IGBT管的过压保护装置的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种IGBT管的过压保护装置。

背景技术：

IGBT管因其驱动功率小而饱和压降低的特点而被广泛应用。在相关技术中，IGBT管经常因过压而损坏。但是，相关技术没有一个有效的方法以解决IGBT管的过压问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种能够对IGBT管进行过压保护的IGBT管的过压保护装置。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种IGBT管的过压保护装置，包括：采集模块，所述采集模块用于采集IGBT管的C极电压以通过所述采集模块的输出端输出第一电压；比较模块，所述比较模块用于根据所述第一电压生成比较信号；泄压保护模块，所述泄压保护模块用于输出保护信号以控制所述IGBT管工作在放大区域，以对所述IGBT管进行泄压保护；开关控制模块，所述开关控制模块具有信号输入端、信号输出端、PWM信号接收端和泄放信号接收端，所述PWM信号接收端用于接收PWM信号以控制所述IGBT管处于正常工作状态，所述信号输入端与所述比较模块相连，所述泄放信号接收端与所述泄压保护模块相连，所述PWM信号接收端与所述信号输出端之间具有第一路径，所述泄放信号接收端与所述信号输出端之间具有第二路径，所述开关控制模块根据所述比较信号控制所述第一路径或所述第二路径接通，以通过所述信号输出端对应输出所述PWM信号或所述保护信号。

根据本发明实施例提出的IGBT管的过压保护装置，通过开关控制模块的PWM信号接收端接收PWM信号以控制IGBT管处于正常工作状态，并通过泄压保护模块输出保护信号以控制IGBT管工作在放大区域，进而对IGBT管进行泄压保护，开关控制模块根据比较模块生成的比较信号控制第一路径或第二路径接通，以通过信号输出端对应输出PWM信号或保护信号。由此，当IGBT管的电压过高时，通过泄压保护模块使IGBT管工作在放大区以进行泄压，从而有效的保护IGBT管，同时不影响IGBT管的正常工作。

根据本发明的一个具体实施例，所述比较模块包括：比较器，所述比较器的正输入端 与所述采集模块的输出端相连，所述比较器的负输入端与提供参考电压的电压提供电路相连，所述比较器的输出端与所述开关控制模块的信号输入端相连，所述比较器的电源端与第一预设电源相连，所述比较器的接地端接地。

进一步地，根据本发明的一个具体实施例，所述比较模块包括：第一电阻，所述第一电阻的一端与所述比较器的输出端相连，所述第一电阻的另一端与所述比较器的正输入端相连。

根据本发明的一个实施例，当所述IGBT管的C极电压上升到大于第一预设电压时，所述开关控制模块控制所述第二路径接通且控制所述第一路径断开；当所述IGBT管的C极电压下降到小于第二预设电压时，所述开关控制模块控制所述第一路径接通且控制所述第二路径断开，其中，所述第二预设电压小于所述第一预设电压。

其中，所述电压提供电路包括：串联的第二电阻和第三电阻，所述第二电阻的一端与所述第一预设电源相连，所述第二电阻的另一端与所述第三电阻的一端相连，所述第三电阻的另一端接地，其中，所述第二电阻与所述第三电阻之间具有第一节点，所述第一节点与所述比较器的负输入端相连。

进一步地，所述比较模块还包括：第四电阻，所述第四电阻的一端与所述比较器的输出端相连，所述第四电阻的另一端与所述第一预设电源相连。

根据本发明的一个具体实施例，所述采集模块包括：串联的第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的一端与所述IGBT管的C极相连，所述第五电阻的另一端与所述第六电阻的一端相连，所述第六电阻的另一端接地，其中，所述第五电阻与所述第六电阻之间具有第二节点，所述第二节点作为所述采集模块的输出端。

根据本发明的一个具体实施例，所述泄压保护模块包括：串联的第七电阻和稳压二极管，所述第七电阻的一端与第二预设电源相连，所述第七电阻的另一端与所述稳压二极管的阴极相连，所述稳压二极管的阳极接地，其中，所述第七电阻与所述稳压二极管之间具有第三节点，所述第三节点与所述开关控制模块的泄放信号接收端相连。

根据本发明的一个具体实施例，所述的IGBT管的过压保护装置还包括驱动所述IGBT管的驱动电路，其中，所述驱动电路包括：第八电阻；NPN三极管和PNP三极管，所述NPN三极管的集电极通过所述第八电阻与所述第二预设电源相连，所述NPN三极管的发射极与所述PNP三极管的发射极相连，所述NPN三极管的基极与所述PNP三极管的基极相连，所述PNP三极管的集电极接地，其中，所述NPN三极管的发射极与所述PNP三极管的发射极之间具有第四节点，所述NPN三极管的基极与所述PNP三极管的基极之间具有第五节点，所述第五节点与所述开关控制模块的信号输出端相连；第九电阻，所述第九电阻的一端与所述第四节点相连，所述第九电阻的另一端与所述IGBT管的C极相连；第 一电容，所述第一电容的一端分别与所述第九电阻的另一端和所述IGBT管的C极相连，所述第一电容的另一端接地。

附图说明

图1是根据本发明实施例的IGBT管的过压保护装置的方框示意图；

图2是根据本发明一个实施例的IGBT管的过压保护装置的控制原理示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的IGBT管的过压保护装置的电路原理图；以及

图4是根据本发明另一个具体实施例的IGBT管的过压保护装置中电源滤波的电路原理图。

附图标记：

采集模块10、比较模块20、泄压保护模块40、开关控制模块50、驱动电路60和IGBT管70；

比较器LM、第一电阻R1、电压提供电路201、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；

第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和稳压二极管ZD；

第八电阻R8、NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、第九电阻R9和第一电容C1；

第十电阻R10、第一滤波电容C2和第二滤波电容C3。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述本发明实施例提出的IGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)管的过压保护装置。

图1是根据本发明实施例的IGBT管的过压保护装置的方框示意图。在本发明的一个优选实施例中，IGBT管70可设置在电加热装置的谐振模块中，通过控制IGBT管70的导通或关断以使谐振模块中的谐振电容和谐振线圈进行谐振工作。具体地，IGBT管70的E极(发射极)接地，IGBT管70的C极(集电极)可与谐振电容和谐振线圈相连，这样，通过采集IGBT管70的C极电压即可判断IGBT管70是否过压，从而实现过压保护。需要说明的是，在以上实施例中虽然以电加热装置为例进行说明，但是IGBT管70也可以应用与其他电器中。

如图1所示，根据本发明实施例的IGBT管的过压保护装置包括：采集模块10、比较 模块20、泄压保护模块40和开关控制模块50。

其中，采集模块10用于采集IGBT管70的C极电压以通过采集模块10的输出端输出第一电压；比较模块20用于根据第一电压生成比较信号；泄压保护模块40用于输出保护信号以控制IGBT管70工作在放大区域，以对IGBT管70进行泄压保护。

开关控制模块50具有信号输入端、信号输出端、PWM信号接收端和泄放信号接收端，PWM信号接收端用于接收PWM信号以控制IGBT管70处于正常工作状态，信号输入端与比较模块20相连，泄放信号接收端与泄压保护模块40相连，PWM信号接收端与信号输出端之间具有第一路径，泄放信号接收端与信号输出端之间具有第二路径，开关控制模块50根据比较信号控制第一路径或第二路径接通，以通过信号输出端对应输出PWM信号或保护信号。也就是说，开关控制模块50的PWM信号接收端可与控制器相连以接收PWM信号，开关控制模块50在控制第一路径接通时可通过信号输出端输出PWM信号；开关控制模块50在控制第二路径接通时可通过信号输出端输出保护信号。

也就是说，在通过接收到的PWM信号对IGBT管70进行控制的过程中，可通过采集模块10实时采集IGBT管70的C极电压并输出第一电压，比较模块20根据第一电压判断IGBT管70是否过压并根据判断结果输出比较信号，之后，开关控制模块50根据比较信号在正常工作通道(第一路径)与泄压保护通道(第二路径)之间进行切换，如果过压，则切换至保护通道，从而实现过压保护，如果未过压，则切换至正常工作通道。

需要说明的是，在IGBT管70的E极接地的情况下，IGBT管70的C极电压在IGBT管70导通时基本上等于接地电压，IGBT管70的C极电压的过压现象将在IGBT管70关断期间发生，这样在IGBT管70关断期间进行泄压保护切换基本不影响IGBT管的正常工作。

由此，本发明实施例提出的IGBT管的过压保护装置，通过开关控制模块的PWM信号接收端接收PWM信号以控制IGBT管处于正常工作状态，并通过泄压保护模块输出保护信号以控制IGBT管工作在放大区域，进而对IGBT管进行泄压保护，开关控制模块根据比较模块生成的比较信号控制第一路径或第二路径接通，以通过信号输出端对应输出PWM信号或保护信号。这样，当IGBT管的电压过高时，通过泄压保护模块使IGBT管工作在放大区以进行泄压，从而有效的保护IGBT管，同时不影响IGBT管的正常工作。

下面结合图2和图3对本发明实施例的IGBT管的过压保护装置的电路结构进行详细描述。

根据本发明的一个具体实施例，如图3所示，比较模块20包括：比较器LM。

其中，比较器LM的正输入端与采集模块10的输出端相连，比较器LM的负输入端与提供参考电压Vref的电压提供电路201相连，比较器LM的输出端与开关控制模块50的 信号输入端即管脚1和管脚16相连，比较器LM的电源端与第一预设电源VDD(例如+8.2V)相连，比较器LM的接地端接地。

进一步地，如图3所示，比较模块20还包括：第一电阻R1，其中，第一电阻R1的一端与比较器LM的输出端相连，第一电阻R1的另一端与比较器LM的正输入端相连。需要说明的是，第一电阻R1为比较器LM的正反馈电阻，可决定比较信号翻转时间的长短。

根据本发明的一个实施例，IGBT管的C极电压的变化可如图2中的波形所示。如图2所示，当IGBT管70的C极电压上升到大于第一预设电压例如电压值A时，开关控制模块50控制第二路径接通且控制第一路径断开，进行泄压保护；当IGBT管70的C极电压下降到小于第二预设电压例如电压值B时，开关控制模块50控制第一路径接通且控制第二路径断开，停止泄压保护，其中，第二预设电压小于第一预设电压。

也就是说，当开关控制模块50的导通路径由第一路径切换至第二路径之后，会延时一定的时间，以在一定的时间内进行泄压，直至IGBT管的C极电压泄放到低于电压值B，开关控制模块50的导通路径由第二路径切换至第一路径。

进一步地，如图3所示，比较模块LM还包括：第四电阻R4，第四电阻R4的一端与比较器LM的输出端相连，第四电阻R4的另一端与第一预设电源VDD相连。需要说明的是，第四电阻R4为比较器LM的上拉电阻。

具体地，如图3所示，电压提供电路201包括：第二电阻R2和第三电阻R3。第二电阻R2和第三电阻R3串联，第二电阻R2的一端与第一预设电源VDD相连，第二电阻R2的另一端与第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端接地，其中，第二电阻R2与第三电阻R3之间具有第一节点，第一节点与比较器LM的负输入端相连，即言第一节点可提供参考电压Vref至比较器LM的负输入端。换言之，比较器LM的负输入端的参考电压Vref由第二电阻R2和第三电阻R3的分压提供。

根据本发明的一个具体实施例，如图3所示，采集模块10包括：第五电阻R5和第六电阻R6。其中，第五电阻R5和第六电阻R6串联，第五电阻R5的一端与IGBT管70的C极相连，第五电阻R5的另一端与第六电阻R6的一端相连，第六电阻R6的另一端接地，其中，第五电阻R5与第六电阻R6之间具有第二节点，第二节点作为采集模块10的输出端与比较器LM的正输入端相连。

如上所述，当IGBT管70的C极电压未出现过压即IGBT管70的C极电压低于第一预设电压例如电压值A时，比较器LM的正输入端的电压小于比较器LM的负输入端的参考电压Vref，比较器LM的输出端输出低电平，此时第一电阻R1的一端可看作接地，第一电阻R1的另一端还与第二节点相连，这样第一电阻R1与第六电阻R6并联，IGBT管70的C极电压将由第五电阻R5和并联第一电阻R1与第六电阻R6分压之后再输入到比较器 LM的正输入端。

之后，当IGBT管70的C极电压出现过压即IGBT管70的C极电压超过第一预设电压时，比较器LM的正输入端的电压大于比较器LM的负输入端的参考电压Vref，比较器LM的输出端输出高电平，第一电阻R1将不再与第六电阻R6并联，IGBT管70的C极电压将由第五电阻R5和第六电阻R6分压之后再输入到比较器LM的正输入端，这样通过第一电阻R1的正反馈延时比较器LM将输出一定时间的高电平；同时比较器LM输出高电平至开关控制模块50，开关控制模块50控制第二路径接通，通过泄压保护模块40进行泄放，IGBT管70的C极电压将逐渐降低，当IGBT管的C极电压下降至小于第二预设电压例如电压值B时，比较器LM的正输入端的电压小于比较器LM的负输入端的参考电压Vref，比较器LM的输出端输出低电平至开关控制模块50，开关控制模块50控制第一路径接通，IGBT管70恢复到正常工作状态。可以理解的是，可通过调节第一电阻R1的阻值调整输出高电平的时间，即调整反时间。

根据本发明的一个具体实施例，如图3所示，泄压保护模块40包括：第七电阻R7和稳压二极管ZD。其中，第七电阻R7和稳压二极管ZD串联，第七电阻R7的一端与第二预设电源VCC(例如+18V)相连，第七电阻R7的另一端与稳压二极管ZD的阴极相连，稳压二极管ZD的阳极接地，其中，第七电阻R7与稳压二极管ZD之间具有第三节点，第三节点与开关控制模块50的泄放信号接收端即管脚7相连。

也就是说，泄压保护模块40可输出稳定的电压以使控制IGBT管70工作在放大区域。经过开关管以及推挽电路后会有0.7V～1.5V左右的损失稳定的电压可为大约在7V～8V。

另外，开关控制模块50的电源端即管脚14与第二预设电源VCC相连，开关控制模块50的接地端即管脚15接地。

根据本发明的一个具体实施例，如图3所示，IGBT管的过压保护装置还包括：驱动IGBT管70的驱动电路60，其中，驱动电路60包括：第八电阻R8、NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、第九电阻R9和第一电容C1。

NPN三极管Q1的集电极通过第八电阻R8与第二预设电源VCC相连，NPN三极管Q1的发射极与PNP三极管Q2的发射极相连，NPN三极管Q1的基极与PNP三极管Q2的基极相连，PNP三极管Q1的集电极接地，其中，NPN三极管Q1的发射极与PNP三极管Q2的发射极之间具有第四节点，NPN三极管Q1的基极与PNP三极管Q2的基极之间具有第五节点，第五节点与开关控制模块50的信号输出端即管脚8相连；第九电阻R9的一端与第四节点相连，第九电阻R9的另一端与IGBT管70的C极相连；第一电容C1的一端分别与第九电阻R9的另一端和IGBT管70的C极相连，第一电容C1的另一端接地。

具体而言，当IGBT管70的C极电压未出现过压时，比较器LM的输出端输出低电平， 开关控制模块50控制第一路径接通，PWM信号通过驱动电路60输入至IGBT管70的G极，此时通过NPN三极管Q1和PNP三极管Q2构成的推挽电路和第九电阻R9的限流，使IGBT管70处于正常工作状态。

当IGBT管70的C极电压出现过压时，比较器LM的输出端输出高电平，开关控制模块50控制第二路径接通，保护信号通过驱动电路60输入至IGBT管70的G极，此时通过NPN三极管Q1和PNP三极管Q2构成的推挽电路和第九电阻R9的限流，使IGBT管70处于放大区域，以进行泄压。

另外，根据本发明的一个具体实施例，如图3所示，IGBT管的过压保护装置还包括：第十电阻R10，其中，开关控制模块50的PWM信号接收端即管脚4通过第十电阻R10与控制器相连，。

根据本发明的另一个具体实施例，如图4所示，IGBT管的过压保护装置还包括：第一滤波电容C2，第一滤波电容C2的一端与第一预设电源VDD相连，第一滤波电容C2的另一端接地，第一滤波电容C2用于对第一预设电源VDD进行滤波。优选地，第一滤波电容C2可为电解电容，电解电容的正极与第一预设电源VDD相连，电解电容的负极接地。

根据本发明的另一个具体实施例，如图4所示，IGBT管的过压保护装置还包括：第二滤波电容C3，第二滤波电容C3的一端与第二预设电源VCC相连，第二滤波电容C2的另一端接地，第二滤波电容C3用于对第二预设电源VCC进行滤波。优选地，第二滤波电容C3可为电解电容，电解电容的正极与第二预设电源VCC相连，电解电容的负极接地。

综上所述，根据本发明实施例提出的IGBT管的过压保护装置，通过开关控制模块的PWM信号接收端接收PWM信号以控制IGBT管处于正常工作状态，并通过泄压保护模块输出保护信号以控制IGBT管工作在放大区域，进而对IGBT管进行泄压保护，开关控制模块根据比较模块生成的比较信号控制第一路径或第二路径接通，以通过信号输出端对应输出PWM信号或保护信号。由此，当IGBT管的电压过高时，通过泄压保护模块使IGBT管工作在放大区以进行泄压，从而有效的保护IGBT管，同时不影响IGBT管的正常工作。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三 个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。