一种用于apf大功率igbt的短路保护电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，包括IGBT的工作控制电路，与IGBT连接；IGBT的短路保护电路，也与IGBT连接；所述IGBT的短路保护电路包括：短路保护电路的工作控制电路、短路保护电路的检测电路、缓慢降低栅极电压电路和保护锁存复位电路；所述短路保护电路的工作控制电路与短路保护电路的检测电路连接，所述短路保护电路的检测电路与IGBT连接，所述缓慢降低栅极电压电路与短路保护电路的工作控制电路、保护锁存复位电路和IGBT连接。本实用新型具有提高工作电路可靠性，在发生短路时采取缓慢降低IGBT栅极电压的软关断方式来降低关断时的过电压的优点。
【专利说明】—种用于APF大功率IGBT的短路保护电路
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电力电子控制保护领域，尤其涉及一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路。
【背景技术】
[0002]自世界上第一只MOSFET及IGBT问世以来，电压控制型电力电子器件特别是IGBT正经历一个飞速发展的过程。IGBT单模块器件的电压越做越高，电流越做越大。同时，与之配套的驱动器件也得到了大力发展。随着器件应用领域越来越广，电源设备变换功率越来越大，尤其在谐波治理方面，有源电力滤波器采用IGBT开关动作补偿谐波，当IGBT发生短路时，采用一般的速度封锁栅极电压，过高的电流变化率di/dt会引起过电压，高压可能使得IGBT发生锁定现象而造成损坏的问题，通常为了避免短路保护引起过电压而损坏IGBT，一般采取增大驱动电阻，延长关断时间以及母线加突波吸收电路，但是增大驱动电阻也会增大开关损耗，影响波形质量，使得工作可靠性降低，为了提高工作电路可靠性，在发生短路时采取缓慢降低IGBT栅极电压的软关断方式来降低关断时的过电压。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，它具有提高工作电路可靠性，在发生短路时采取缓慢降低IGBT栅极电压的软关断方式来降低关断时的过电压的优点。
[0004]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0005]一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，包括
[0006]IGBT的工作控制电路，与IGBT连接，利用PWM信号控制IGBT的工作与否；
[0007]IGBT的短路保护电路，也与IGBT连接，用于监测IGBT短路电流，并在PWM信号控制下在短路时利用缓慢降低栅极电压电路防止IGBT短路引起过电压而损坏IGBT ；
[0008]所述IGBT的短路保护电路包括:
[0009]短路保护电路的工作控制电路，用于控制短路保护电路的工作与否；
[0010]短路保护电路的检测电路，用于对IGBT的短路电流进行检测；
[0011]缓慢降低栅极电压电路，用于缓慢降低栅极电压；
[0012]保护锁存复位电路，用于对缓慢降压的状态进行保护锁定，直至完全关断IGBT ；
[0013]所述短路保护电路的工作控制电路与短路保护电路的检测电路连接，所述短路保护电路的检测电路与IGBT连接，所述缓慢降低栅极电压电路与短路保护电路的工作控制电路、保护锁存复位电路和IGBT连接。
[0014]所述IGBT的工作控制电路包括IGBT正常开通部分和IGBT正常关断控制部分；
[0015]所述IGBT正常开通部分包括2N5401三极管QlO、MJD44H11三极管Q5、栅极驱动电阻RG ;所述MJD44H11三极管Q5的基极接PWM驱动装置，所述MJD44H11三极管Q5的集电极接+15V，所述MJD44H11三极管Q5的发射极通过栅极驱动电阻RG接IGBT的基极，所述IGBT的集电极接电源VCE，所述IGBT的发射极接地POWERGND。
[0016]所述IGBT正常关断控制部分包括2N5401三极管Q10、MJD45H11三极管Q8、栅极驱动电阻RG ;所述MJD45H11三极管Q8的基极接PWM驱动装置，所述MJD45H11三极管Q8的集电极接-5V，所述MJD45H11三极管Q8的发射极通过栅极驱动电阻RG接IGBT的基极，所述IGBT的集电极接电源VCE，所述IGBT的发射极接地POWERGND。
[0017]所述短路保护电路的工作控制电路，包括2N5401三极管Q10，所述2N5401三极管QlO的基极接PWM驱动装置，所述2N5401三极管QlO的集电极接地，所述2N5401三极管QlO的发射极通过电阻R12接+15V。
[0018]所述短路保护电路的检测电路，包括BY203/20S 二极管D2、稳压二极管DV2、电容C5和电阻R12，所述BY203/20S 二极管D2的负极接IGBT的集电极，所述BY203/20S 二极管D2的正极通过电阻R12接+15V，所述BY203/20S 二极管D2的正极还通过电容C5接地，所述BY203/20S 二极管D2的正极还与稳压二极管DV2的负极连接，所述稳压二极管DV2的正极接缓慢降低栅极电压电路。
[0019]所述缓慢降低栅极电压电路，包括2N3904三极管Q9、TP521_1光电耦合器Ul、电阻R17、电阻R14、电容C4 、IN4148 二极管D3、PBSS3540M三极管Q6、电阻R26，所述2N3904三极管Q9的基极连接到所述稳压二极管DV2的正极，所述2N3904三极管Q9的发射极接地，所述2N3904三极管Q9的基地集电极接TP521-1光电耦合器Ul的第2管脚，所述TP521-1光电耦合器Ul的第3管脚接地，所述TP521-1光电耦合器Ul的第I管脚接电阻R17，所述TP521-1光电耦合器Ul的第4管脚接保护锁存复位电路，所述电阻R17通过电阻R14接+15V，所述电阻R14还与电容C4并联，所述电阻R14还与IN4148 二极管D3并联，所述IN4148 二极管D3的负极连接到+15V，所述IN4148 二极管D3的正极连接到PBSS3540M三极管Q6的基极，所述PBSS3540M三极管Q6的集电极接地，所述PBSS3540M三极管Q6的发射极通过电阻R26接MJD44H11三极管Q5的发射极和MJD45H11三极管Q8的发射极。
[0020]所述保护锁存复位电路包括HCF4013BM1锁存器U27、电容C218、电阻R21，所述HCF4013BM1锁存器U27的第4管脚通过电容C218接地，所述HCF4013BM1锁存器U27的第4管脚通过电阻R21接+5V电压，所述HCF4013BM1锁存器U27的第4管脚还接到所述TP521-1光电耦合器Ul的第4管脚，所述HCF4013BM1锁存器U27的第3管脚和HCF4013BM1锁存器U27的第5管脚都接地，所述HCF4013BM1锁存器U27的第I管脚连接PWM LOCK,所述HCF4013BM1锁存器U27的第6管脚通过复位开关接+5V电压，所述HCF4013BM1锁存器U27的第6管脚还通过并联的电容C109和电阻Rl 16接地。
[0021]电阻R12阻值为2.2千欧，电容C5容值为4.7nF，三极管QlO为2N5401，三极管Q5为MJD44H11，三极管Q8为MJD45H11。光电耦合器Ul的型号为TIP521，锁存器U27的型号为HCF4013BM1故障信号锁存，稳压二极管DV2为IGBT短路保护电压参考值，电容C5电容为保护有效延时电容，其中电容C4、电阻R17为光电耦合器Ul副边导通延时时间。
[0022]电阻R14、电阻R17阻值为I千欧，电容C4容值为20nF，二极管D3型号为1N4148，电阻R21阻值为10千欧，电容C218容值为0.lPF，二极管D2型号为BY203/20S，电容C109容值为0.?μΡ,电阻Rl 16阻值为10千欧，三极管Q6型号为PBSS3540M，电阻R26阻值为220欧，锁存器U27A型号为HCF4013BM1。
[0023]本实用新型的有益效果:[0024]I通过引入栅极软关断技术，既缓慢降低栅极电压的方式，以及合理驱动方式，可以提高设备工作的可靠性。
[0025]2提高工作电路可靠性，在发生短路时采取缓慢降低IGBT栅极电压的软关断方式来降低关断时的过电压。
[0026]3使用驱动保护模块成本比较高，使用该方案成本低。
[0027]4软关断及保护的时间分别可控，提高保护的准确性。
[0028]5增加保护有效电路部分避免了误保护。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为一种IGBT短路保护原理图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0031]如图1所示，一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，包括
[0032]IGBT的工作控制电路，用于控制IGBT的工作与否；
[0033]IGBT的短路保护电路，用于监测IGBT短路电流，并利用缓慢降低栅极电压电路防止IGBT短路引起过电压而损坏IGBT。
[0034]所述IGBT的短路保护电路包括
[0035]短路保护电路的工作控制电路用于控制短路保护电路的工作与否；
[0036]短路保护电路的检测电路，用于对IGBT的电压进行检测；
[0037]缓慢降低栅极电压电路，用于缓慢降低栅极电压；
[0038]保护锁存复位电路，用于对PWM进行保护锁定，完全关断IGBT。
[0039]所述IGBT的工作控制电路包括IGBT正常开通部分和IGBT正常关断控制部分；
[0040]所述IGBT正常开通部分包括2N5401三极管QlO、MJD44H11三极管Q5、栅极驱动电阻RG ;所述MJD44H11三极管Q5的基极接PWM驱动装置，所述MJD44H11三极管Q5的集电极接+15V，所述MJD44H11三极管Q5的发射极通过栅极驱动电阻RG接IGBT的基极，所述IGBT的集电极接电源VCE，所述IGBT的发射极接地POWERGND。
[0041]所述IGBT正常关断控制部分包括2N5401三极管Q10、MJD45H11三极管Q8、栅极驱动电阻RG ;所述MJD45H11三极管Q8的基极接PWM驱动装置，所述MJD45H11三极管Q8的集电极接-5V，所述MJD45H11三极管Q8的发射极通过栅极驱动电阻RG接IGBT的基极，所述IGBT的集电极接电源VCE，所述IGBT的发射极接地POWERGND。
[0042]所述短路保护电路的工作控制电路，包括2N5401三极管Q10，所述2N5401三极管QlO的基极接PWM驱动装置，所述2N5401三极管QlO的集电极接地，所述2N5401三极管QlO的发射极通过电阻R12接+15V。
[0043]所述短路保护电路的检测电路，包括BY203/20S 二极管D2、稳压二极管DV2、电容C5和电阻R12，所述BY203/20S 二极管D2的负极接IGBT的集电极，所述BY203/20S 二极管D2的正极通过电阻R12接+15V，所述BY203/20S 二极管D2的正极还通过电容C5接地，所述BY203/20S 二极管D2的正极还与稳压二极管DV2的负极连接，所述稳压二极管DV2的正极接缓慢降低栅极电压电路。[0044]所述缓慢降低栅极电压电路，包括2N3904三极管Q9、TP521_1光电耦合器U1、电阻R17、电阻R14、电容C4、IN4148 二极管D3、PBSS3540M三极管Q6、电阻R26，所述2N3904三极管Q9的基极连接到所述稳压二极管DV2的正极，所述2N3904三极管Q9的发射极接地，所述2N3904三极管Q9的基地集电极接TP521-1光电耦合器Ul的第2管脚，所述TP521-1光电耦合器Ul的第3管脚接地，所述TP521-1光电耦合器Ul的第I管脚接电阻R17，所述TP521-1光电耦合器Ul的第4管脚接保护锁存复位电路，所述电阻R17通过电阻R14接+15V，所述电阻R14还与电容C4并联，所述电阻R14还与IN4148 二极管D3并联，所述IN4148 二极管D3的负极连接到+15V，所述IN4148 二极管D3的正极连接到PBSS3540M三极管Q6的基极，所述PBSS3540M三极管Q6的集电极接地，所述PBSS3540M三极管Q6的发射极通过电阻R26接MJD44H11三极管Q5的发射极和MJD45H11三极管Q8的发射极。
[0045]所述保护锁存复位电路包括HCF4013BM1锁存器U27、电容C218、电阻R21，所述HCF4013BM1锁存器U27的第4管脚通过电容C218接地，所述HCF4013BM1锁存器U27的第4管脚通过电阻R21接+5V电压，所述HCF4013BM1锁存器U27的第4管脚还接到所述TP521-1光电耦合器Ul的第4管脚，所述HCF4013BM1锁存器U27的第3管脚和HCF4013BM1锁存器U27的第5管脚都接地，所述HCF4013BM1锁存器U27的第I管脚连接PWM LOCK，所述HCF4013BM1锁存器U27的第6管脚通过复位开关接+5V电压，所述HCF4013BM1锁存器U27的第6管脚还通过并联的电容C109和电阻Rl 16接地。
[0046]IGBT正常开通部分由三极管Q10、三极管Q5、栅极驱动电阻RG组成，PWM驱动为高电平时，三极管QlO截止，三极管Q5导通。IGBT正常关断控制部分由三极管Q10、三极管Q8、栅极驱动电阻RG组成，三极管QlO为控制保护动作有效开启关断开关。IGBT保护动作及保持复位部分是由二 极管D2、电阻R12、电容C5、稳压二极管DV2、三极管Q9、光电耦合器U1、电阻R14、电阻R17、电容C4、二极管D3、三极管Q6、电阻R26、复位开关S2、电容C109、电阻R116、锁存器U27A、电容C218、电阻R21组成，TIP521光电耦合器Ul信号隔离传输，HCF4013BM1锁存器U27故障信号锁存，稳压二极管DV2为IGBT短路保护电压参考值，电容C5为保护有效延时电容，电容C4、电阻R17、二极管D3、三极管Q6为缓慢降低栅极电压部分，其中电容C4、电阻R17为光电耦合器Ul光耦副边导通延时时间。复位开关S2、电容C109、电阻Rl 16为故障信号复位。
[0047]本实用新型是一种APF大功率IGBT短路保护的方法为防止IGBT短路保护引起过电压而损坏IGBT，通过降低IGBT栅极电压的软关断方式来降低关断时的过电压。
[0048]如图1所示:
[0049]IGBT正常开通部分工作过程，当PWM信号为高电平时，三极管QlO截止，驱动三极管Q5导通，栅极驱动信号为+15V，三极管QlO的集电极为+15V，保护电路有效，电容C5通过电阻R12开始充电，稳压二极管DV2电压上升，稳压二极管DV2的阕值电压值设定为IGBT (VCE)短路保护值，当设定IGBT导通正常压降设定为2V，短路值稳压二极管DV2设定为5V时，电容C5电容值为4.7Nf, R12为2.2千欧姆，通过电阻R2充电到达5V的时间为
t，t:=R,c-ln(^)其中，电阻 R=R12，电容 C=C5，E=+15V,电压 V=5V，时间 t=4Ps，而 IGBT
开通时间为1.5μ~因此当IGBT开通后，稳压二极管DV2反向电压为3V，未达到稳压二极管DV2阕值电压，稳压二极管DV2不导通，IGBTQ7正常开通。[0050]IGBT正常关断控制部分过程，当PWM为低电平时，三极管QlO导通，驱动三极管Q8导通，栅极驱动信号为-5V，三极管QlO集电极为低电平，IGBT保护电路截止，稳压二极管DV2反向电压变为低，且电容C5通过三极管QlO放电，由于栅极驱动信号为-5V，因此IGBTQ7 关断。
[0051]IGBT保护动作及保持复位过程，当IGBT Q7发生短路时，三极管Q7饱和压降Vce上升，稳压二极管DV2电压上升，上升到稳压二极管DV2阕值电压后，稳压二极管DV2导通，三极管Q9导通，电容C4通过电阻R17充电，二极管D3，三极管Q6导通，IGBTQ7栅极电压逐步降低，缓慢降低栅极电压，随着电容C4电流增大到光电耦合器Ul的阕值电压后，光电耦合器Ul副边导通，光电耦合器Ul第4管脚为低电平，锁存器U27A第4管脚为低，锁存器U27A第I管脚为高并保持PWM保护锁定，IGBT完全关断，光电耦合器U1TLP521光耦延时时间2μ8，电容C4通过电阻R17电流达到ImA所需延时时间为1.32μ8，其中电容C4为电容值为20nF，电阻R17为I千欧姆，因此在IGBT完全关断信号-5V到达时，有3μ8的时间IGBTQ7的栅极电压缓慢降低到0V，此后PWM保护锁定，IGBT被完全关断。当故障信号未消除时，锁存器U27A保持锁定，当故障信号消除后，即锁存器U27A第4管脚为高时，通过按下复位开关S2给锁存器U27A第6管脚+5V_A高电平信号，锁存器U27A第I管脚变为低电平，锁存器U27A复位完成。
[0052]上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，其特征是，包括 IGBT的工作控制电路，与IGBT连接，利用PWM信号控制IGBT的工作与否； IGBT的短路保护电路，也与IGBT连接，用于监测IGBT短路电流，并在PWM信号控制下在短路时利用缓慢降低栅极电压电路防止IGBT短路引起过电压而损坏IGBT ； 所述IGBT的短路保护电路包括: 短路保护电路的工作控制电路，用于控制短路保护电路的工作与否； 短路保护电路的检测电路，用于对IGBT的短路电流进行检测； 缓慢降低栅极电压电路，用于缓慢降低栅极电压； 保护锁存复位电路，用于对缓慢降压的状态进行保护锁定，直至完全关断IGBT ； 所述短路保护电路的工作控制电路与短路保护电路的检测电路连接，所述短路保护电路的检测电路与IGBT连接，所述缓慢降低栅极电压电路与短路保护电路的工作控制电路、保护锁存复位电路和IGBT连接。
2.如权利要求1所述的一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，其特征是，所述IGBT的工作控制电路包括IGBT正常开通部分和IGBT正常关断控制部分； 所述IGBT正常开通部分包括2N5401三极管Q10、MJD44H11三极管Q5、栅极驱动电阻RG ;所述MJD44H11三极管Q5的基极接PWM驱动装置，所述MJD44H11三极管Q5的集电极接+15V，所述MJD44H11三极管Q5的发射极通过栅极驱动电阻RG接IGBT的基极，所述IGBT的集电极接电源VCE，所述IGBT的发射极接地POWERGND。
3.如权利要求2所述的一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，其特征是，所述IGBT正常关断控制部分包括2N5401三极管Q10、MJD45H11三极管Q8、栅极驱动电阻RG ;所述MJD45H11三极管Q8的基极接PWM驱动装置，所述MJD45H11三极管Q8的集电极接-5V，所述MJD45H11三极管Q8的发射极通过栅极驱动电阻RG接IGBT的基极，所述IGBT的集电极接电源VCE，所述IGBT的发射极接地POWERGND。
4.如权利要求1所述的一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，其特征是，所述短路保护电路的工作控制电路，包括2N5401三极管Q10，所述2N5401三极管QlO的基极接PWM驱动装置，所述2N5401三极管QlO的集电极接地，所述2N5401三极管QlO的发射极通过电阻 R12 接+15V。
5.如权利要求1所述的一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，其特征是，所述短路保护电路的检测电路，包括BY203/20S 二极管D2、稳压二极管DV2、电容C5和电阻R12，所述BY203/20S 二极管D2的负极接IGBT的集电极，所述BY203/20S 二极管D2的正极通过电阻R12接+15V，所述BY203/20S 二极管D2的正极还通过电容C5接地，所述BY203/20S 二极管D2的正极还与稳压二极管DV2的负极连接，所述稳压二极管DV2的正极接缓慢降低栅极电压电路。
6.如权利要求1所述的一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，其特征是，所述缓慢降低栅极电压电路，包括2N3904三极管Q9、TP521-1光电耦合器Ul、电阻R17、电阻R14、电容C4、IN4148 二极管D3、PBSS3540M三极管Q6、电阻R26，所述2N3904三极管Q9的基极连接到所述稳压二极管DV2的正极，所述2N3904三极管Q9的发射极接地，所述2N3904三极管Q9的基地集电极接TP521-1光电耦合器Ul的第2管脚，所述TP521-1光电耦合器Ul的第3管脚接地，所述TP521-1光电耦合器Ul的第I管脚接电阻R17，所述TP521-1光电耦合器Ul的第4管脚接保护锁存复位电路，所述电阻R17通过电阻R14接+15V，所述电阻R14还与电容C4并联，所述电阻R14还与IN4148 二极管D3并联，所述IN4148 二极管D3的负极连接到+15V，所述IN4148 二极管D3的正极连接到PBSS3540M三极管Q6的基极，所述PBSS3540M三极管Q6的集电极接地，所述PBSS3540M三极管Q6的发射极通过电阻R26接MJD44H11三极管Q5的发射极和MJD45H11三极管Q8的发射极。
7.如权利要求1所述的一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，其特征是，所述保护锁存复位电路包括HCF4013BM1锁存器U27、电容C218、电阻R21，所述HCF4013BM1锁存器U27的第4管脚通过电容C218接地，所述HCF4013BM1锁存器U27的第4管脚通过电阻R21接+5V电压，所述HCF4013BM1锁存器U27的第4管脚还接到所述TP521-1光电耦合器Ul的第4管脚，所述HCF4013BM1锁存器U27的第3管脚和HCF4013BM1锁存器U27的第5管脚都接地，所述HCF4013BM1锁存器U27的第I管脚连接PWM LOCK,所述HCF4013BM1锁存器U27的第6管脚通过复位开关接+5V电压，所述HCF4013BM1锁存器U27的第6管脚还通过并联的电容C109和电阻Rl 16接地。
8.如权利要求5所述的一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，其特征是，电阻R12阻值为2.2千欧，电容C5容 值为4.7nF。
9.如权利要求6所述的一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，其特征是，电阻R14、电阻R17阻值为I千欧，电容C4容值为20nF，电阻R26阻值为220欧。
10.如权利要求7所述的一种用于APF大功率IGBT的短路保护电路，其特征是，电阻R21阻值为10千欧，电容C218容值为0.1 μ F，电容C109容值为0.1 μ F，电阻R116阻值为10千欧。
【文档编号】H02H3/08GK203491683SQ201320444870
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年7月24日 优先权日:2013年7月24日
【发明者】张青青, 王兴照, 张高峰, 韦良 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司电力科学研究院