一种基于桥臂电流检测的IGBT短路保护电路

一种基于桥臂电流检测的igbt短路保护电路
技术领域
1.本发明属于电路技术领域，涉及igbt短路保护，具体为一种基于桥臂电流检测的igbt短路保护电路。


背景技术：

2.igbt(insulated gate bipolar transistor， 绝缘栅双极型晶体管)由mosfet和双极型晶体管复合而成,其融和了这两种器件的优点,既具有mosfet器件驱动简单和快速的优点,又具有双极型器件容量大的优点,因而,在当前电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。然而， igbt的驱动器的各种保护功能是否可行、完善，能否在异常情况下及时关闭igbt，在一定程度上决定了igbt使用的寿命。
3.常规igbt驱动器的短路保护是对开通时的igbt的集电极ce端进行电压检测，即检测集电极和发射极的管压降vce(sat)。正常工作时， vce(sat)值约2v左右， 达不到短路保护阈值。当发生短路时，由于流过集电极的电流(即ic)快速变化，造成vce(sat)上升,直至达到短路保护阈值。通过igbt驱动器的信号处理电路实施自锁保护，或者是利用电阻采样在主电路进行判断再将故障信号隔离后给控制电路。
4.但在管压降保护方法中，一是由于vce(sat)只是跟随集电极的电流ic的变化而变化并不能很好地反映集电极的电流ic，可能会存在保护不及时或者保护不动作的情况。二是由于在工作电流大于2倍额定电流时，igbt的外特性曲线为定性不定量的，所以可能会存在某些异常情况导致短路电流极大时还未达到短路保护阈值，保护不动作，即短路保护失效，从而损坏igbt；在利用电阻采样的方法中由于是直接在主电路进行判断，由于采样电阻直接串在直流母线上因此其考虑到采样电阻的发热问题和整个电路的效率，采样电阻采到的电流采样值往往1v不到。主电路一旦功率增大就会有很强的电磁辐射，所述电阻的采样值会失真很严重。从而会造成大概率的保护不动作或者误动作。


技术实现要素：

5.有鉴于管压降保护方法和利用电阻采样的方法不能有效对igbt进行短路保护，本发明提供一种基于桥臂电流检测的igbt短路保护电路。
6.本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于桥臂电流检测的igbt短路保护电路，包括直流母线电流采样单元，用于检测流经igbt的直流母线电流；比较单元，用于将该直流母线电流与短路阈值电流进行比较，并输出比较结果；故障信号存储单元，用于将比较单元比较所认定的短路故障信号进行保存；保护单元，识别短路故障信号并根据短路故障信号对igbt进行短路保护。
7.进一步地，直流母线电流采样单元包括高频电流互感器和采样电阻；所述高频电流互感器用于将直流高频电流等比缩小且输出隔离；所述的采样电阻用于将等比缩小的直流高频电流转化为电压信号并用于比较单元进行比较，所述比较单元包括短路电流阈值设置单元和比较器；所述短路电流阈值设置单元为一电压生成单元，用于生成短路阈值电流
所对应的电压值，提供给所述比较器，所述比较器用于将所述直流母线电压信号和短路电流阈值所对应的电压值进行比较，并输出比较结果。由于整个保护电路都在控制侧电路上并且所有信号都是隔离的因此受到的主电路干扰小，采样精度高采样输出范围大，因此能够更可靠地实现对igbt的短路保护。
8.进一步地，所述短路阈值电流为根据igbt正常工作下的集电极所能通过的最大安全电流；若比较单元输出的所述比较结果表明检测到的直流母线电流采样值超过所述短路电流阈值，则所述比较单元发出短路故障信号并将短路故障信号传给故障信号存储单元。
9.进一步地，所述故障信号存储单元包括d触发器和故障信号清除电路，所述d触发器在接受到比较单元发出的短路故障信号后立刻发出一个低电平短路故障信号给保护单元以并保持这个故障信号；所述的故障信号清除电路用于接收故障信号清除指令，并将d触发器输出的低电平短路故障信号复位，等待下一次比较单元发出的短路故障信号。故障信号清除指令为故障被排除后再人为或者mcu自动给出。
10.进一步地，所述保护单元包括逻辑与门，当保护单元根据识别到d触发器发出的低电平短路故障信号后，通过逻辑与门所特有的性质将输出信号拉低并给驱动电路，从而使驱动电路输出低电平从而关闭igbt。
11.进一步地，一种基于桥臂电流检测的igbt短路保护电路包括直流母线电流检测步骤，检测流经igbt的直流母线电流；比较步骤，将直流母线电流与短路阈值电流进行比较，并输出比较结果；故障信号存储步骤，将比较单元发出的短路故障信号存储并发出低电平的短路故障信号给保护单元；保护步骤，根据所述低电平的短路故障信号启动对igbt的短路保护。
12.进一步地，所述比较步骤包括短路阈值电流设置步骤和比较子步骤； 所述短路阈值电流设置步骤， 提供所述短路阈值电流所对应的电压值； 所述比较子步骤， 将直流母线电压信号和所述短路电流阈值所对应的电压值进行比较，并输出比较结果。
13.进一步地，人为设定一个短路阈值电流，并利用电阻分压或者mcu提供一个和短路电流阈值所对应的电压值，并利用短路阈值电流所对应的电压值和直流母线电压信号进行比较，并输出结果。
14.进一步地，若比较结果表明直流母线电压信号超过所述短路电流阈值所对应的电压值，则表明igbt出现异常，则此时将短路故障信号给存储单元并由存储单元发出低电平短路故障信号给保护单元，启动短路保护。
15.根据本发明的上述方案，通过检测流经igbt直流母线电流来对于igbt的短路保护。这样，通过利用高频电流互感器检测流经igbt的直流母线电流，解决了现有技术中对大功率igbt模块短路保护只能通过检测igbt集电极到发射极管压降vce或者用电阻采样非隔离判断故障信号而导致的方案不稳定的问题，并且由于短路保护的采样输出与强电端完全隔离，故障信号判断和处理全部都在控制电路上从而避免了强、弱电混合的情况，消除了对控制器存在的安全隐患；除此之外直流母线电流与igbt电流完全一致因此直接从直流母线电流来判断igbt是否短路相对于检测集电极到发射极管压降法、检测栅极驱动电流法等间接方法具有更高的精准性、有效性、时效性和稳定性。即提高了短路保护的可靠性。
16.以下结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细的描述，本发明
的有益效果将进一步明确。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
18.图1示出了根据本发明一优选实施igbt短路保护电路的结构框图。
19.图2为根据本发明一优选实施例的igbt电路图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。
21.在对本发明的电路结构进行说明之前，首先解释一下本发明的工作原理。直流母线是直接与igbt连接的，故直流母线上的电流与流经igbt的电流完全一致，因此只要判断直流母线电流是否超出安全范围就可以判断igbt是否短路。由于igbt开关状态在高速中，母线直流也是一种高频脉冲的电流形式，所以直流母线电流磁场也在不停变化，故可以直接用高频电流互感器来测得直流母线电流并将采样值与直流母线所在的强电侧隔离。
22.基于以上原理，提出本发明的方案，以下将进行详细说明。
23.首先结合图1说明本发明的igbt短路保护电路的构成。图1示出了根据本发明所述igbt短路保护电路的结构框图，如图1所示，所述igbt短路保护电路包括： 直流母线电流采样单元1、比较单元2、故障信号存储单元3以及保护单元4。所述直流母线电流采样单元1用于测量流经igbt的直流母线上的电流。所述比较单元2用于将该直流母线电流采样值与短路阈值电流进行比较，并输出比较结果。所述故障信号存储单元3用于将比较单元2经比较所认定的短路信号进行保存。所述保护单元4用于识别短路故障信号并根据故障信号对igbt进行短路保护。
24.根据本发明的上述方案，通过检测流经igbt直流母线电流来对igbt进行短路保护。这样，通过利用高频电流互感器检测流经igbt的直流母线电流，解决了现有技术中对大功率igbt模块短路保护只能通过检测igbt集电极到发射极管压降vce或者用电阻采样非隔离判断故障信号而导致的方案不稳定的问题，并且由于短路保护的采样输出与强电端完全隔离，故障信号判断和处理全部都在控制电路上从而避免了强、弱电混合的情况，消除了对控制电路存在的安全隐患；除此之外直流母线电流与igbt电流完全一致，因此直接从直流母线电流来判断igbt是否短路相对于检测集电极到发射极管压降法、检测栅极驱动电流法等间接方法具有更高的精准性、有效性、时效性和稳定性。即提高了短路保护的可靠性。
25.以下对所述保护电路的各组成部分逐一进行说明。
26.所述直流母线电流采样单元1用于检测流经igbt的电流，具体地结合图二说明，利用高频电流互感器和其采样电阻将直流母线上的高频脉冲电流采样得到一个隔离的高频脉冲电压信号。
27.所述比较单元2用于将所述直流母线采样值与短路电流阈值进行比较，并输出结
果。在一优选实例中，如图1所示，所述比较单元2包括短路电流阈值设置单元21和比较器22。所述的短路电流阈值设置单元用于生成短路阈值电流经过采样比例所对应的电压值，提供给所述比较器并与直流母线电压信号进行比较，并输出比较结果。在一个具体实例中，所述短路电流阈值设置单元由mcu的dca模块加电压跟随器组成或者是由电阻分压加电压跟随器组成。前者的短路电流阈值完全由软件控制生成，有灵活性和可变性等优点；后者完全由硬件控制，电路结构简单，但是电路参数确定后短路电流阈值也就定了。
28.在一个实施实例中，所述短路电流阈值可以根据经验值来选取，一般选igbt管所能承受最大安全电流的2/3所对应的采样值。
29.故障信号存储单元3由d触发器和故障信号清除电路组成，用来接收、保存比较单元发出的短路故障信号并发出低电平短路故障信号给保护单元。在一实施例中故障信号存储单元3类似于一个存储器，有将信号存储和复位功能。如图2所示，在实际使用中存储单元接收到上述比较器发出的短路故障信号立刻输出发生翻转由原来高电平的正常状态翻转为低电平的短路故障信号状态，并在接收到故障清除指令之前一直保持低电平短路故障信号的状态。在人为将短路信号排除后给外部mcu一个故障排除指令，接着mcu再发出故障清除指令，故障存储单元复位等待下一次故障信号的到来。
30.所述保护单元4用于根据所述故障信号存储单元3发出的指令是否启动对igbt的短路保护。具体地如图2所示，若比较结果表明igbt出现异常，例如直流母线采样值超过短路电流阈值时，比较器输出短路信号，故障存储单元输出立刻翻转成低电平的短路故障信号。则保护单元4识别到低电平的故障信号，由其逻辑与门特性启动对igbt的短路保护，例如将输出到驱动单元的pwm信号全部拉低， 从而关闭igbt。否则，不启动短路保护。
31.以上发明的一种igbt短路保护电路。通过检测流经igbt直流母线电流来对igbt进行短路保护。这样，通过利用高频电流互感器检测流经igbt的直流母线电流，解决了现有技术中对大功率igbt模块短路保护只能通过检测igbt集电极到发射极管压降vce或者用电阻采样非隔离判断故障信号而导致的方案不稳定的问题，并且由于短路保护的采样输出与强电端完全隔离，故障信号判断和处理全部都在控制电路上从而避免了强、弱电混合的情况，消除了对控制电路存在的安全隐患；除此之外直流母线电流与igbt电流完全一致因此直接从直流母线电流来判断igbt是否短路相对于检测集电极到发射极管压降法、检测栅极驱动电流法等间接方法具有更高的精准性、有效性、时效性和稳定性。即提高了短路保护的可靠性。
32.综上所述，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
33.以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。