专利名称：一种绝缘栅器件的保护电路及其方法
技术领域：
本发明涉及一种绝缘栅器件的保护电路及其方法。
背景技术：
绝缘栅双极晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor,简称为 IGBT)目前已成为ー种主流的功率半导体器件，是由双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor,缩写为BJT，又称为半导体三极管)和金属氧化物半导体场效应管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor,缩写为M0SFET)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高速、高输入阻抗、易驱动和BJT的大电流、高耐压、低通态压降的特点。IGBT所具有的电压型驱动、高输入阻抗、开关速度快、开关功率损耗小、通态压降小等一系列优良特性，使其成为中、高功率开关电源、变频器、逆变器、感应加热、有源 滤波器、家用电器等需要电能变换场合的理想功率开关器件。IGBT在运行过程中需要有保护电路对其进行保护控制，以防止其自身驱动系统或所处电カ电子电路中的异常状态使IGBT的工作电压或者电流超过安全工作范围，导致IGBT损坏。传统的IGBT的保护电路一般是监测IGBT的集电极-发射极电压Vce，在集电极-发射极电压Vce超过预定值后触发保护动作。这种IGBT的保护电路常常出现保护不及时的问题，特别是在IGBT串联运行，串联总电压远远高于单个器件规定工作电压的环境中，极易出现保护不及时的问题，即在保护动作前IGBT器件已被过压击穿。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提出一种绝缘栅器件的保护电路及其方法，可以对绝缘栅器件起到及时有效的保护。本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决
一种绝缘栅器件的保护电路，包括衰减电路，电压隔离电路，转换电路，比较电路和保护动作电路，所述绝缘栅器件的发射极连接接地端，所述衰减电路的输入端连接所述绝缘栅器件的集电极，所述衰减电路的输出端连接所述电压隔离电路的输入端，所述电压隔离电路的输出端连接所述转换电路的输入端，所述转换电路的输出端连接所述比较电路的一个输入端，所述比较电路的另ー输入端接收阈值电压，所述比较电路的输出端连接所述保护动作电路的输入端，所述保护动作电路的输出端连接所述绝缘栅器件的控制扱；所述衰减电路对所述绝缘栅器件的集电极-发射极电压进行衰减处理后输出衰减电压至所述电压隔离电路，所述电压隔离电路对所述衰减电压进行隔离处理后输出隔离后电压至所述转换电路，所述转换电路对所述隔离后电压进行转换处理后输出与所述隔离后电压的变化率成比例关系的转换电压，所述比较电路比较所述转换电压与所述阈值电压的大小，在所述转换电压的绝对值大于所述阈值电压的绝对值时输出保护信号，所述保护动作电路根据所述保护信号控制所述绝缘栅器件开通。本发明的技术问题通过以下进ー步的技术方案予以解决一种绝缘栅器件的保护方法，包括以下步骤1)对所述绝缘栅器件的集电极-发射极电压进行衰减处理得到衰减电压；2)对步骤I)得到的所述衰减电压进行隔离处理后得到隔离后电压；3)对步骤2)得到的隔离后电压进行转换处理得到与所述隔离后电压的变化率成比例关系的转换电压；4)将步骤3)得到的转换电压与所述阈值电压进行比较，在所述转换电压大于所述阈值电压时输出保护信号；5)根据所述步骤4)中输出的保护信号控制所述绝缘栅器件开通。本发明与现有技术对比的有益效果是
本发明的绝缘栅器件的保护电路及其方法，通过衰减电路，电压隔离电路以及转换电路，从而将绝缘栅器件的集电极-发射极电压Vce转变为电压变化率信号，由比较电路比较电压变化率信号和阈值电压，从而在电压变化率超过阈值电压时输出保护信号控制绝缘栅器件开通，从而最大可能地避免过压发生。这样，即实现了对电压变化趋势的监控，可提前判断故障倾向，在出现高的电压变化率时即可对绝缘栅器件进行保护，保护控制及时有效，避免了传统保护电路等到出现过压时才开通绝缘栅器件进行保护造成的保护不及时问题。
图I是本发明具体实施方式
一中的绝缘栅器件的保护电路的结构 图2是本发明具体实施方式
一中的绝缘栅器件的保护方法的流程 图3是本发明具体实施方式
ニ中的绝缘栅器件的保护电路的结构 图4是本发明具体实施方式
三中的绝缘栅器件的保护电路的结构 图5是本发明具体实施方式
四中的绝缘栅器件的保护电路的结构图。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
并对照附图对本发明做进ー步详细说明。
具体实施方式
一
如图I所示，为本具体实施方式
中的绝缘栅器件的保护电路的结构图。保护电路包括衰减电路1，电压隔离电路2，转换电路3，比较电路4和保护动作电路5。其中，绝缘栅器件的发射极E连接接地端GND，衰减电路I的输入端连接绝缘栅器件的集电极C，衰减电路I的输出端连接电压隔离电路2的输入端，电压隔离电路2的输出端连接转换电路3的输入端，转换电路3的输出端连接比较电路4的一个输入端，比较电路4的另ー输入端接收阈值电压Vth，比较电路4的输出端连接保护动作电路5的输入端，保护动作电路5的输出端连接绝缘栅器件的控制极G。本具体实施方式
中绝缘栅器件为IGBT，在其它实施方式中，绝缘栅器件也可以为MOSFET。衰减电路I对IGBT的集电极-发射极电压Vce进行衰减处理后输出衰减电 压Vp至电压隔离电路2。衰减处理的衰减比例没有特别要求，只需要将IGBT两端通常为以千伏计的高电压强电衰减为保护电路所能处理的弱电范畴(通常在30V以内)，将强电信号衰减后即能用于后续电压隔离电路2，转换电路3，比较电路4的处理。如图I所示，本具体实施方式
中，衰减电路I包括第一电阻Rl和第二电阻R2，第一电阻Rl的第一端作为衰减电路I的输入端连接绝缘栅器件的集电极C，第二电阻R2的第一端连接接地端，第一电阻Rl的第二端与第二电阻R2的第二端相连，相连端作为衰减电路I的输出端输出衰减电压Vp。衰减电路I衰减处理后得到的衰减电压Vp=衰减系数^^满足使得到的衰减电压Vp在后续电压隔离电路2，转换电路
KlirKZKlirKZ
3，比较电路4能处理电压范围内即可。当然，衰减电路I除通过上述两个电阻组成的分压电路实现外，还可以通过三个，四个甚至更多个的电阻分压实现，或者其它具体电路结构实现。电压隔离电路2对衰减电压Vp进行隔离处理，即可防止衰减电路I中电流对后续转换电路3以及比较电路4造成影响，同时也避免衰减电路I本身输出的衰减电压Vp如直接输入至转换电路3时，会对集电极-发射极电压Vce的衰减动作有不期望的延迟，响应速度不足以满足保护需要。如图I所示，电压隔离电路2为电压跟随电路，包括第一运算放大器Ul，第一运算放大器Ul的正向输入端作为电压隔离电路2的输入端接收衰减电路I输出的衰减电压Vp，第一运算放大器Ul的反向输入端连接第一运算放大器Ul的输出端，第一运算放大器Ul的输出端作为电压隔离电路2的输出端输出隔离后电压Vp’。由于选用电压跟随电路作为电压隔离电路2，因此隔离后电压Vp’可认为近似等于衰减电压Vp。转换电路3对隔离后电压Vp’进行转换处理得到与隔离后电压Vp’的变化率成比例关系的转换电压Vq，即将采集的集电极-发射极电压Vce电压监测对象转换为电压变化率监测对象。如图I所示，转换电路3包括第一电容Cl，第三电阻R3和第二运算放大器U2,第一电容Cl的第一端作为转换电路3的输入端接收隔离后电压Vp’，第一电容Cl的第ニ端连接第二运算放大器U2的反向输入端，第二运算放大器U2的正向输入端连接接地端，第三电阻R3连接在第二运算放大器U2的反向输入端和输出端之间，第二运算放大器U2的输出端作为转换电路3的输出端输出转换电压Vq。工作时，由于第二运算放大器U2负反馈 的作用，第二运算放大器U2的反向输入端电位近似为零，输入的电压Vp’通过第一电容Cl
转化为与电压变化率·^的值线性相关的电流i=而又因第二运算放大器U2输
入端输入阻抗极高，此线性相关的电流i几乎全部从第三电阻R3流过并产生输出端转换电
压Vq，因此转换电压Vq=_R3 X i，也即Vq= -Λ3χΟχ^,满足转换电压Vq与隔离后电压
Vp’的变化率成比例关系的条件，是成反比例关系。又因此，Vp’可认为近似等于衰减电压Vp，衰减电压Vp是与IGBT的集电极-发射极电压Vce成比例关系的，所以转换电路3输出
得到的转换电压Vq即反应了 Vce的变化率，。
d￡比较电路4包括第三运算放大器U3，第三运算放大器U3的反向输入端作为比较电路4的输入端接收转换电压Vq，第三运算放大器U3的正向输入端接收阈值电压Vth，第三运算放大器U3的输出端作为比较电路4的输出端连接保护动作电路5的输入端。阈值电压Vth的设定根据IGBT的器件特性，应用故障特征，应用要求和特性综合设定。比如，根据
IGBT的參数以及工作电路要求得到IGBT的集电极-发射极电压Vce的变化率^^不应大
dt
于阈值max=5000v/y S，则相应设定阈值电压Vth=-ii3xClxnKBE.x·^^^。本具体实施方
ΛΑ Ar Al
式中，由于前级转换电路3输出的转换电压Vq与隔离后电压Vp’的变化率成反比例关系，为负值，因此阈值电压Vth也应为负值。工作时，如果Vce的变化率^^增大至超过其阈值
tu
max,则衰减电压Vp和隔离后电压Vp’的变化率也増大，而转换电压Vq= -所
以转换电压Vq会由干·^的增大而变小至小于Vth吋，此时转换电压Vq的绝对值会由于
$的増大而变大至大于Vth的绝对值，此时第三运算放大器U3的输出会从低电平转变为
高电平，也即比较电路4的输出会从低电平转变为高电平(因为正向输入的Vth较大)，该高电平即作为保护信号输出给保护动作电路5。保护动作电路5即接收比较电路4输出的高电平，输出控制信号给IGBT的控制极G，从而控制IGBT开通。从整体来看，即实现了当IGBT
的集电极-发射极电压Vce的变化率·^较大超过其阈值max时，对应即开通IGBT从而保 dl
护IGBT。需说明的是，因发生的是过压故障或有明显的过压故障倾向，因此保护动作是开通IGBT而不是关断IGBT。上述故障情形下，如保护动作为关断IGBT，会加剧故障状态；但如为开通，才会在最大程度上避免过压的发生。综上所述，本具体实施方式
的绝缘栅器件的保护电路，在监控绝缘栅器件的集电
极-发射极电压Vce时，将绝缘栅器件的集电极-发射极电压Vce转变为电压变化率·^
dt
信号，实现对电压变化率的有效监控。而IGBT运行过程中由于其自身驱动系统或所处电カ电子电路或系统中的异常状态(如出现故障等)会导致IGBT两端出现高电压的过压情形，而
在Vce达到高电压值的过压情形之前，其变化率，即增大。这样，通过本具体实施方式
对
d￡
电压变化率的有效监控，从而可对某些可能引起高电压故障情形提前判断，在出现高电压过压情形之前即可对绝缘栅器件进行保护，从而对IGBT起到及时有效的保护，避免了单纯的过压保护电路对IGBT保护不及时的问题。本具体实施方式
中还提供一种绝缘栅器件的保护方法，如图2所示，为保护方法的流程图。保护方法包括以下步骤P1)衰减处理对绝缘栅器件的集电极-发射极电压Vce进行衰减处理得到衰减电压Vp ;P2)隔离处理对步骤Pl)得到的衰减电压Vp进行隔离处理后得到隔离后电压Vp’ ；P3)转换处理对步骤P2)得到的隔离后电压Vp’进行转换处理得到与隔离后电压Vp’的变化率成比例关系的转换电压Vq ；P4)将步骤P3)得到的转换电压Vq与阈值电压Vth进行比较，在转换电压Vq大于阈值电压Vth时输出保护信号；P5)根据步骤P4)中输出的保护信号控制绝缘栅器件开通。上述保护方法，可对电压的变化率进行有效监控，从而对某些可能引起高电压故障情形提前判断，对IGBT起到及时有效的保护，避免了单纯的过压保护电路对IGBT保护不及时的问题。
具体实施方式
ニ
本具体实施方式
与实施方式一的不同之处在于本具体实施方式
中，转换电路3由反比例电路和第一电容，第三电阻，第二运算放大器共同组成，相对于实施方式一中的转换电路增加了反比例电路，因此，后级连接的比较电路4是正向输入端接收转换电压，反向输入端接收阈值电压，阈值电压为正值。如图3所示，为本具体实施方式
中的绝缘栅器件的保护电路的结构图。保护电路包括衰减电路1，电压隔离电路2，转换电路3，比较电路4和保护动作电路5。除转换电路3和比较电路4的组成与具体实施方式
一不同外，其余各组件的组成以及各组件之间的连接均同实施方式一相同，在此不重复说明，仅对不同之处转换电路3和比较电路4的组成做详细说明。如图3 所示，转换电路3包括反比例电路，第一电容Cl，第三电阻R3和第二运算放大器U2，其中，反比例电路包括第四电阻R4，第五电阻R5和第四运算放大器U4。第四电阻R4的第一端作为转换电路3的输入端接收电压隔离电路2的输出端输出的隔离后电压Vp’，第四电阻R4的第二端连接第四运算放大器U4的反向输入端，第五电阻R5连接在第四运算放大器U4的反向输入端和输出端之间，第四运算放大器U4的输出端连接第一电容Cl的第一端，第一电容Cl的第二端连接第二运算放大器U2的反向输入端，第二运算放大器U2的正向输入端连接接地端，第三电阻R3连接在第二运算放大器U2的反向输入端和输出端之间，第二运算放大器U2的输出端作为转换电路3的输出端输出转换电压Vq。工作时，由于第四电阻R4，第五电阻R5和第四运算放大器U4组成的是反比例电路，反比例电路接收隔离后电压Vp’，输出电压Vp’’即等于k XVp’，k表示反比例电路的反比例系数，为负数。优选地，第四电阻R4与第五电阻R5阻值相等，反比例系数k=-l。这样，反比例电路的输出经过后端的第一电容Cl,第三电阻R3,第二运算放大器U2的电压转换后,输出转换电
压
权利要求
1.一种绝缘栅器件的保护电路，其特征在于包括衰减电路(1)，电压隔离电路(2)，转换电路(3)，比较电路(4)和保护动作电路(5)，所述绝缘栅器件的发射极(E)连接接地端，所述衰减电路(I)的输入端连接所述绝缘栅器件的集电极(C)，所述衰减电路(I)的输出端连接所述电压隔离电路(2)的输入端，所述电压隔离电路(2)的输出端连接所述转换电路(3)的输入端，所述转换电路(3)的输出端连接所述比较电路(4)的一个输入端，所述比较电路(4)的另一输入端接收阈值电压(Vth)，所述比较电路(4)的输出端连接所述保护动作电路(5)的输入端，所述保护动作电路(5)的输出端连接所述绝缘栅器件的控制极(G)；所述衰减电路(I)对所述绝缘栅器件的集电极-发射极电压(Vce)进行衰减处理后输出衰减电压(Vp)至所述电压隔离电路(2)，所述电压隔离电路(2)对所述衰减电压(Vp)进行隔离处理后输出隔离后电压(Vp’)至所述转换电路(3)，所述转换电路(3)对所述隔离后电压(Vp’)进行转换处理后输出与所述隔离后电压(Vp’)的变化率成比例关系的转换电压(Vq)，所述比较电路(4)比较所述转换电压(Vq)与所述阈值电压(Vth)的大小，在所述转换电压(Vq)的绝对值大于所述阈值电压(Vth)的绝对值时输出保护信号，所述保护动作电路(5)根据所述保护信号控制所述绝缘栅器件开通。
2.根据权利要求I所述的绝缘栅器件的保护电路，其特征在于所述衰减电路(I)包括第一电阻(Rl)和第二电阻(R2)，所述第一电阻(Rl)的第一端作为所述衰减电路(I)的输入端连接所述绝缘栅器件的集电极(C)，所述第二电阻(R2)的第一端连接所述接地端，第一电阻(Rl)的第二端与所述第二电阻(R2)的第二端相连，相连端作为所述衰减电路(I)的输出端连接所述电压隔离电路(2)的输入端。
3.根据权利要求I所述的绝缘栅器件的保护电路，其特征在于所述电压隔离电路(2)为电压跟随电路，包括第一运算放大器(U1)，所述第一运算放大器(Ul)的正向输入端作为所述电压隔离电路(2)的输入端连接所述衰减电路(I)的输出端，所述第一运算放大器(Ul)的反向输入端连接所述第一运算放大器(Ul)的输出端，所述第一运算放大器(Ul)的输出端作为所述电压隔离电路(2)的输出端连接所述转换电路(3)的输入端。
4.根据权利要求I所述的绝缘栅器件的保护电路，其特征在于所述转换电路(3)包括第一电容(Cl)，第三电阻(R3)和第二运算放大器(U2)，所述第一电容(Cl)的第一端作为所述转换电路(3)的输入端连接所述电压隔离电路(2)的输出端，所述第一电容(Cl)的第二端连接所述第二运算放大器(U2)的反向输入端，所述第二运算放大器(U2)的正向输入端连接所述接地端，所述第三电阻(R3)连接在所述第二运算放大器(U2)的反向输入端和输出端之间，所述第二运算放大器(U2)的输出端作为所述转换电路(3)的输出端连接所述比较电路(4)的一个输入端。
5.根据权利要求4所述的绝缘栅器件的保护电路，其特征在于所述比较电路(4)包括第三运算放大器(U3)，所述第三运算放大器(U3)的反向输入端作为所述比较电路(4)的输入端连接所述转换电路(3)的输出端，所述第三运算放大器(U3)的正向输入端接收所述阈值电压(Vth)，所述第三运算放大器(U3)的输出端作为所述比较电路(4)的输出端连接所述保护动作电路(5)的输入端。
6.根据权利要求I所述的绝缘栅器件的保护电路，其特征在于所述转换电路(3)包括反比例电路，第一电容(Cl)，第三电阻(R3)和第二运算放大器(U2)，所述反比例电路包括第四电阻(R4)，第五电阻(R5)和第四运算放大器(U4);所述第四电阻(R4)的第一端作为所述转换电路(3)的输入端连接所述电压隔离电路(2)的输出端，所述第四电阻(R4)的第二端连接所述第四运算放大器(U4)的反向输入端，所述第五电阻(R5)连接在所述第四运算放大器(U4)的反向输入端和输出端之间，所述第四运算放大器(U4)的输出端连接所述第一电容(Cl)的第一端，所述第一电容(Cl)的第二端连接所述第二运算放大器(U2)的反向输入端，所述第二运算放大器(U2 )的正向输入端连接所述接地端，所述第三电阻(R3 )连接在所述第二运算放大器(U2)的反向输入端和输出端之间，所述第二运算放大器(U2)的输出端作为所述转换电路(3)的输出端连接所述比较电路(4)的一个输入端。
7.根据权利要求I所述的绝缘栅器件的保护电路，其特征在于所述转换电路(3)包括反比例电路，第一电容(Cl)，第三电阻(R3)和第二运算放大器(U2)，所述反比例电路包括第四电阻(R4)，第五电阻(R5)和第四运算放大器(U4);所述第一电容(Cl)的第一端作为所述转换电路(3)的输入端连接所述电压隔离电路(2)的输出端，所述第一电容(Cl)的第二端连接所述第二运算放大器(U2)的反向输入端，所述第二运算放大器(U2)的正向输入端连接所述接地端，所述第三电阻(R3)连接在所述第二运算放大器(U2)的反向输入端和输出端之间，所述第二运算放大器(U2)的输出端连接所述第四电阻(R4)的第一端，所述第四电阻(R4)的第二端连接所述第四运算放大器(U4)的反向输入端，所述第五电阻(R5)连接在所述第四运算放大器(U4)的反向输入端和输出端之间，所述第四运算放大器(U4)的输出端作为所述转换电路(3)的输出端连接所述比较电路(4)的一个输入端。
8.根据权利要求6或7所述的绝缘栅器件的保护电路，其特征在于所述比较电路(4)包括第三运算放大器(U3)，所述第三运算放大器(U3)的正向输入端作为所述比较电路(4)的输入端连接所述转换电路(3)的输出端，所述第三运算放大器(U3)的反向输入端接收所述阈值电压(Vth)，所述第三运算放大器(U3)的输出端作为所述比较电路(4)的输出端连接所述保护动作电路(5)的输入端。
9.根据权利要求8所述的的绝缘栅器件的保护电路，其特征在于所述保护电路还包括第一二极管(Dl )，所述第一二极管(Dl)的阳极连接所述第三运算放大器(U3)的输出端，所述第一二极管(Dl)的阴极连接所述第三运算放大器(U3)的正向输入端。
10.一种绝缘栅器件的保护方法，其特征在于包括以下步骤1)对所述绝缘栅器件的集电极-发射极电压(Vce)进行衰减处理得到衰减电压(Vp) ；2)对步骤I)得到的所述衰减电压(Vp)进行隔离处理后得到隔离后电压(Vp’);3)对步骤2)得到的隔离后电压(Vp’)进行转换处理得到与所述隔离后电压(Vp’)的变化率成比例关系的转换电压(Vq) ;4)将步骤3)得到的转换电压(Vq)与所述阈值电压(Vth)进行比较，在所述转换电压(Vq)大于所述阈值电压(Vth)时输出保护信号；5)根据所述步骤4)中输出的保护信号控制所述绝缘栅器件开通。
全文摘要
本发明公开了一种绝缘栅器件的保护电路及其方法，保护电路包括衰减电路，电压隔离电路，转换电路，比较电路和保护动作电路；衰减电路对绝缘栅器件的集电极-发射极电压进行衰减处理后输出衰减电压至电压隔离电路，电压隔离电路对衰减电压进行隔离处理后输出隔离后电压至转换电路，转换电路对隔离后电压进行转换处理后输出与隔离后电压的变化率成比例关系的转换电压，比较电路比较转换电压与阈值电压的大小，在转换电压的绝对值大于阈值电压的绝对值时输出保护信号，保护动作电路根据保护信号控制绝缘栅器件开通。本发明通过将绝缘栅器件的集电极-发射极电压Vce转变为电压变化率信号，可提前判断故障倾向，保护控制及时有效。
文档编号H03K17/567GK102710243SQ20121021014
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者傅俊寅, 和巍巍, 张学强, 汪之涵 申请人:深圳青铜剑电力电子科技有限公司