退饱和检测电路以及包含该退饱和检测电路的电路的制作方法
【专利摘要】公开了退饱和检测电路以及包含该退饱和检测电路的电路，该退饱和检测电路包括一个具有输入端和输出端的阈值设定元件，所述输入端通过一个或多个二极管连接到功率开关器件的输出端，其中所述阈值设定元件用于在所述输入端设定阈值电压，当输入电压过高时所述阈值电压设定元件将在其输出端提供一个输出信号；所述退饱和检测电路还包括一个具有输入端和输出端的检测器，所述检测器的输入端连接到所述阈值设定元件的输出端，所述检测器的输出端能够连接到所述光耦合器的退饱和检测输入，所述检测器用于检测所述阈值设定元件的输出端的输出并作出响应以在所述检测器的输出端向所述退饱和检测输入提供一个控制信号，以触发所述光耦合器的退饱和动作。
【专利说明】退饱和检测电路以及包含该退饱和检测电路的电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种具有退饱和检测输入和软关断能力的功率晶体管(如绝缘栅极双极晶体管(IGBT))栅极驱动光耦集成电路(IC)的可靠的Vce检测接口，特别地，涉及一种退饱和检测电路以及包含该退饱和检测电路的电路。
【背景技术】
[0002]逆变器功率电路的短路故障会造成绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极电流上升到一个非正常的高水平电流值，从而引起绝缘栅双极晶体管(IGBT)退出饱和状态。
[0003]具有退饱和检测和软关断功能的商用化栅极驱动光耦集成电路(1C)，例如AvagoACPL331J、HCPL-316J和Renesas PS9402等，但它们的缺点是内部有一个固定的退饱和输入阈值，在一些设计中该数值最低达到6.0V。
[0004]图1给出了现有技术中一种具有退饱和故障检测的栅极驱动光耦产品，AvagoACPL-331J10。Avago ACPL-331J具有软关断功能。栅极驱动光耦集成电路10的DESAT插脚(插脚14)监控绝缘栅极双极晶体管(IGBT) 20的集电极一发射极电压Vce。当短路发生并且绝缘栅极双极晶体管(IGBT) 20流过的电流非常大时，绝缘栅极双极晶体管(IGBT)将进入退饱和模式并且其集电极一发射极电压Vce将会上升。一旦电压Vce超出集成电路(IC)的内部退饱和故障检测阈值电压时，栅极驱动光耦集成电路10将检测到故障。当DESAT插脚(插脚14)检测到故障时，将接通在输出驱动阶段的一个弱下拉装置以“软”关断绝缘栅极双极晶体管(IGBT)从而可防止大的di/dt感应电压。 [0005]在如图1所示的传统设计中，二极管Dl和D2 (即为人所知的Vce检测二极管或DESAT 二极管)通过电阻R2直接连接到栅极驱动光耦集成电路(IC) 10的DESAT输入(插脚14)，电阻R2的典型/建议值为100 Ω。由电阻Rl和电容Cl组成的间隔时间滤波器，典型数值为Ik到4.7kΩ及In到4.7nF，并分别提供几个微秒的间隔时间。在一些方案中，电容Cl可能被设置为低至IOOpF并且省略R1，但这种方法会引起设计的抗噪能力问题。
[0006]Ve是电源轨GD_V+和GD_V_的公共电压(一般为0V)，而Ve连接到IC (插脚16)，并连接到IGBT20的发射极E。
[0007]绝缘栅双极晶体管IGBT模块工作时的典型Vce饱和电压为如1.5倍至2倍的额定电流并当工作在最大额定工作温度时，典型的Vce饱和电压可能超过3V。考虑到模块构造，若产品扩展并且内部电压下降，则饱和电压会更高。
[0008]Desat输入的设计裕量可以由以下公式计算:
,++ ^CE SIt)
[0009]In =-=——，、
Λ1 + Λ2( I )
[0010]Voh是栅极驱动光耦集成电路(IC) 10的输出高压。Vdi (和Vd2)是退饱和(DESAT)二极管Dl (和第二退饱和二极管D2 (若提供的话))开通状态下的正向电压。一般选择具有至少1000V反向额定电压的二极管，然而这些二极管的正向额定电压通常比标准的低压装置高。退饱和二极管可能包括一个或多个二极管。可能提供多个串联的DESAT 二极管或提供单个的DESAT 二极管。
[0011]若栅极驱动光耦集成电路(IC)输出高电压，Voh为15V，VCE_sat电压为3V且选择阻值为IkQ的电阻Rl，Desat输入的设计裕量可由以下公式计算:
[0012]iD =15-(0-8+0.8+3-0) = 9,45mA
D 1000+100
[0013]退饱和电压Vdesat可由以下公式计算:
[0014]Vdesat = Voh-RI X Id (2)
[0015]Vdesat = 15-lkX9.45 = 5.55V
[001 6] ^Desat Headroom "^DESAT—Threshold—Min ^DESAT (3)
[0017]其中Vdesat ThMstold Min为固定在栅极驱动光耦集成电路(IC)内的、最小内部阈值电压。
[0018]VDesat Headroom = 6-5.55 = 0.45V
[0019]通过这些计算表明，设计裕量小于0.5V，或如果绝缘栅双极晶体管(IGBT)的最大Vce饱和电压高达3.5V时，则设计裕量可以更低。这会导致栅极驱动光耦集成电路(IC)的误动作并引起逆变器功率电路设计的可靠性问题。
[0020]通常情况下，Vc e阈值电压的可行的设计数值在7V到13V之间。
[0021]在实际设计中，当实施如图1所示的传统电路时，需要采取额外的预防措施。例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)的反并联续流二极管30的反向恢复会引起Desat插脚电压被瞬间拉低到地电压以下(低于Ve的电位)，因此会正向偏置栅极驱动光耦集成电路(IC)的基板二极管。这种影响会造成栅极驱动光耦集成电路(IC)的插脚3产生错误的故障信号。
[0022]为使干扰最小化，需要通过权衡噪音抑制和间隔时间仔细考虑Cl的设计值。
[0023]另外，Vce检测二极管Dl和D2需要具有快恢复特性并具有小的反向电容以使栅极驱动光耦集成电路(IC)上的干扰最小化。可将肖特基二极管D3连接在Desat插脚(插脚14)和Ve (插脚16)之间以防止基板二极管在功率电路开关瞬态过程中的正向偏压。
[0024]具有约8V嵌位电压的齐纳二极管D4也可以和D3并联以防止正向瞬态影响Desat插脚(插脚14)。
[0025]反并联续流二极管30可以具有一个大的、超出其正常额定正向电压的瞬态正向电压。这会在Desat输入(插脚14)造成负瞬态，进而引起电流从栅极驱动光耦集成电路(IC)中抽走。为限制电流消耗，提供电阻R2并与Dl及D2串联，该电阻典型阻值大约为100 Ω。
实用新型内容
[0026]一方面，本实用新型提供了一种退饱和检测电路，用于光耦合器的退饱和检测输入和功率开关器件输出之间，该退饱和检测电路包括:一个具有输入端和输出端的阈值设定元件，所述输入端通过一个或多个二极管连接到功率开关器件的输出端，其中所述阈值设定元件用在所述输入端设定阈值电压，当输入电压过高时所述阈值设定元件将在其输出端提供一个输出；还包括一个具有输入端和输出端的检测器，所述检测器的输入端连接到所述阈值设定元件的输出端，所述检测器的输出端能够连接到所述光耦合器的退饱和检测输入，所述检测器用于检测阈值设定元件的输出端的输出并作出响应以在所述检测器的输出端向所述退饱和检测输入提供一个控制信号以触发所述光耦合器的退饱和动作。
[0027]第二方面，还提供了一种电路，包括:一个功率开关器件，光耦合器及如上所述的退饱和检测电路，所述光耦合器具有可检测退饱和的退饱和检测输入和输出，该输出耦合到所述功率开关器件以便为所述功率开关器件提供控制信号。
[0028]本实用新型的其它方面和特点在从属权利要求中给出。
[0029]在其中一种实施方案中，提供一种退饱和检测电路，用于光耦合器的退饱和检测输入和功率开关器件输出之间，该退饱和检测电路包括:一个具有输入端和输出端的阈值设定元件，所述输入端通过一个或多个二极管连接到所述功率开关器件输出端，其中所述阈值设定元件用来设定输入端的阈值电压，当输入电压过高时所述阈值设定元件将在其输出端提供一个输出；还包括一个具有输入端和输出端的检测器，所述检测器的输入端连接到所述阈值设定元件输出的输入端，所述检测器的输出端能够连接到所述光耦合器的退饱和检测输入，所述检测器用于检测阈值设定元件的输出端的输出并作出响应以在所述检测器的输出端向所述退饱和检测输入提供一个控制信号以触发所述光耦合器的退饱和动作。
[0030]在其中一种实施例中，上述检测器的输出电压保持在低于一定电压水平之下，在该电压水平下，若检测到所述阈值设定元件的输出，则触发所述光耦合器的退饱和动作。例如，所述检测器的输出保持在所述电路的公共电压水平直到检测到阈值设定元件产生输出为止，或例如，所述检测器的输出保持在公共电压和预定电压水平之间，在该电压水平下，若检测到阈值设定元件的输出，则触发光耦合器的退饱和动作。
[0031]上述阈值设定元件可能包括第一开关元件，该元件在所述功率开关器件的退饱和动作期间处于开通状态，直到所述功率开关器件的输出达到阈值电压为止；该检测器可能包括第二开关元件，所述第二开关元件在所述阈值设定元件产生输出时，处于关闭状态并向所述退饱和检测电路的退饱和输入提供控制信号。
[0032]可能向所述退饱和检测电路提供第一电阻网络以通过至少一个二极管将所述第一开关元件耦合到所述功率开关器件的输出，以及可能提供第二电阻网络以将所述第二开关元件耦合到所述光耦合器，所述第一开关元件和所述第二开关元件保持退饱和检测电路的输出电压低于所述光耦合器的退饱和检测输入电压直到所述功率开关器件的输出电压达到阈值电压为止。
[0033]上述第一开关元件和所述第二开关元件在所述功率开关器件工作在正常饱和模式时处于开通状态，并当所述功率开关器件退出饱和或处于关闭状态时，所述第一开关元件和所述第二开关元件处于关闭状态。
[0034]所述功率开关器件可能是具有集电极、发射极和栅极的绝缘栅极双极晶体管，所述阈值设定元件的输入通过至少一个二极管连接至所述绝缘栅极双极晶体管的集电极。所述光耦合器的输出连接到所述绝缘栅极双极晶体管的栅极。
[0035]本实用新型也提供一种电路，包括:一个功率开关器件，光耦合器及如上所述的退饱和检测电路，所述光耦合器具有可检测退饱和的退饱和检测输入和输出，所述输出耦合到所述功率开关器件以便为所述功率开关器件提供控制信号。
[0036]上述功率开关器件为具有集电极、发射极和栅极的绝缘栅极双极晶体管，所述退饱和检测电路的阈值设定元件的输入通过至少一个二极管连接至所述绝缘栅极双极晶体管的集电极，所述光耦合器的输出连接到所述绝缘栅极双极晶体管的栅极。【专利附图】
【附图说明】
[0037]通过以下对附图的描述，本实用新型实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，其中:
[0038]图1显示了现有技术中光耦合器的退饱和保护电路；
[0039]图2显示了本实用新型公开的一个实施例。
【具体实施方式】
[0040]下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的，而绝不是对本实用新型及其应用或用法的限制。在各个附图中采用相同的附图标记来表示相同的部件，因此相同部件的构造将不再重复描述。
[0041]以下结合附图以及【具体实施方式】对本实用新型的技术方案做进一步说明。
[0042]图2显示了一个电路的实施例，包括改进的Vce检测接口电路200。Dl和D2组成Vce检测二极管串(DESAT 二极管)，该二极管串通过退饱和检测电路200连接至栅极驱动光耦集成电路(1C)，而非通过R2 (如图1所示)直接连接到栅极驱动光耦集成电路(IC) 10的Desat输入。退饱和检测电路200位于栅极驱动光耦集成电路10的退饱和检测输入和具有集电极C、发射极E和栅极G的功率晶体管20 (即一 IGBT)的集电极之间。该集电极连接到待驱动的负载上，例如电机负载或制动斩波电阻器。
[0043]退饱和检测电路200包括阈值设定元件202和检测器元件206。阈值设定元件202具有输入208和输出210。输入208通过Vce检测二极管Dl和D2连接到功率晶体管20 (即IGBT的集电极)的输出。阈值设定元件202设定输入208处的下述电压:在该电压处，退饱和检测电路200将向栅极驱动光耦集成电路的退饱和检测输入提供输出控制信号以触发退饱和动作。当输入电压过高时，阈值设定元件202在其输出210处提供一个输出。
[0044]检测器元件206具有输入218和输入220，输入218连接到阈值设定元件202的输出210，输入220连接到栅极驱动光耦集成电路10的退饱和检测输入。检测器元件206用于检测阈值设定元件202的输出210的输出电压并在检测器的输出220处为栅极驱动光耦集成电路10的退饱和检测输入提供一个输出电压以触发退饱和动作。阈值设定元件202因此用于确定正常工作所需的一个或多个条件是否得以满足，若不满足，则向检测器206产生一个输出电压。
[0045]阈值设定元件202包括第一开关元件Ql (即双极晶体管)。在本实施例中，开关元件Ql的基极通过由电阻R2、R6、R7和R8组成的电阻网络连接到退饱和检测电路的输入208 (以及Vce检测二极管串(Dl和D2))。检测器元件206包括第二开关元件Q2 (即双极晶体管)。在本实施例中，开关元件Q2的集电极通过电阻R3连接到退饱和检测电路200的输出220。
[0046]开关元件Ql的集电极通过由电阻R4、R5和R9组成的电阻网络连接到开关元件Q2的基极。开关Ql将根据绝缘栅双极晶体管IGBT集电极的电压水平进行开关动作。当绝缘栅双极晶体管IGBT在正常的开状态并饱和时，Ql和Q2也会处于开通状态，Q2(退饱和检测电路200的输出220)的集电极通过R3控制栅极驱动光耦集成电路IC (插脚14)的Desat输入，并保持其电压水平低于VE，即低于栅极驱动光耦集成电路IC的常用电压。当绝缘栅双极晶体管IGBT处于断开状态、退出饱和状态或处于退饱和过程中时，Q2都将会进入断开状态。
[0047]尽管主调节通过改变R8完成，阈值设定元件202用于改变状态的阈值电压由电阻R2、R6、R7和R8确定。和图1中的传统电路类似，R2阻值选择在100 Ω左右。R6、R7和R8的典型阻值分别在820 Ω、470 Ω和5k6 Ω左右。
[0048]应该明白，电阻R2可能和退饱和检测电路200 (如图所示)集成在一起或者可能是在退饱和检测电路200之外的单独部件。
[0049]通过部件D5、R7的组合可防止Ql的饱和开关动作，且通过部件D4、R4的组合可防止Q2的饱和开关动作，因此，当检测到绝缘栅双极晶体管IGBT的退饱和条件时，可迅速断开开关元件Ql和Q2。电容C2跨接在Ql的基极和发射极之间，作为噪音滤波器以防止来自逆变器功率电路的干扰。二极管D6的阳极连接到GD_V+导线，可分流来自Dl和D2的反向恢复电流瞬态以防止其进入检测电路。
[0050]选择电阻R4、R5和R9以在Ql接通时提供足够的基极电流来控制Q2，并在Ql断开时提供抗饱和条件以确保Q2能够快速断开。当\处于高电平状态并且Q2导通时，R3的阻值选择在能够保持栅极驱动光耦集成电路IC的Desat插脚的电压低于Ve并导通D3。R3的阻值取决于Rl的阻值选择，并和Cl 一起设置间隔时间。
[0051 ] 图2将对退饱和检测电路200的工作原理进行进一步描述。
[0052]栅极驱动电路开始处于断开状态，栅极驱动光耦集成电路IC的Vtj插脚(插脚11)处于低电平状态并且保持在接近Vee的电位，其典型值在-5和-1OV之间，相对于Ve取决于GD_V-的电压值。绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极G也在此电位，保持功率模块关闭。栅极驱动光耦集成电路IC的Desat输入(插脚14)通过二极管D3的正向压降被保持在稍微低于Ve的电压水平，并且若忽略半导体压降，则流经D3的近似电流可由以下公式计算:
【权利要求】
1.一种退饱和检测电路，用于光耦合器的退饱和检测输入和功率开关器件的输出之间，所述退饱和检测电路包括: 具有输入端和输出端的阈值设定元件，所述输入端通过一个或多个二极管连接到所述功率开关器件的输出端，所述阈值设定元件用于在所述输入端设定阈值电压，当输入电压过高时所述阈值设定元件将在其输出端提供一个输出，以及 具有输入端和输出端的检测器，所述检测器的输入端连接到所述阈值设定元件的输出端，所述检测器的输出端能够连接到所述光耦合器的退饱和检测输入，所述检测器用于检测所述阈值设定元件的输出端的输出并作出响应以在所述检测器的输出端提供控制信号，以便所述退饱和检测输入触发所述光耦合器的退饱和动作。
2.根据权利要求1所述的退饱和检测电路，其特征在于，所述检测器的输出电压保持在低于预定电压水平之下，在所述预定电压水平下，若检测到所述阈值设定元件的输出，则触发所述光耦合器的退饱和动作。
3.根据权利要求1所述的退饱和检测电路，其特征在于，所述检测器的输出保持在电路的常用电压水平，直到检测到所述阈值设定元件的输出为止。
4.根据权利要求1所述的退饱和检测电路，其特征在于，所述检测器的输出保持在常用电压和预定电压水平之间，在所述预定电压水平下，若检测到所述阈值设定元件的输出，则触发所述光耦合器的退饱和动作。
5.根据权利要求1所述的退饱和检测电路，其特征在于， 所述阈值设定元件包括第一开关元件，所述第一开关元件在所述功率开关器件的退饱和动作期间处于开通状态，直到所述功率开关器件的输出达到阈值电压为止，及 所述检测器包括第二开关元件，当所述阈值设定元件产生输出时，所述第二开关元件处于关闭状态，并向所述退饱和检测电路的退饱和输入提供控制信号。
6.根据权利要求5所述的退饱和检测电路，其特征在于，所述退饱和检测电路还包括第一电阻网络和第二电阻网络，所述第一电阻网络用于通过至少一个二极管将所述第一开关元件耦合到所述功率开关器件的输出，所述第二电阻网络用于将所述第二开关元件耦合到所述光耦合器，所述第一开关元件和所述第二开关元件保持所述退饱和检测电路的输出电压低于所述光耦合器的退饱和检测输入电压，直到所述功率开关器件的输出电压达到阈值电压为止。
7.根据权利要求5或6所述的退饱和检测电路，其特征在于，当所述功率开关器件工作在正常饱和模式时，所述第一开关元件和所述第二开关元件处于开通状态；当所述功率开关器件工作在非饱和状态或处于关闭状态时，所述第一开关元件和所述第二开关元件处于关闭状态。
8.根据权利要求1所述的退饱和检测电路，其特征在于，所述功率开关器件为具有集电极、发射极和栅极的绝缘栅极双极晶体管，所述阈值设定元件的输入通过至少一个二极管连接至所述绝缘栅极双极晶体管的集电极。
9.一种电路，其特征在于，所述电路包括: 功率开关器件， 光耦合器，所述光耦合器具有可检测退饱和的退饱和检测输入和输出，所述输出耦合到所述功率开关器件以向所述功率开关器件提供控制信号；及如权利要求1至8中任一项所述的退饱和检测电路。
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述功率开关器件为具有集电极、发射极和栅极的绝缘栅极双极晶体管，所述退饱和检测电 路的阈值设定元件的输入通过至少一个二极管连接至所述绝缘栅极双极晶体管的集电极，所述光耦合器的输出连接到所述绝缘栅极双极晶体管的栅极。
【文档编号】H02M1/092GK203747637SQ201420039139
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2013年1月22日
【发明者】罗伯特·安东尼·卡特尔 申请人:控制技术有限公司