小于5V。而IGBT管在导通时的饱和压降与其栅极驱动电压有关，在集电极电流不变的条件下，IGBT管的栅极驱动电压在低于某一固定电压时，IGBT管将进入线性区，导通时其集电极与发射极之间的集电极-发射极压降Vce会呈指数级急剧上升，如图1所示，其中，IC = 5A、Ic = 10A、Ic = 15A所指的三根曲线分别表示集电极电流为5A、1A和15A时的情况。这导致了 IGBT管在相同的电流下，发热量急剧增加。在实际工作过程中，由于某些原因会造成智能功率模块的工作电压不稳定，出现低于15V的情况，S卩IGBT管的栅极驱动电压低于15V，此时智能功率模块的IGBT管有可能会处在线性区，导致IGBT发热量急剧增加，严重时会烧坏IGBT管，甚至智能功率模块发生爆炸。
[0004]为解决这一问题，现有大多数的智能功率模块内部均设置有电源电压欠压保护功能，即当智能功率模块的工作电压(或驱动电压)低于欠压保护值时，其内部内置的欠压保护电路触发欠压保护，使得智能功率模块的内部上桥臂和下桥臂的各IGBT管全部处于截止状态，从而起到保护智能功率模块免受过热而损坏的作用。
[0005]然而，对于不同的IGBT管来说，集电极-发射极间压降Vce与其栅源极驱动电压Vge的关系曲线也是不同的，不同的IGBT管在同一电流下进入线性区的栅源极驱动电压是不一样的；而且即使是同一个IGBT管，随着工作时间的增加，其集电极-发射极压降Vce与其栅源极驱动电压Vce的关系曲线也会发生变化。
[0006]此外智能功率模块一般包含上桥臂和下桥臂共有6个IGBT管，而设置的欠压保护值往往是一个固定的值。假如智能功率模块设的欠压保护值并不恰当，那么会发生以下两种情况:(I)欠压保护触发值设置得过高，将导致智能功率模块频繁的发生欠压保护，其内部IGBT管频繁的截止，使得系统无法正常工作；(2)欠压保护触发值设置得过低，那么智能功率模块内部的部分IGBT管或者全部IGBT管长期处于线性区，其导通时发热量过大，轻则会造成智能功率模块的温升过高而影响智能功率模块的寿命，重则由于智能功率模块内部热积聚过高而出现IGBT管损坏甚至炸毁。
[0007]因此，本领域亟需一种改善的用于IGBT管的保护方案。
【发明内容】
[0008]因此，本发明的目的在于提供一种IGBT管保护方法，以解决【背景技术】中存在的不足。
[0009 ]本发明的IGBT管保护方法，包括以下步骤:
[0010]a)检测IGBT管的集电极-发射极电压；
[0011]b)当所述IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于一安全阈值时，产生欠压保护控制信号；以及
[0012]c)所述欠压保护控制信号关闭一驱动电路，使所述IGBT管截止。
[0013]在上述IGBT管保护方法中，所述步骤a)还包括根据所述集电极-发射极电压，产生电压检测信号；
[0014]所述步骤b)包括当所述电压检测信号表示所述IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于所述安全阈值时，产生欠压保护控制信号。
[0015]在上述IGBT管保护方法中，所述产生电压检测信号的步骤包括:
[0016]al)在所述IGBT管截止时，输出表示所述IGBT管截止的所述电压检测信号；
[0017]a2)在所述IGBT管的集电极-发射极电压高于所述安全阈值时，输出表示所述IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于所述安全阈值的所述电压检测信号；
[0018]a3)在所述IGBT管的集电极-发射极电压不高于所述安全阈值时，输出表示所述IGBT管进入饱和导通的所述电压检测信号。
[0019]在上述的IGBT管保护方法中，所述安全阈值大于或等于所述IGBT管集电极-发射极的饱和电压。
[0020]在上述的IGBT管保护方法中，所述安全阈值等于所述IGBT管集电极-发射极的1.5倍。
[0021]本发明还提供一种IGBT管保护电路，包括:
[0022]欠压保护控制信号产生电路，检测一IGBT管的集电极-发射极电压，当所述IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于一安全阈值时，产生欠压保护控制信号；
[0023]驱动电路，与所述欠压保护控制信号产生电路耦接，根据所述欠压保护控制信号，关闭所述驱动电路，使所述IGBT管截止。
[0024]在上述的IGBT管保护电路中，欠压保护控制信号产生电路包括:
[0025]电压检测电路，检测所述IGBT管的集电极-发射极电压，在所述IGBT管截止时，输出表示所述IGBT管截止的电压检测信号；在所述IGBT管的集电极-发射极电压高于所述安全阈值时，输出表示所述IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于所述安全阈值的所述电压检测信号;在所述IGBT管的集电极-发射极电压不高于所述安全阈值时，输出表示所述IGBT管进入饱和导通的所述电压检测信号；以及
[0026]欠压保护电路，接收所述电压检测信号，当所述电压检测信号表示所述IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于所述安全阈值时，产生欠压保护控制信号。
[0027]在上述的IGBT管保护电路中，所述电压检测电路包括:
[0028]高压隔离电路，其输入端连接到所述IGBT管的集电极与发射极，并输出差分电压信号;所述IGBT管导通时，正常传输所述IGBT管的集电极-发射极电压;所述IGBT管截止时，将所述IGBT管集电极-发射极间的高电压转换为低电压；
[0029]差分减法电路，与所述高压隔离电路耦接，接收所述高压隔离电路输出的差分电压信号，对差分电压信号进行减法处理后，输出电压压差；以及
[0030]电压选择电路，其输入端接收所述IGBT管的驱动信号，其输出端与所述差分减法电路相连，当所述驱动信号表示所述IGBT管处于截止状态时，则所述电压选择电路使所述差分减法电路的输出端输出低于所述安全阈值的电压信号作为电压检测信号，表示所述IGBT管工作于截止状态；当所述驱动信号表示所述IGBT管处于导通状态时，则所述电压选择电路使所述差分减法电路的输出端输出所述IGBT管的集电极-发射极电压信号作为电压检测信号。
[0031]在上述的IGBT管保护电路中，所述欠压保护电路包括一比较器，所述比较器的一个输入端与所述电压选择电路的输出端相连，所述比较器的另一个输入端接收一参考电压；当所述电压检测信号大于所述参考电压时，所述比较器输出欠压保护控制信号，以关闭所述驱动电路;其中所述参考电压等于所述安全阈值。
[0032]在上述的IGBT管保护电路中，所述安全阈值大于或等于所述IGBT管集电极-发射极的饱和电压。
[0033]在上述的IGBT管保护电路中，所述安全阈值等于所述IGBT管集电极-发射极的1.5倍。
[0034]本发明还提供一种功率模块，包括:
[0035]三个上桥臂IGBT管；
[0036]三个上桥臂欠压保护控制信号产生电路，与所述三个上桥臂IGBT管耦接，分别检测三个所述上桥臂IGBT的集电极-发射极电压，当相应的所述上桥臂IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于一安全阈值时，产生相应的上桥臂欠压保护控制信号；
[0037]三个上桥臂驱动电路，分别连接在三个所述上桥臂IGBT管与三个所述上桥臂欠压保护控制信号产生电路之间，根据相应的所述上桥臂欠压保护控制信号，关闭相应的所述上桥臂驱动电路，使相应的所述上桥臂IGBT管截止；
[0038]三个下桥臂IGBT管；
[0039]三个下桥臂欠压保护控制信号产生电路，与三个所述下桥臂IGBT管耦接，分别检测三个所述下桥臂IGBT的集电极-发射极电压，当相应的所述下桥臂IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于一安全阈值时，产生相应的下桥臂欠压保护控制信号；以及
[0040]三个下桥臂驱动电路，分别连接在三个所述下桥臂IGBT管与三个所述下桥臂欠压保护控制信号产生电路之间，根据相应的所述下桥臂欠压保护控制信号，关闭相应的所述下桥臂驱动电路，使相应的所述下桥臂IGBT管截止。
[0041]在上述的功率模块中，所述上桥臂欠压保护控制信号产生电路包括:
[0042]上桥臂电压检测电路，检测相应所述上桥臂IGBT管的集电极-发射极电压，在相应所述上桥臂IGBT管截止时，输出表示相应所述上桥臂IGBT管截止的上桥臂电压检测信号；在相应所述上桥臂IGBT管的集电极-发射极电压高于所述安全阈值时，输出表示相应所述上桥臂IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于所述安全阈值的所述上桥臂电压检测信号;在相应所述上桥臂IGBT管的集电极-发射极电压不高于所述安全阈值时，输出表示相应所述上桥臂IGBT管进入饱和导通的所述上桥臂电压检测信号；以及
[0043]上桥臂欠压保护电路，接收所述上桥臂电压检测信号，当所述上桥臂电压检测信号表示相应所述上桥臂IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于所述安全阈值时，产生上桥臂欠压保护控制信号；
[0044]所述下桥臂欠压保护控制信号产生电路包括:
[0045]下桥臂电压检测电路，检测相应所述下桥臂IGBT管的集电极-发射极电压，在相应所述下桥臂IGBT管截止时，输出表示相应所述下桥臂IGBT管截止的下桥臂电压检测信号；在相应所述下桥臂IGBT管的集电极-发射极电压高于所述安全阈值时，输出表示相应所述下桥臂IGBT管在导通时其所述集电极-发射极电压高于所述