一种igbt的过流检测与保护电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开的一种IGBT的过流检测与保护电路，包括过流检测模块、稳压二极管、储能电容、受控开关电流源、驱动单元、多个电阻及比较器，通过过流检测模块对IGBT导通状态时集电极与发射极之间的电压进行采样，再经过流检测模块带有的过流保护阈值调节功能调理后，输出电压信号，与比较器参考电压比较后输出动作触发信号，实现对驱动单元的使能及封锁控制，从而驱动单元执行过流保护动作。本发明的IGBT过流检测保护电路可以连续精确地设定及调整IGBT的过流保护阈值，从而满足IGBT在不同过流保护阈值要求下的使用，且可以适用于不同规格的IGBT器件，调节方便，移植性强。
【专利说明】-种IGBT的过流检测与保护电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种IGBT过流检测及保护电路，尤其涉及一种过流保护阔值可精确 设定与调整的IGBT过流检测保护电路，属于电力电子领域。
【背景技术】
[0002] IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管）是电力电子 电路与相应装置设备中常见的一种半导体器件。在高压大功率的开关型变换电路中，IGBT 往往承受较大的电流。IGBT过流是造成IGBT器件失效损坏的一个主要原因。在实际应用 过程中，由于负载过载、内部信号错误、外部干扰等原因，造成流过IGBT器件的电流会急剧 增加、远远超过其容量限制，此时需要关断IGBT器件进行保护，W避免IGBT被损毁坏。过 流保护不仅直接关系到IGBT器件本身的工作性能和运行安全，还影响到整个电源装置系 统的性能和安全。IGBT应用是否成功在很大程度上取决于过流保护电路的优劣。
[0003] 由IGBT导通时的伏安特性可知，IGBT导通时的电压与其流过的电流大小有关，当 IGBT过流或短路时，其通态电压U。。会上升到某一较高的电平值，因此，一旦IGBT过流，U。。 会随着集电极电流的增大而增大。现有的IGBT过流检测及保护方法就是根据该一特性，通 过检测U。。来判断IGBT是否过流，将U。。电压与设定的阔值电压进行比较生成过流保护信号 封锁驱动电路，实现过流保护。该种过流检测方法称之为退饱和检测。
[0004] 然而，现有的IGBT过流检测及保护方法普遍存在W下问题；1.过流保护电路一旦 设计好，其过流保护的阔值就无法调节，而不同规格的IGBT器件往往需要不同的过流保护 点扣J才能进行可靠的保护。现有方法需要针对不同器件设计不同的保护电路，不便于移 植应用；2.温度等环境因素的改变会导致IGBT过流保护点的变化；3.实际应用中为了提 高可靠性，很多电路与装置系统往往对功率器件采用"降容使用"，需要减低过流保护阔值， 即低于额定过流点提前采取保护。因此需要根据IGBT器件的工作条件要求来精确设定或 调整IGBT过流保护点的动作阔值。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术中过流检测保护电路不便于移植应用、阔值无法调 节的问题，提供一种可精确设定与调整过流保护阔值的IGBT过流检测与保护电路。
[0006] 本发明的一种IGBT的过流检测与保护电路，包括；过流检测模块、稳压二极管 ZD1、储能电容Cl、受控开关电流源、驱动单元、电阻R8、电阻R9及比较器；
[0007] 所述的过流检测模块，包括可变电阻R5，热敏电阻RT，电阻Rl、电阻R2、电阻R3、电 阻R4、电阻R6、电阻R7,二极管D1、二极管D2, H极管QUH极管Q2, H端可编程稳压源Q3 ; 电阻Rl的一端与二极管Dl的阴极、比较器的负输入端及受控开关电流源的输出端相连，电 阻Rl的另一端与H极管Ql的基极连接，H极管Ql的集电极与电阻R2的一端相连，H极管 Ql的发射极与二极管D2的阳极及热敏电阻RT的一端相连，二极管D2的阴极为与IGBT集 电极相连的连接端；H极管Q2的集电极与电阻R3的一端及二极管Dl的阳极相连，H极管 Q2的基极与电阻R4的一端相连，H极管Q2的发射极与H端可编程稳压源Q3的阳极、电阻 R6的一端、电阻R9的一端、稳压二极管ZDl的阴极及储能电容Cl的正极相连，该连接点为 与IGBT的发射极相连的连接端；H端可编程稳压源Q3的阴极与电阻R4的另一端及电阻 R7的一端相连，H端可编程稳压源Q3的参考端与可变电阻R5的一端及电阻R6的另一端相 连，可变电阻R5的另一端与热敏电阻RT的另一端相连；受控开关电流源的输入端、电阻R2 的另一端、电阻R3的另一端、电阻R9的另一端及电阻R7的另一端都与正供电VCC相连；受 控开关电流源的开关端与电流源控制信号端相连，比较器的正输入端连接参考电压源Vuf, 比较器的输出端与驱动单元的使能端连接，驱动单元的输入端与驱动信号端相连，输出端 与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端为与IGBT的栅极相连的连接端；稳压二极管ZDl 的阳极及储能电容Cl的负极接地。
[0008] 上述技术方案中，所述的H端可编程稳压源Q3可采用TL431芯片。
[0009] 本发明的IGBT过流检测与保护电路中，过流检测模块与IGBT的集电极C、发射极 E相连接，对IGBT导通状态时集电极C与发射极E之间的电压U。。进行采样，经过流检测模 块带有的过流保护阔值调节功能调理后，输出Vdetwt信号，Vdetwt信号再接入比较器负输入 端，与比较器参考电压Vuf比较后输出动作触发信号，其输出端与驱动单元相连接，实现对 驱动单元的使能及封锁控制，驱动单元执行过流保护动作。
[0010] 本发明中，当驱动信号为高电平（即IGBT开通）时，电流源控制信号使能，受控开 关电流源Is产生ImA左右的较小电流。电流源产生的小电流由于幅度过低通常不能直接 作为二极管D2的偏置电流，根据二极管的伏安特性可知，当导通电流过小时，导通电流的 微小变化会导致二极管导通压降的较大波动，会直接造成对IGBT通态电压U。。的采样的精 度降低。因此，本发明在电流源Is之后增加了一级由H极管Ql和限流电阻RU R2构成的 偏置电流放大电路，将电流源直接产生的小电流进行合适的放大，得到较大的可保证二级 管D2产生稳定导通压降的偏置电流，W减小因采样二极管D2的导通电压波动所引起的检 测误差，进一步提局检测精度。
[0011] 可调电阻R5与定值电阻R6构成电阻分压器，对经二极管D2采样得到的IGBT导 通电压进行分压调理，调理后的电压输入H端可编程稳压源Q3的参考端，与Q3内置的电压 基准进行比较，控制Q3阴极、阳极间的开通和关断，通过改变可调电阻R5的大小，可W改变 引发Q3发生开关动作的阔值电压Uw^th,因此，通过设置合适的R5,可W实现对过流保护阔 值的连续设定。
[0012] 当Q3关断时，开关H极管Q2开通，此时经二极管Dl输入到比较器负输入端的检 巧IJ信号VdWWt近似为0 ;当Q3开通时，开关立极管Q2关断，此时经二极管Dl输入到比较器 负输入端的检测信号近似为VCC，因此，经此环节输出的检测信号只为0或VCC (忽略 二极管的导通压降和H极管的饱和导通压降），不会出现VdWWt电压接近参考电压源Vuf时 比较器负输入端引入的干扰电压造成比较器误动作的情况，保证了比较器的可靠动作，大 大提高了检测保护电路的抗干扰能力。
[001引IGBT正常工作时，比较器负输入端上的电压Vdetwt > 0小于比较器内置参考电压 VCC 源电压Vuf (可将Vuf设置于K.g/ 处），比较器输出高电平，驱动单元使能，驱动信号 正常输出；当IGBT过流或短路故障发生时，Vdetwt > VCC大于Vuf,比较器输出低电平，封锁 驱动单元，关断IGBT，W实现过流保护动作。此外，在可调电阻R5与定值电阻R6构成的电 阻分压器中串联一个具有温度特性的热敏电阻RT，可W实现对IGBT过流保护阔值的温度 补偿和对IGBT的过温保护；采用稳压管ZDl与储能电容Cl并联可为IGBT 口级提供-5V的 关断负压，W保证IGBT实现可靠关断，避免口极寄生禪合的干扰电压造成IGBT误开通。
[0014] 本发明的有益效果在于：本发明的IGBT过流检测及保护电路可W连续精确地设 定及调整IGBT的过流保护阔值，从而满足IGBT在不同过流保护阔值要求下的使用，且可W 适用于不同规格的IGBT器件，调节方便，移植性强；通过采用热敏电阻RT，可W实现过流保 护阔值的负反馈调节，即IGBT的过温降额、过温保护等，提高了过流保护电路的智能性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为过流保护阔值可精确设定与调整的IGBT过流检测保护电路图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明，为了避免对本发明的实质 造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。
[0017] 如图1所示，IGBT的过流检测与保护电路，包括；过流检测模块、稳压二极管ZD1、 储能电容CU受控开关电流源Is、驱动单元B、电阻R8、电阻R9及比较器A ;
[0018] 所述的过流检测模块，包括可变电阻R5，热敏电阻RT，电阻Rl、电阻R2、电阻R3、电 阻R4、电阻R6、电阻R7,二极管D1、二极管D2, H极管QUH极管Q2, H端可编程稳压源Q3 ; 电阻Rl的一端与二极管Dl的阴极、比较器A的负输入端及受控开关电流源Is的输出端相 连，电阻Rl的另一端与H极管Ql的基极连接，H极管Ql的集电极与电阻R2的一端相连， H极管Ql的发射极与二极管D2的阳极及热敏电阻RT的一端相连，二极管D2的阴极为与 IGBT集电极C相连的连接端；H极管Q2的集电极与电阻R3的一端及二极管Dl的阳极相 连，H极管Q2的基极与电阻R4的一端相连，H极管Q2的发射极与H端可编程稳压源Q3的 阳极3、电阻R6的一端、电阻R9的一端、稳压二极管ZDl的阴极及储能电容Cl的正极相连， 该连接点为与IGBT的发射极E相连的连接端；H端可编程稳压源Q3的阴极2与电阻R4的 另一端及电阻R7的一端相连，H端可编程稳压源Q3的参考端1与可变电阻R5的一端及电 阻R6的另一端相连，可变电阻R5的另一端与热敏电阻RT的另一端相连；受控开关电流源 Is的输入端、电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R9的另一端及电阻R7的另一端都 与正供电VCC相连；受控开关电流源Is的开关端与电流源控制信号端相连，比较器A的正 输入端连接参考电压源Vuf,比较器A的输出端与驱动单元B的使能端ENB连接，驱动单元 的输入端与驱动信号端相连，输出端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端为与IGBT的 栅极G相连的连接端；稳压二极管ZDl的阳极及储能电容Cl的负极接地。
[0019] 当IGBT处于关断状态时，受控开关电流源Is关断，不输出电流，U。。电压为直流母 线电压，远高于检测参考电压，二极管D2截止，过流检测功能关闭。
[0020] 当IGBT处于开通状态时，电流源控制信号使能，受控开关电流源Is开通，输出电 流流入H极管Ql的基极，H极管Ql和电阻Rl、R2构成了偏置电流放大电路，放大后的电流 Id= (1+目Hs, Id为二极管D2实际工作中的偏置电流。经过放大，数值较大的偏置电流Id 为二极管D2提供合适的偏置电流及其工作点，保证其导通压降Vd为稳定值。
[0021] 稳压管ZDl与并联储能电容Cl为驱动提供-5V的关断负压。该种设计减少了驱 动电路需要的供电电源数量和种类，即整个驱动保护电路只需要一路电源供电。
[0022] 过流保护阔值设定方式，本实施例中R5、R6构成电阻分压器，对经二极管D2的采 样电压进行分压调理，调理后的电压V。输入Q3的参考端引脚1，与Q3内置电压基准VfT进 行比较，控制Q3阴极2和阳极3间的开通和关断（当V。> VfT时，Q3开通；当V。< VfT时， Q3关断），过流保护阔值所对应的阔值电压的计算公式如下：
[0023]
【权利要求】
1. 一种IGBT的过流检测与保护电路，其特征在于包括：过流检测模块、稳压二极管 ZD1、储能电容C1、受控开关电流源（Is)、驱动单元（B)、电阻R8、电阻R9及比较器（A); 所述的过流检测模块，包括可变电阻R5,热敏电阻RT，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻 R4、电阻R6、电阻R7,二极管D1、二极管D2,三极管Q1、三极管Q2,三端可编程稳压源Q3 ;电 阻R1的一端与二极管D1的阴极、比较器（A)的负输入端及受控开关电流源（Is)的输出端 相连，电阻R1的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极与电阻R2的一端相连， 三极管Q1的发射极与二极管D2的阳极及热敏电阻RT的一端相连，二极管D2的阴极为与 IGBT集电极（C)相连的连接端；三极管Q2的集电极与电阻R3的一端及二极管D1的阳极 相连，三极管Q2的基极与电阻R4的一端相连，三极管Q2的发射极与三端可编程稳压源Q3 的阳极（3)、电阻R6的一端、电阻R9的一端、稳压二极管ZD1的阴极及储能电容C1的正极 相连，该连接点为与IGBT的发射极（E)相连的连接端；三端可编程稳压源Q3的阴极（2)与 电阻R4的另一端及电阻R7的一端相连，三端可编程稳压源Q3的参考端（1)与可变电阻R5 的一端及电阻R6的另一端相连，可变电阻R5的另一端与热敏电阻RT的另一端相连；受控 开关电流源（Is)的输入端、电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R9的另一端及电阻 R7的另一端都与正供电VCC相连；受控开关电流源（Is)的开关端与电流源控制信号端相 连，比较器（A)的正输入端连接参考电压源，比较器（A)的输出端与驱动单元（B)的使能端 (ENB)连接，驱动单元的输入端与驱动信号端相连，输出端与电阻R8的一端相连，电阻R8的 另一端为与IGBT的栅极（G)相连的连接端；稳压二极管ZD1的阳极及储能电容C1的负极 接地。
【文档编号】H03K17/082GK104363011SQ201410534730
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】王正仕, 谢宇, 周贺, 陈敏, 徐德鸿 申请人:浙江大学