一种绝缘栅双极型晶体管保护电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子领域，尤其涉及一种绝缘栅双极型晶体管保护电路。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate BipolarTransistor)是变频传动产品的核心器件。由于具有低驱动功率，高载流密度的优点，IGBT在低功耗、大功率应用场合具有其它器件无法比拟的优势。同时IGBT的缺点是对工作环境要求较高，短路等故障会造成IGBT的损坏，因此IGBT保护电路伴随着IGBT工艺的变革不断发展，如图1中的IGBT保护电路，该保护电路通过检测电容C1两端的电压判断IGBT是否短路。当IGBT关断时，电容C1两端的电压一直小于短路阈值电压；当IGBT导通时，电容C1两端的电压等于TVS管(瞬态抑制二极管)Z1、Z2以及IGBT三者导通压降之和，当电容C1两端的电压大于所述短路阈值电压时，封锁脉冲并报出故障信号以此保护该IGBT。

但是现有的IGBT保护电路还是存在很多缺点，比如图1中的IGBT保护电路短路阈值电压调节范围有限，不够灵活。虽然图1中的保护电路可通过增加TVS的数量来提高短路阈值电压，但是TVS越多，反向恢复时间越长，最终导致对IGBT的短路保护时间增加，极易引起IGBT炸毁。同时，工作在高压下IGBT模块在开通和关断过程中，发射极和集电极间电压上升及下降较慢，容易误报短路故障，从而影响电路的正常工作。

技术实现要素：

本实用新型的实施例提供了一种绝缘栅双极型晶体管保护电路，旨在解决现有的绝缘栅双极型晶体管保护电路存在短路预设阈值电压调节范围有限及易误报短路故障等问题。

本实用新型提供了一种绝缘栅双极型晶体管保护电路，该保护电路包括：第一分压单元、第二分压单元、第一比较单元和第二比较单元；所述第一分压单元连接于所述绝缘栅双极型晶体和所述第一比较单元之间，所述第二分压单元连接于所述第一比较单元和所述第二比较单元之间；

其特征在于，包括：第一分压单元、第二分压单元、第一比较单元和第二比较单元；所述第一分压单元连接于所述绝缘栅双极型晶体和所述第一比较单元之间，所述第二分压单元连接于所述第一比较单元和所述第二比较单元之间；

第一分压单元，用于获取所述绝缘栅双极型晶体管的集射极电压并分压后输出第一分压电压；

第一比较单元，接收所述第一分压电压，将所述第一分压电压与参考电压比较，输出第一电平信号；

第二分压单元，根据所述第一电平信号控制输出第二分压电压；

第二比较单元，接收所述第二分压电压，将所述第二分压电压与所述参考电压比较，输出第二电平信号，所述第二电平信号用于表征所述绝缘栅双极型晶体管是否短路。。

在本实用新型的绝缘栅双极型晶体管保护电路中，所述第一比较单元包括第一比较器，所述第二比较单元包括第二比较器；

所述第一分压单元分别与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极连接，所述第二分压单元连接于工作电源；

所述第一比较器的同相端与所述第一分压单元的分压点连接，反相端用于接收参考电压，输出端与所述第二分压单元连接；

所述第二比较器的反相端与所述第二分压单元的分压点连接，同相端用于接收所述参考电压，输出端用于输出所述第二电平信号。

在本实用新型的绝缘栅双极型晶体管保护电路中，所述第二分压单元包括第一电阻、第一电容、第二电阻、第三电阻和开关控制单元，其中，所述开关控制单元用于根据所述绝缘栅双极型晶体管的门级电压执行导通或关断；

所述第一电阻的一端通过所述第二电阻与所述工作电源连接，另一端通过所述开关控制单元接地，其中，所述第一电阻与所述第二电阻的连接节点为所述第二分压单元的分压点；所述第一电容的一端连接至所述第二分压单元的分压点，另一端接地；所述第三电阻的一端连接至所述第二分压单元的分压点，另一端与所述第一比较器的输出端连接。

在本实用新型的绝缘栅双极型晶体管保护电路中，所述第一分压单元包括多个串联的电阻，所述第一分压单元的分压点形成于所述多个串联电阻中任意两个电阻之间。

在本实用新型的绝缘栅双极型晶体管保护电路中，所述第一分压单元的分压点位于所述多个串联的电阻组成的分压电路的弱电侧。

在本实用新型的绝缘栅双极型晶体管保护电路中，所述多个串联的电阻为阻值可调电阻。

在本实用新型的绝缘栅双极型晶体管保护电路中，所述第一分压单元包括串联的第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻，其中所述第四电阻与所述绝缘栅双极型晶体的集电极相连，所述第八电阻与所述绝缘栅双极型晶体的发射极相连，所述第一分压单元的分压点位于所述第六电阻和第七电阻之间。

在本实用新型的绝缘栅双极型晶体管保护电路中，所述保护电路还包括：参考电压提供单元，其中，所述参考电压提供单元包括第九电阻、瞬态抑制二极管和第二电容；

所述第二电容与所述瞬态抑制二极管并联；所述瞬态抑制二极管的正极接地，负极通过所述第九电阻与所述工作电源连接；所述瞬态抑制二极管的负极同时连接于所述第一比较器的反相端和所述第二比较器的同相端，用于给所述第一比较器和第二比较器提供参考电压。

在本实用新型的绝缘栅双极型晶体管保护电路中，所述保护电路还包括第一二极管；所述第一二极管的正极与所述第一比较器的同相端连接，负极与所述工作电源连接。

在本实用新型的绝缘栅双极型晶体管保护电路中，所述开关控制单元包括：第一三极管、第二三极管、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻和第二二极管；

所述第一三极管的集电极与所述第一电阻连接，发射极接地，基极与所述第十电阻的一端连接；所述第十电阻的另一端通过第十一电阻与所述工作电源连接；所述第二三极管的集电极连接于所述第十电阻和第十一电阻之间，发射极接地，基极与所述第十二电阻的一端连接；所述第十二电阻的另一端通过第十三电阻接收门级电压；所述第二二极管的正极与所述第二三极管的发射极连接，负极连接于所述第十二电阻和第十三电阻之间。

本实用新型的实施例提供的绝缘栅双极型晶体管保护电路通过第一分压电压对绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极之间电压进行分压监控，当所述第一分压单元的第一分压电压高于短路阈值电压时，所述第一比较器根据所述第一分压电压输出第一电平信号，所述第二分压单元根据所述第一电平信号输出第二分压电压，所述第二比较单元接收所述第二分压电压并输出第二电平信号，所述第二电平信号用于表征所述绝缘栅双极型晶体管是否短路，在所述绝缘栅双极型晶体管短路时触发故障检测系统以封锁驱动脉冲。具体地，所述第二电平信号可以为低电平信号，该低电平信号用于触发故障检测系统锁死绝缘栅双极型晶体管的驱动电路以关闭所述绝缘栅双极型晶体管，进而实现对所述绝缘栅双极型晶体管保护。其中，第一分压电路可以根据实际进行不同的分压，因此可以提高了绝缘栅双极型晶体管的短路预设阈值电压调节范围；第一比较单元具有隔离作用，解决了电阻分压方案下短路保护时间不可控的问题，因此可以克服绝缘栅双极型晶体管工作在高电压的情况下存在易误报短路故障问题，进而实现了10us可靠保护绝缘栅双极型晶体管。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有的一种绝缘栅双极型晶体管保护电路的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管保护电路的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管保护电路的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管保护电路的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管保护电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

请参阅图2，图2是本实用新型实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管保护电路的结构示意图。如图2所示，该绝缘栅双极型晶体管保护电路包括：第一分压单元11、第一比较单元12、第二分压单元13和第二比较单元14；第一分压单元11连接于所述绝缘栅双极型晶体管和第一比较单元12之间，第二分压单元13连接于第一比较单元12和第二比较单元14之间，第二比较单元14的输出端用于输出可以反映所述绝缘栅双极型晶体管短路的信号，比如，该第二比较单元14的输出端与所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路连接，用于通过输出高低电平以驱动或锁死所述驱动电路。

其中，该绝缘栅双极型晶体管短路包括相间短路和直通短路，所述相间短路是指输出三相任两相短路；同相上下桥同时开通，叫直通短路。第一分压单元11用于获取所述绝缘栅双极型晶体管的集射极电压并分压后输出第一分压电压，当出现任意一种短路时，第一分压单元11的电压(第一分压电压)将会增加，第一比较单元12接收第一分压单元11的第一分压电压，并将所述第一分压电压与参考电压做比较并输出第一电平信号。所述第一电平信号用于控制第二分压单元13输出第二分压电压，第二比较单元14接收所述第二分压电压后并输出第二电平信号，所述第二电平信号用于表征所述绝缘栅双极型晶体管是否短路。当所述绝缘栅双极型晶体管短路时，触发故障检测系统以封锁驱动脉冲对所述绝缘栅双极型晶体管进行保护，比如第二电平信号为低电平信号，低电平信号表示所述绝缘栅双极型晶体管为短路状态，也可以理解为该低电平信号触发故障检测系统(可以为上位机)锁死所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路以关闭所述绝缘栅双极型晶体管，实现对所述绝缘栅双极型晶体管的保护。

需要说明的是，该故障检测系统包括主控单元，该主控单元用于控制所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路以打开或关断该绝缘栅双极型晶体管。

其中，第一分压电路可以根据实际情况进行不同的分压，因此可以提高了绝缘栅双极型晶体管的短路预设阈值电压调节范围。第一比较单元具有隔离作用，因此解决了电阻分压方案下短路保护时间不可控的问题，实现了快速保护绝缘栅双极型晶体管，保护时间可以控制在10us内。

请参阅图3，图3是本实用新型实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管保护电路的结构示意图。具体地，如图3所示，第一比较单元12包括第一比较器U1_A，第二比较单元14包括第二比较器U1_B。第一分压单元11分别与所述绝缘栅双极型晶体的集电极C和发射极E连接。第二分压单元13连接于工作电源，用于对所述工作电源进行分压(第二分压电压)以输出给第二比较单元14。

具体地，第一比较器U1_A的同相端与第一分压单元11的分压点连接，第一比较器U1_A的反相端用于接收参考电压，第一比较器U1_A的输出端与第二分压单元13连接用于向第二分压单元13输出第一电平信号，其中第一电平信号为高电平信号或低电平信号，当所述第一分压电压高于所述参考电压时，第一比较器U1_A向第二分压单元输出高电平；当所述第一分压电压低于所述参考电压时，第一比较器U1_A向第二分压单元输出低电平。

第二比较器U1_B的反相端与第二分压单元13的分压点连接，第二比较器U1_B的同相端接收所述参考电压，第二比较器U1_B的输出端用于输出所述第二电平信号，其中第二电平信号也为高电平信号或低电平信号，所述第二电平信号用于触发所述故障检测系统控制所述IGBT的导通或关断。

具体地，第二分压单元13包括第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2、第三电阻R3和开关控制单元130，其中，开关控制单元130用于根据所述绝缘栅双极型晶体管的门级电压Vg执行导通或关断。第一电阻R1的一端通过第二电阻R2与工作电源VCC连接，第一电阻R1的另一端通过开关控制单元130接地，其中，第一电阻R1与第二电阻R2的连接节点为第二分压单元13的分压点。第一电容C1的一端连接至第二分压单元13的分压点，第一电容C1的另一端接地。第三电阻R3的一端连接至第二分压单元13的分压点，第三电阻R3的另一端与第一比较器U1_A的输出端连接。其中，第一比较器具有隔离电压作用，实际是利用工作电源的分压实现对IGBT进行保护的，因此解决了电阻分压方案下短路保护时间不可控的问题。

同时，第二比较器通过第二分压单元13对工作电压进行分压后与所述参考电压进行比较，提高了短路检测时间，因此在第一比较单元11和第二分压单元13配合作用下可以有效地保证短路保护时间小于10us。在本实用新型的实施例中，第一分压单元11包括多个串联的电阻，第一分压单元11的分压点形成于所述多个串联电阻中任意两个电阻之间，所述多个串联电阻可以根据实际情况而定，因此增加了所述短路保护电路的短路预设阈值电压调节范围。具体地，第一分压单元11的分压点位于所述多个串联的电阻组成的分压电路的弱电侧，实现强弱电隔离，进而保护弱电侧的电子元器件不受损坏，增强了该保护电路的可靠性。此外，所述多个串联的电阻还可为阻值可调电阻，方便在电路设计完后，改变各个电阻的阻值，以使得设计好的保护电路的短路预设阈值电压调节范围可调。

图3中的绝缘栅双极型晶体管保护电路的工作原理如下：

当门级电压Vg为高电平时，所述绝缘栅双极型晶体管导通工作，开关控制单元130断开。若所述绝缘栅双极型晶体管短路，则第一分压单元11的分压点上第一分压电压升高且大于参考电压，第一比较器U1_A输出高电平信号以阻断第二电阻R2通过第三电阻R3接地。所述工作电源VCC通过第二电阻R2向第一电容C1充电，使得第二分压单元13分压点的第二分压电压高于所述参考电压。此时第二比较器U1_B输出低电平信号给所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，用于锁死所述驱动电路以关断所述绝缘栅双极型晶体管，进而实现了对所述绝缘栅双极型晶体管短路保护。

若所述绝缘栅双极型晶体管未短路正常工作，第一分压单元11的分压点上第一分压电压小于所述参考电压，第一比较器U1_A输出低电平信号以使第二电阻R2通过第三电阻R3接地。在设计时，调节第二电阻R2和第三电阻R3阻值，使得第二分压电路分压点的电压低于所述参考电压。此时第二比较器U1_B输出高电平信号给所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，则不会锁死所述驱动电路，因此不会触发短路保护。

当门级电压Vg为低电平时，所述绝缘栅双极型晶体管关断停止工作，开关控制单元130闭合。第二比较器U1_B反相端接收第二分压单元13的分压电压为第一电容C1两端的电压。在设计时，通过计算第一电阻R1和第二电阻R2的阻值，使得此时第二分压单元13的分压电压小于所述参考电压，第二比较器U1_B输出高电平信号给所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，则不会锁死所述驱动电路，因此不会触发短路保护。

请参阅图4，图4是本实用新型实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管保护电路的结构示意图。如图4所示，在该缘栅双极型晶体管保护电路中，第一分压单元11包括串联的第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，其中第四电阻R4与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极C相连，第八电阻R8与所述绝缘栅双极型晶体的发射极E相连，第一分压单元11的分压点位于第六电阻R6和第七电阻R7之间。具体地，所述绝缘栅双极型晶体管保护电路还包括：参考电压提供单元15，其中，参考电压提供单元15包括第九电阻R9、瞬态抑制二极管Z1和第二电容C2。第二电容C2与瞬态抑制二极管Z1并联；瞬态抑制二极管Z1的正极接地，瞬态抑制二极管Z1的负极通过第九电阻R9与所述工作电源VCC连接；瞬态抑制二极管Z1的负极同时连接于第一比较器U1_A的反相端和第二比较器U1_B的同相端，用于给第一比较器U1_A和第二比较器U1_B提供参考电压。具体地，瞬态抑制二极管Z1可选为9.1V，所述参考电压也为9.1V，所述工作电源为15V或其他值。

在本实用新型的实施例中，所述绝缘栅双极型晶体管保护电路还包括第一二极管D1，第一二极管D1为钳位二极管；第一二极管D1的正极与第一比较器U1_A的同相端连接，第一二极管D1的负极与所述工作电源连接，其中所述工作电源包括正电源和负电源，本实施中采用的是正电源。该第一二极管D1用于保护第一比较器U1_A，防止第一比较器U1_A被击穿或者进入非线性区。

在本实用新型的实施例中，具体地如图5所示，开关控制单元130包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第二二极管D2。第一三极管Q1的集电极与第一电阻R1连接，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的基极与第十电阻R10的一端连接。第十电阻R10的另一端通过第十一电阻R11与所述工作电源连接。第二三极管Q3的集电极连接于第十电阻R10和第十一电阻R11之间，第二三极管Q3的发射极接地，第二三极管Q3的基极与第十二电阻R12的一端连接。第十二电阻R12的另一端通过第十三电阻R13连接门级电压Vg。第二二极管D2的正极与第二三极管Q2的发射极连接，第二二极管D2的负极连接于第十二电阻R12和第十三电阻R13之间。当门极电压Vg为低电平时，第二三极管Q2断开，第二三极管Q2断开后致使第一三极管Q1导通；当门极电压Vg为高电平时，第二三极管Q2导通，第二三极管Q2导通后致使第一三极管Q1断开，从而实现开关控制单元130根据门极电压导通或关断。此外，相对于现有Vce检测采用光耦方案，为了满足安规与高短路阈值电压要求，提高了光耦的成本很高。而上述实施例的电路可以看出，本实用新型提供的绝缘栅双极型晶体管保护电路的主要由简单的电阻、电容和比较器组成，因此相比现有的IGBT保护电路节约了成本。

对于图4和图5中的绝缘栅双极型晶体管保护电路的工作原理，在此不做详细描述，具体可以参照上述实施例中的绝缘栅双极型晶体管保护电路的工作原理。图4和图5中的保护电路只是对第一分压单元、开关控制单元以及参考电压提供单元的详细介绍，但并不限定其具体电路。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。