IGBT过流保护电路及方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种igbt过流保护电路及方法。

背景技术：

电力电子回路的过流可以根据过流回路电感值的大小来进行分类，同时可以按照这种分类对绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistorigbt)的过电流进行保护。当过流回路电感值较小时，电流上升较快，igbt退饱和也较迅速；当过流回路电感值较大时，电流上升较慢，igbt退饱和也较迟缓。但过流回路的电感值是无法预期的，是一个连续变化的过程，如何针对不同电感大小的过流回路进行有效的过流保护是igbt驱动保护电路设计的难点和关键。

现有的igbt的过流保护比较单一，大部分依靠模拟电路的动作进行保护，对过流保护的处理不够灵活。只能保护回路电感值较小的过流情况(也称为硬短路)。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种igbt过流保护电路及方法，以保护过流回路电感值较小的硬短路及过流回路电感值较大的软短路，使得针对不同igbt的过流保护等级可调、自由灵活。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种igbt过流保护电路，包括：数字处理电路、电压检测电路及多个模拟比较触发电路；

多个所述模拟比较触发电路的过流反馈输出端均连接至所述数字处理电路的过流反馈输入端，阈值控制输入端连接至所述数字处理电路的数字控制输出端；所述电压检测电路采集igbt上的饱和压降，并将所述饱和压降分别输入至多个所述模拟比较触发电路；每一所述模拟比较触发电路设置一过流保护阈值，所述数字处理电路根据多个所述模拟比较触发电路反馈的过流反馈触发状况，延迟对应时长向igbt驱动控制电路发送igbt关断指令，完成不同等级过流反馈触发状态下的igbt关断动作。

一实施例中，所述数字处理电路包括：

cpld数字芯片，设置有jtag接口、多个过流反馈输入端及多个数字控制输出端；

复位电路，连接所述cpld数字芯片。

一实施例中，所述电压检测电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管、第二二极管及第一运算放大器；所述第一电阻与第二电阻并联后一端通过所述第一二极管及第三电阻连接至所述第一运算放大器的反向输入端，并通过所述第二二极管连接至igbt的集电极，另一端连接至所述第一运算放大器的同相输入端及所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端接地；所述第四电阻一端连接在所述第三电阻与所述反向输入端之间，另一端连接所述igbt的发射极；所述第一运算放大器的反向输入端通过所述第六电阻连接所述第一运算放大器的输出端。

一实施例中，所述模拟比较触发电路包括：电阻阵列、第三二极管、第一电容、第二电容、第七电阻、第八电阻及第二运算放大器；

所述第二运算放大器的同相输入端连接所述第一运算放大器的输出端，通过所述第一电容接地，并通过所述第七电阻连接电源；所述第二运算放大器的反相输入端依次通过所述第三二极管及所述电阻阵列连接至所述数字处理电路上对应的数字控制输出端，通过所述第二电容接地，并通过所述第八电阻连接所述电源；所述第二运算放大器的输出端作为过流反馈输出端连接至所述数字处理电路的过流反馈输入端。

一实施例中，各所述模拟比较触发电路具体用于将所述饱和压降与自身的过流保护阈值进行比较，如果所述饱和压降大于自身的过流保护阈值，所述模拟比较触发电路向所述数字处理电路输出过流反馈触发信号。

一实施例中，所述数字处理电路根据收到过流反馈触发信号对应的各所述模拟比较触发电路的优先级延迟对应时长向igbt驱动控制电路发送igbt关断指令。

一实施例中，所述对应时长由查询igbt技术手册得到。

一实施例中，所述对应时长由所述数字处理电路根据饱和压降、通态电流及热容量计算得到。

为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种igbt过流保护方法，应用于上述的igbt过流保护电路，包括：

所述电压检测电路采集igbt上的饱和压降，并将所述饱和压降发送给多个所述模拟比较触发电路；

各所述模拟比较触发电路将自身的过流保护阈值与所述饱和压降进行比较，如果自身的过流保护阈值小于所述饱和压降，输出过流反馈触发信号；

所述数字处理电路接收至少一所述模拟比较触发电路输出的过流反馈触发信号，延迟对应时长向igbt驱动控制电路发送igbt关断指令，完成不同等级过流反馈触发状态下的igbt关断动作。

一实施例中，如果所述数字处理电路接收到多个所述模拟比较触发电路输出的流反馈触发信号，根据收到过流反馈触发信号对应的各所述模拟比较触发电路的优先级延迟对应时长向igbt驱动控制电路发送igbt关断指令。

一实施例中，所述对应时长由查询igbt技术手册得到。

一实施例中，所述对应时长由所述数字处理电路根据饱和压降、通态电流及热容量计算得到。

本发明可以保护过流回路电感值较小的硬短路及过流回路电感值较大的软短路。并且针对不同igbt的过流保护等级可调、自由灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例的igbt过流保护电路的示意图；

图2为本发明实施例的数字处理电路的示意图；

图3为本发明实施例的模拟比较触发电路的示意图；

图4为本发明实施例某款igbt饱和压降与通态电流关系图；

图5为本发明实施例的igbt过流保护方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的igbt过流保护电路示意图，如图1所示，该igbt过流保护电路，包括：数字处理电路、电压检测电路及多个模拟比较触发电路。

多个模拟比较触发电路的过流反馈输出端均连接至数字处理电路的过流反馈输入端，如图1向数字处理电路输出过流反馈1、…过流反馈i、…过流反馈n。模拟比较触发电路的阈值控制输入端连接至数字处理电路的数字控制输出端，如图1所示，接收数字处理电路输出的控制信号：数字控制1、…数字控制i、…数字控制n。电压检测电路连接至igbt(图中未示出)，采集igbt上的饱和压降，并将饱和压降分别输入至多个模拟比较触发电路。

每一模拟比较触发电路可以设置一过流保护阈值，数字处理电路根据多个所述模拟比较触发电路反馈的过流反馈触发状况，延迟对应时长向igbt驱动控制电路发送igbt关断指令，完成不同等级过流反馈触发状态下的igbt关断动作。

一实施例中，如图2所示，该数字处理电路包括：cpld数字芯片及复位电路。：cpld数字芯片设置有jtag接口、多个过流反馈输入端、多个数字控制输出端及指令输出端。过流反馈输入端用于接收过流反馈的信号，包括：过流反馈1、…过流反馈i、…过流反馈n。多个数字控制输出端用于输出数字控制信号，包括：数字控制1、…数字控制i、…数字控制n。指令输出端用于输出igbt关断指令给igbt驱动控制电路。cpld数字芯片连接至5v电源。复位电路，连接cpld数字芯片，通过一电容接地，并连接至5v电源。

一实施例中，电压检测电路包括：第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第一二极管d1、第二二极管d2及第一运算放大器ap1。

第一电阻r1与第二电阻r2并联后一端(如b点)通过第一二极管d1及第三电阻r3连接至第一运算放大器ap1的反向输入端，并通过第二二极管d2连接至igbt的集电极(c极)；另外，b点连接至电源(一般为15v左右)。另一端连接至第一运算放大器ap1的同相输入端(h点)及第五电阻r5的一端，第五电阻热的另一端接地。第四电阻r4的一端(f点)连接在第三电阻r3与第一运算放大器ap1的反向输入端之间，第四电阻r4的另一端连接igbt的发射极(e极)；第一运算放大器ap1的反向输入端通过第六电阻r6连接至第一运算放大器ap1的输出端(g点)。

一实施例中，如图3所示，模拟比较触发电路包括：电阻阵列、第三二极管d3、第一电容c1、第二电容c2、第七电阻r7、第八电阻r8及第二运算放大器ap2。

第二运算放大器ap2的同相输入端连接第一运算放大器ap1的输出端(g点)，通过第一电容c1接地，并通过第七电阻r7连接电源；第二运算放大器ap2的反相输入端(d点)依次通过第三二极管d3及电阻阵列连接至数字处理电路上对应的数字控制输出端，d点还通过第二电容c2接地，并通过第八电阻r8连接电源。第二运算放大器ap2的输出端作为过流反馈输出端连接至数字处理电路的过流反馈输入端。

数字处理电路通过数字控制可以设置多个模拟比较触发电路的过流保护阈值。

一实施例中，各模拟比较触发电路可以将饱和压降与自身的过流保护阈值进行比较，具体地，是根据饱和压降得到通态电流，并将通态电流与过流保护阈值进行比较。如果通态电流大于自身的过流保护阈值，模拟比较触发电路向数字处理电路输出过流反馈触发信号。

一实施例中，数字处理电路根据收到过流反馈触发信号对应的各模拟比较触发电路的优先级延迟对应时长向igbt驱动控制电路发送igbt关断指令。

经研究，在一定的栅极驱动电压下，igbt的饱和压降与通态电流的大小有关，以某款额定电流为450a的igbt为例，如图4所示，在栅极驱动电压vge为15v时，当通态电流等于额定电流时，饱和压降大约在2.5v；当通态电流等于额定电流的2倍时，饱和压降大约在4v；当通态电流等于额定电流的3倍时，饱和压降大约在5v到6v之间。当通态电流等于额定电流的4倍时，igbt将退饱和，通态电流不再继续上升，将持续稳定在该值，同时igbt会承受所有的母线电压。因此，当igbt的电流在额定值的3倍以下时，可以通过检测igbt饱和压降值，推断出此时的通态电流。将通态电流与不同等级的过流保护阈值进行比较，如果通态电流超过过流保护阈值，模拟比较触发电路向数字处理电路发送过流反馈。数字处理电路根据模拟比较触发电路的不同等级的过流反馈触发状况，发出不同响应时间的igbt关断指令到igbt驱动电路，结合igbt对于不同通态电流可持续承受的时间不同，而控制完成不同等级过流反馈触发状态下的igbt关断动作时间(对应时长)，从而实现不同等级的过流保护。

关断动作时间可以通过多种方式得到，一实施例中，所述对应时长由查询igbt技术手册得到。

另一实施例中，对应时长由所述数字处理电路根据饱和压降、通态电流及热容量计算得到。计算公式如下：

其中，t为对应时长，q为热容量，u为饱和压降，i为通态电流，k及a为系数，由igbt决定。

在一实施例中，对应时长还可以综合igbt技术手册、饱和压降、通态电流及热容量等评估得到的。

本发明通过实时检测igbt的饱和压降进行过流保护，既可以保护过流回路电感值较小的硬短路，也可以保护过流回路电感值较大的软短路。利用igbt饱和压降与通态电流的关系来判断是否过流，更加直观、可靠，且易于实现。利用相同的模拟比较电路，通过数字处理电路(数字控制芯片)完成过流保护阈值的设置及控制igbt关断动作时间，实现不同等级的过流保护，保护更加灵活、准确。

图5为本发明实施例的igbt过流保护方法流程图，该igbt过流保护方法可以应用于上述的igbt过流保护电路，关于igbt过流保护电路，不再赘述。如图5所示，该igbt过流保护方法包括：

s501：所述电压检测电路采集igbt上的饱和压降，并将所述饱和压降发送给多个所述模拟比较触发电路；

s502：各所述模拟比较触发电路将自身的过流保护阈值与所述饱和压降进行比较，如果自身的过流保护阈值小于所述饱和压降，输出过流反馈触发信号；

s503：所述数字处理电路接收至少一所述模拟比较触发电路输出的过流反馈触发信号，延迟对应时长向igbt驱动控制电路发送igbt关断指令，完成不同等级过流反馈触发状态下的igbt关断动作。

一实施例中，如果所述数字处理电路接收到多个所述模拟比较触发电路输出的流反馈触发信号，根据收到过流反馈触发信号对应的各所述模拟比较触发电路的优先级延迟对应时长向igbt驱动控制电路发送igbt关断指令。

一实施例中，所述对应时长由查询igbt技术手册得到。

一实施例中，所述对应时长由所述数字处理电路根据饱和压降、通态电流及热容量计算得到。

计算公式如下：

其中，t为对应时长，q为热容量，u为饱和压降，i为通态电流，k及a为系数，由igbt决定。

在一实施例中，对应时长还可以综合igbt技术手册、饱和压降、通态电流及热容量等评估得到的。

本发明可以保护过流回路电感值较小的硬短路及过流回路电感值较大的软短路。并且针对不同igbt的过流保护等级可调、自由灵活。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。