本发明涉及电力电子技术领域及功率集成电路领域，特别是涉及一种igbt过流保护电路及方法。
背景技术：
功率半导体器件自上世纪70年代问世以来，经过40多年的发展，已经有了长足的发展。igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)集成了高电压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细加工技术，表现出很好的综合性能，其在大功率领域表现出强大的生命力。与其他电力电子器件相比，igbt具有高可靠性、驱动简单、保护容易、开关频率高、电压型驱动、驱动功率小、饱和压降低、可耐高电压大电流等特点，在汽车电子、消费电子、轨道交通、电力领域、新能源等各个传统和新兴的领域得到了广泛的应用。
igbt工作在高电压大电流的恶劣环境之下，常常因各种原因而失效损坏。失效损坏的种类主要包括：过热损坏，超出关断安全工作区引起锁定效应而损坏以及过压造成igbt击穿。几乎所有的损坏都与集电极电流ic过大有关，因此为了保证整个系统平稳、正常、智能运行，对igbt电流的实时监测十分重要。目前常用的igbt电流检测方式主要有三种：
(1)电流传感器检测：使用电流传感器对igbt集电极电流或母线电流进行检测，若发生电流异常，发出故障信号，并进行相关处理。使用的器件一般为霍尔器件或罗氏线圈。
(2)vce退饱和检测：由于igbt的饱和导通特性，当集电极电流ic从igbt中流过时，会在集电极-发射极产生一定的压降vce，vce与ic成正比，当ic过大时，会导致vce急剧增加，vce最能有效的反应igbt电流。
(3)分流电阻检测：将一低阻值分流电阻串联于igbt电流回路中，读取分流电阻电压实时监测igbt电流。
以上三种检测方法均需要采用高压或者大电流器件，因而电流检测成本高、控制器体积大、效率低，解决上述问题已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种igbt过流保护电路及方法，用于解决现有技术中电流检测成本高、控制器体积大、效率低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种igbt过流保护电路，所述igbt过流保护电路至少包括：
igbt栅驱动模块，米勒平台识别模块以及米勒平台栅极电压提取模块；
所述米勒平台识别模块连接于待测igbt的栅极，用于检测所述待测igbt的米勒平台，并输出米勒平台检测信号；
所述米勒平台栅极电压提取模块连接于所述待测igbt的栅极，受控于所述米勒平台识别模块的输出信号，同时连接于所述igbt栅驱动模块的输入端，用于采集所述待测igbt的米勒平台栅极电压，并根据所述待测igbt的米勒平台栅极电压产生过流保护信号；
所述igbt栅驱动模块连接于所述米勒平台栅极电压提取模块的输出端，当所述过流保护信号起效时，所述待测igbt被所述igbt栅驱动模块关闭，实现过流保护。
优选地，所述igbt栅驱动模块包括脉冲信号产生单元及栅驱动单元；
所述脉冲信号产生单元连接于所述栅驱动单元的输入端，用于提供一脉冲信号，所述脉冲信号为脉冲宽度调制信号；
所述栅驱动单元连接所述脉冲信号产生单元和所述米勒平台栅极电压提取模块的输出端以及所述待测igbt的栅极，用于驱动所述待测igbt。
优选地，所述米勒平台识别模块包括带通滤波器、第一比较器及逻辑运算器；
所述带通滤波器的输入端连接所述待测igbt的栅极，对所述待测igbt的栅极电压进行滤波处理；
所述第一比较器的输入端分别连接所述带通滤波器的输出端及第一参考电压，将所述带通滤波器的输出信号与所述第一参考电压比较；
所述逻辑运算器的输入端连接所述第一比较器及所述igbt栅驱动模块的输出端，将所述第一比较器输出的比较结果与所述待测igbt的栅驱动信号进行逻辑运算，以控制所述米勒平台栅极电压提取模块，从而检测所述待测igbt的米勒平台。
更优选地，所述米勒平台识别模块还包括连接于所述第一比较器的输入端与所述带通滤波器之间的缓冲器；
所述缓冲器的输入端连接所述带通滤波器的输出端、输出端连接所述第一比较器的输入端，用于对所述带通滤波器的输出信号进行缓冲。
优选地，所述米勒平台栅极电压提取模块包括放大器、模拟开关管、电容及第二比较器；
所述放大器的输入端连接所述待测igbt的栅极，用于放大所述待测igbt的栅极电压；
所述模拟开关管连接于所述放大器的输出端及所述电容的上极板之间，控制端连接所述米勒平台识别模块的输出端，当所述米勒平台识别模块检测到米勒平台时所述模拟开关管打开，当所述米勒平台识别模块未检测到米勒平台时所述模拟开关管关闭；
所述电容的下极板接地，用于保存所述待测igbt的米勒平台栅极电压；
所述第二比较器的输入端分别连接所述电容的上极板及所述第二参考电压，用于将所述igbt的米勒平台栅极电压与所述第二参考电压进行比较，以得到所述过流保护信号。
更优选地，所述米勒平台栅极电压提取模块还包括连接于所述电容上极板的模数转换器，用于将所述电容上的模拟信号转化为数字信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种igbt过流保护方法，所述igbt过流保护方法至少包括：
检测待测igbt的栅极电压，当检测到所述待测igbt的米勒平台时，提取所述待测igbt的米勒平台栅极电压，并基于所述待测igbt的米勒平台栅极电压判断所述待测igbt的集电极是否过流，若所述待测igbt的集电极过流，则关断所述待测igbt，进而实现过流保护。
优选地，所述待测igbt的米勒平台栅极电压与所述待测igbt的集电极电流满足如下关系式：
其中，vgate为所述待测igbt的米勒平台栅极电压，vdrvie为所述待测igbt的栅极驱动信号的电压，vth为所述待测igbt的阈值电压，gm为所述待测igbt的等效电路中mos管的跨导，α为所述待测igbt的等效电路中三极管的增益，ic为所述待测igbt的集电极电流。
优选地，检测所述待测igbt的米勒平台的方法具体包括：检测所述待测igbt的栅极电压；将所述待测igbt的栅极电压经过滤波和缓冲后与第一参考电压进行比较，并输出比较结果；所述比较结果与所述待测igbt的栅驱动信号进行逻辑运算，进而产生米勒平台栅极电压提取模块中模拟开关管的控制信号。
优选地，提取所述待测igbt的米勒平台栅极电压的方法具体包括：当检测到所述待测igbt的米勒平台时，所述待测igbt的栅极电压被提取；当未检测到所述待测igbt的米勒平台时，所述待测igbt的栅极电压被屏蔽，提取信号保持为所述待测igbt的前一米勒平台栅极电压。
如上所述，本发明的igbt过流保护电路及方法，具有以下有益效果：
本发明的igbt过流保护电路及方法避免使用高压大电流器件，利用igbt的米勒平台效应，以及igbt的米勒平台栅极电流与igbt的集电极电流存在的特定关系，通过检测igbt的米勒平台栅极电压间接实现对igbt的集电极电流进行检测，进而实现过流保护，检测成本低、占用体积小、效率高。
附图说明
图1显示为igbt等效电路示意图。
图2显示为igbt的一种测试电路的等效电路示意图。
图3显示为igbt的米勒平台栅极电流与集电极电流之间的关系示意图。
图4显示为本发明的igbt过流保护电路的结构示意图。
图5显示为本发明的igbt过流保护电路的波形示意图。
图6显示为提取信号与igbt器件的集电极电流的关系示意图。
元件标号说明
1igbt过流保护电路
11igbt栅驱动模块
111脉冲信号产生单元
112栅驱动单元
12米勒平台识别模块
121带通滤波器
122缓冲器
123第一比较器
124逻辑运算器
13米勒平台栅极电压提取模块
131放大器
132模数转换器
133第二比较器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，igbt可以简单等效成一个nmos管控制的pnp三极管结构；所述nmos管的漏极连接所述pnp三极管的栅极，源极连接所述pnp三极管的发射极，并作为所述igbt的发射极；所述nmos管的栅极作为所述igbt的栅极；所述pnp三极管的集电极作为所述igbt的集电极。
如图2所示为一种igbt的测试电路，所述nmos管的栅极连接驱动信号，所述igbt的栅极驱动信号vdrvie由一脉冲信号等效，通过驱动器加载到所述nmos管的栅极，所述nmos管的栅极和所述驱动器之间还连接有所述igbt的等效栅极电阻rg；所述pnp三极管的发射极接地、集电极通过电感l连接一直流电压vdc，所述电感l的两端并联一二极管d，所述二极管d的正极连接所述pnp三极管的集电极，所述二极管d的负极连接所述直流电压vdc，所述电感l可用其他负载代替，或其他能与所述igbt构成功率电路的器件，不以本实施例为限。
所述igbt的米勒平台栅极电流ig与集电极电流ic存在如下关系：
id＝gm(vgs-vth)(2)
其中，rg为igbt栅级电阻，vgate为igbt的米勒平台栅极电压，id为等效nmos的漏电流，gm为等效nmos的跨导，vdrvie为外加驱动电压，vth为igbt阈值电压，α为pnp三极管增益。
如图3所示，所述igbt的米勒平台栅极电流ig与集电极电流ic之间存在正相关关系。因此，igbt集电极电流检测可以通过对igbt的米勒平台栅极电流检测间接实现，当所述igbt的米勒平台栅极电流ig超过一定值时，即可判定所述igbt集电极过流。考虑到电压检测更容易些，故在本发明中采用检测所述igbt的米勒平台栅极电压vgate来代替直接检测所述igbt的米勒平台栅极电流ig。
因此，由式(1)可知，所述待测igbt的米勒平台栅极电压vgate与所述待测igbt的集电极电流ic满足如下关系式：
如图4所示，本发明提供一种igbt过流保护电路1，所述igbt过流保护电路1至少包括：
igbt栅驱动模块11，米勒平台识别模块12以及米勒平台栅极电压提取模块13。
如图4所示，在本实施例中，待测igbt与另一igbt器件连接形成半桥结构的功率电路。
具体地，包括第一igbt器件q1及第二igbt器件q2。所述第一igbt器件q1的发射极接地、集电极连接所述第二igbt器件q2的发射极，所述第二igbt器件q2的集电极连接直流电压vdc，所述第一igbt器件q1用于作为待测igbt。任意可与所述第一igbt器件q1连接形成功率电路的单个或多个器件均可替换本发明中的第二igbt器件q2，不以本实施例为限。
如图4所示，所述igbt栅驱动模块11连接于所述米勒平台栅极电压提取模块13的输出端及所述第一igbt器件q1的栅极，当所述米勒平台栅极电压提取模块13输出的过流保护信号voc起效时，所述igbt驱动模块11将所述待测igbt关闭，实现过流保护。
具体地，所述igbt测试模块11包括脉冲信号产生单元111及栅驱动单元112。
更具体地，所述脉冲信号产生单元111连接于所述栅驱动单元112的输入端，用于提供一脉冲信号vpulse，所述脉冲信号vpulse为脉冲宽度调制信号(pwm)。
更具体地，所述栅驱动单元112连接于所述脉冲信号产生单元111和所述米勒平台栅极电压提取模块13的输出端以及所述第一igbt器件q1的栅极，用于驱动所述第一igbt器件q1。
如图4所示，所述米勒平台识别模块12连接于所述第一igbt器件q1的栅极，用于检测所述第一igbt器件q1的米勒平台，并输出米勒平台检测信号vsw。
具体地，所述米勒平台识别模块12包括带通滤波器121、缓冲器122、第一比较器123及逻辑运算器124。
更具体地，所述带通滤波器121的输入端连接所述第一igbt器件q1的栅极，用于对所述第一igbt器件q1的栅极电压进行滤波。
更具体地，所述缓冲器122的输入端连接所述带通滤波器121的输出端、输出端连接所述第一比较器123的输入端，用于对所述带通滤波器121的输出信号进行缓冲。
更具体地，所述第一比较器123的输入端分别连接所述缓冲器122及第一参考电压vref1，用于将所述第一igbt器件q1的栅极电压经滤波和缓冲后与所述第一参考电压vref1比较。在本实施例中，所述第一比较器123的正相输入端连接所述缓冲器123的输出端、反相输入端连接所述第一参考电压vref1，在实际使用中可将通过增加反相器来改变输入信号与输出信号的极性，实现相同的逻辑，不以本实施例为限。
更具体地，所述逻辑运算器124的输入端连接所述第一比较器123的输出端及所述igbt测试模块11，将所述第一比较器123输出的比较结果与所述第一igbt器件q1的栅驱动信号进行逻辑运算，以检测所述第一igbt器件q1的米勒平台。
如图4所示，所述米勒平台栅极电压提取模块13连接于所述米勒平台识别模块12的输出端及所述栅驱动单元1122的输入端，用于采集所述第一igbt器件q1的米勒平台栅极电压，并与第二参考电压vref2进行比较，得到过流保护信号voc。
具体地，所述米勒平台栅极电压提取模块13包括放大器131、模拟开关管nm、电容c、模数转换器132及第二比较器133。
更具体地，所述放大器131的输入端连接所述第一igbt器件q1的栅极，用于放大所述第一igbt器件q1的栅极电压。
更具体地，所述模拟开关管nm连接于所述放大器131的输出端及所述电容c的上极板之间，控制端连接所述米勒平台识别模块12的输出端，当所述米勒平台识别模块12检测到米勒平台时所述模拟开关管nm打开，当所述米勒平台识别模块12未检测到米勒平台时所述模拟开关管nm关闭。在本实施例中，所述模拟开关管nm为n型mos管，当所述米勒平台识别模块12输出高电平时，所述模拟开关管nm开启；当所述米勒平台识别模块12输出低电平时，所述模拟开关管nm关闭。在实际使用中，所述模拟开关管nm也可以为p型mos管，通过改变控制信号的极性即可实现相同的逻辑关系，不以本实施例为限。
更具体地，所述电容c的下极板接地，用于保存所述第一igbt器件q1的米勒平台栅极电压。
更具体地，所述模数转换器132连接于所述电容c的上极板，用于将所述电容c上的模拟信号转化为数字信号，即数字化所述第一igbt器件q1的米勒平台栅极电压。
更具体地，所述第二比较器133的输入端分别连接所述电容c的上极板及所述第二参考电压vref2，用于将所述第一igbt器件q1的米勒平台栅极电压与所述第二参考电压vref2进行比较，以得到所述过流保护信号voc。
如图4～图6所示，本发明还提供一种igbt过流保护方法，所述igbt过流保护方法至少包括：
检测待测igbt的栅极电压，当检测到所述待测igbt的米勒平台时，提取所述待测igbt的米勒平台栅极电压，并基于所述待测igbt的米勒平台栅极电压判断所述待测igbt的集电极是否过流，若所述待测igbt的集电极过流，关断所述待测igbt，进而实现过流保护。
具体地，如图5所示，所述脉冲信号vpulse为高电平时，所述第一igbt器件q1的栅极电压vgate逐渐升高，所述igbt的栅极电流ig在所述脉冲信号vpulse的上升沿突变升高后开始下降，所述第一igbt器件q1的集电极电流ic升高后稳定于一恒定值。藉由所述米勒平台识别模块12检测所述第一igbt器件q1的栅极电压；并将所述第一igbt器件q1的栅极电压经过滤波和缓冲后与第一参考电压vref1进行比较，输出比较结果；所述比较结果与所述第一igbt器件q1的栅驱动信号进行逻辑运算，进而产生米勒平台的米勒平台检测信号vsw，此时所述米勒平台检测信号vsw为低电平。所述模拟开关管nm关闭，提取信号vpl保持为所述第一igbt器件q1的前一米勒平台栅极电压，在图5中，启动阶段，所述提取信号vpl与所述第一igbt器件q1的栅极电压vgate保持一致。
具体地，如图5所示，所述脉冲信号vpulse跳变为低电平时，所述第一igbt器件q1的栅极电压vgate逐渐下降，所述igbt的栅极电流ig在所述脉冲信号vpulse的下降沿突变下降后开始上升，所述第一igbt器件q1的集电极电流ic保持恒定值，所述米勒平台检测信号vsw仍为低电平。随着所述第一igbt器件q1的栅极电压vgate下降进入米勒平台，所述第一igbt器件q1的栅极电流ig进入米勒平台，藉由所述米勒平台识别模块12检测所述第一igbt器件q1的栅极电压；并将所述第一igbt器件q1的栅极电压经滤波和缓冲后与所述第一参考电压vref1进行比较，输出比较结果；所述比较结果与所述第一igbt器件q1的栅驱动信号进行逻辑运算，进而产生米勒平台的米勒平台检测信号vsw，此时所述米勒平台检测信号vsw为高电平。此时，所述模拟开关管nm打开，提取信号vpl为此时所述第一igbt器件q1的米勒平台栅极电压vgate，将所述第一igbt器件q1的米勒平台栅极电压vgate与所述第二参考电压vref2进行比较，当所述第一igbt器件q1的米勒平台栅极电压vgate大于所述第二参考电压vref2时，所述过流保护信号voc起效，并控制所述栅驱动单元1122关断所述第一igbt器件q1，以此实现所述第一igbt器件q1的集电极过流保护。
更具体地，如图6所示，所述提取信号vpl与所述第一igbt器件q1的集电极电流ic正相关，可根据两者的关系设定所述第二参考电压vref2，可视具体应用环境设定不同的所述第二参考电压vref2，在此不一一限定。
本发明的igbt过流保护电路不仅适用于板级集成电路应用，也适用于芯片级集成电路应用。
本发明的igbt过流保护电路及方法避免使用高压大电流器件，利用igbt的米勒平台效应，以及igbt的米勒平台栅极电流与igbt的集电极电流存在的特定关系，通过检测igbt的米勒平台栅极电压间接实现对igbt的集电极电流进行检测，进而实现过流保护，检测成本低、占用体积小、效率高。
综上所述，本发明提供一种igbt过流保护电路及方法，包括：检测待测igbt的米勒平台，并输出米勒平台检测信号的米勒平台识别模块；采集待测igbt的米勒平台栅极电压，并根据待测igbt的米勒平台栅极电压产生过流保护信号的米勒平台栅极电压提取模块；以及过流保护信号起效时，将待测igbt关闭的igbt栅驱动模块。检测待测igbt的栅极电压，当检测到所述待测igbt的米勒平台时，提取所述待测igbt的米勒平台栅极电压，并基于所述待测igbt的米勒平台栅极电压判断所述待测igbt的集电极是否过流，若所述待测igbt的集电极过流，关断所述待测igbt，进而实现过流保护。本发明的igbt过流保护电路及方法避免使用高压大电流器件，利用igbt的米勒平台效应，以及igbt的米勒平台栅极电流与igbt的集电极电流存在的特定关系，通过检测igbt的米勒平台栅极电压间接实现对igbt的集电极电流进行检测，进而实现过流保护，检测成本低、占用体积小、效率高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。