一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路

技术领域

本发明属于IGBT驱动器技术领域，具体为一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路。

背景技术

IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是组成各种变流器的核心功率元器件，IGBT只有配上合适的驱动器才能正常工作，为提高变流模块的可靠性与寿命，驱动器必须具有异常工况保护功能，其中主回路短路是最恶劣的异常工况。

图5为一种常见的三相桥逆变电路，由三个桥臂组成(每个桥臂由上下2只IGBT串联组成，串联中点为交流输出端)，其中Q1～Q6为6只IGBT器件，HV+和HV-是直流输入端，分别接直流电压的正负极，L1～L3为逆变电路的负载(负载也可以是电机M)，每一只IGBT器件配有一块驱动电路板。

以下对短路分类(以Q4管短路为例)作简要说明：

1)、一类短路(SCⅠ)

一类短路(SCⅠ)定义为：器件开通前短路已经发生，且短路回路阻抗极低通常不超过200nH。图8为典型测试波形，其中绿色为IGBT门极电压Vge，蓝色为IGBT端电压Vce，红色波形为短路电流，Q4开通便立即进入大电流工况(一类短路工况)，由于回路阻抗极低，Q4并不会饱和导通，Q4的端电压Vce不会跌落很多，器件损耗极大，驱动器必须保证在10μs以内关断Q4，否则Q4将会过热失效，关断过程中必须保证Q4端电压Vce不超出器件额定电压，否则IGBT将会过压失效，通常驱动器具有软关断功能保证这一点。

2)、二类短路(SCⅡ)

二类短路(SCⅡ)定义为：器件开通前短路已经发生，且短路回路阻抗较低通常在10uH以上。图7为典型测试波形图，其中绿色为IGBT门极电压Vge，黑色为IGBT端电压Vce，红色波形为短路电流，Q4开通先进入饱和导通阶段，由于回路阻抗较大，电流从零缓慢上升(相对于一类短路上升较缓慢，但仍然较正常负载电流上升迅速很多)，当电流增至一定值(通常为器件2～4倍额定电流)后IGBT便退出饱和导通区进入线性放大区，Vce开始上升，损耗逐渐加大，此时驱动器必须保证在10μs以内关断Q4，否则Q4将会过热失效，关断过程中必须保证Q4端电压Vce不超出器件额定电压，否则IGBT将会过压失效，通常驱动器具有软关断功能保证这一点。

3)、三类短路(SCⅢ)

三类短路(SCⅢ)定义为：器件开通后短路才发生，且短路回路阻抗极低通常不超过200nH。图6为典型测试波形图，其中左侧波形为IGBT正在载流时发生短路，绿色为IGBT门极电压Vge，蓝色为IGBT端电压Vce，红色波形为短路电流，短路发生前Q4器件门极电压Vge为高(通常为+15V)，即IGBT在正向导通状态下发生短路，集电极电流Ic从额定电流值迅速升高。电流变化率di/dt由集电极-发射极电压Vce与串联电感LSC决定。在这个过程中，由于米勒效应导致栅压升高，因此短路电流峰值比前2种情况更大，容易发生闩锁失效(擎住效应)，这种情况下lGBT需要承受更严峻的考验，为了保护lGBT，通常需要在驱动电路中采用栅极电压箝位措施。

右侧波形为二极管正在载流时发生短路，绿色为IGBT门极电压Vge，蓝色为IGBT端电压Vce，红色波形为短路电流，开始时快恢复二极管(FRD)处于正向导通状态，与之反并联连接的lGBT处于阻断状态，发生短路后FRD从正向导通进入反向恢复状态，因此IGBT会首先开通进入导通状态，紧接着进入短路状态，如图所示。这种情况下IGBT受短路冲击的严峻性与左侧短路情况基本相同，但是FRD在反向恢复的状态下需要承受很大的电压变化率(dv/dt)的冲击，其受冲击的程度比IGBT更严峻。

目前市面上的驱动器大都采用图4所示的短路检测电路，正常开通时IGBT饱和导通，Vce电压很低(一般不超过2V)，二极管D导通，C

这种常规的检测方式可以有效保护一类短路(SCⅠ)、二类短路(SCⅡ)，因为这两种短路都是在器件开通前短路就已经发生，器件开通后电流从0开始上升到一定程度，器件Vce就会上升，当Vce达到驱动器设定值时就会保护。但是对于三类短路(SCⅢ)，由于是器件开通后才发生短路，对器件的冲击很大，往往电流在极短时间就上冲到器件额定电流的6～10倍，常规的短路保护策略无法限制该电流峰值，只能靠器件自身抗住该极端工况，大部分器件无法承受该极端峰值而发生闩锁失效(擎住效应)，常规保护电路直到器件退饱和后Vce达到驱动器保护门槛值且延时一段时间(通常为6～10us)后，驱动器才会启动软关断保护。可见，常规保护电路对于三类短路(SCⅢ)的保护效果十分有限。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路，它包含了三类短路(SCⅢ)的保护功能，可以防止三类短路(SCⅢ)发生时器件发生闩锁失效(擎住效应)，提高变流器的可靠性。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路，所述IGBT器件包括主功率端子E极、功率端子C极、辅助端子e极、辅助端子c极和辅助端子g极，所述辅助端子e极接地，所述主功率端子E极和辅助端子e极与功率端子C极和辅助端子c极之间均具有封装电感L；三类短路保护电路包括短路保护检测电路、逻辑控制电路和电压比较电路；所述短路保护电路由电阻R3、电容C1、二极管D1及电流源电路组成；所述电阻R3一端接+15V电平，另一端与电容C1、二极管D1正极和电流源电路连接；所述电容C1另一端接地；所述辅助端子g极上分别连接有电阻R1和电阻R2，所述电阻R1与逻辑控制电路之间分别连接有三极管T1和三极管T2，所述电阻R2与逻辑控制电路之间连接有三极管T3；所述三极管T1基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R1和15V电平；所述三极管T2基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R1和-15V电平；所述三极管T3基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R2和-15V电平；所述功率端子C极和逻辑控制电路分别接有二极管D1的正极和负极，所述电压比较电路分别接有主功率端子E极和地极；所述电压比较电路输出端接有逻辑控制电路，且其内设有用于比较主功率端子E极相对于辅助端子e极的电压值VEe的电压比较门槛值。

进一步的，所述R1电阻值小于R2电阻值。

进一步的，所述三极管T1为PNP三极管，所述三极管T2和三极管T3为NPN三极管。

进一步的，所述电压比较门槛值由实验室三类短路实验确定。

本发明的有益效果：

1、本发明通过检测主功率端子E极相对于驱动器的地(即辅助端子e)的电压值实现三类短路(SCⅢ)di/dt检测，因为三类短路(SCⅢ)发生时器件的电流上升斜率极高，将会在封装电感L上感应出电压，此时VEe通常在-30至-100V之间，通过电压比较电路与预先设置的门槛值(门槛值由实验室三类短路实验确定)比较，当VEe的幅值高于门槛值时，认为发生了三类短路(SCⅢ)。

2、本发明具有新颖性、创新性、实用性的地方在于提出的保护脉冲策略，检测到三类短路(SCⅢ)后短暂拉低Vge从而限制短路电流峰值，防止器件发生闩锁失效(擎住效应)，因为拉低时间是短暂的不会直接关闭IGBT器件故不会导致器件Vce过压失效(最终实现软关断IGBT器件的电路还是由R3、C1、D1、电流源组成的常规短路检测电路)。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为本发明保护电路的脉冲策略图。

图3为现有技术中IGBT器件电路图。

图4为现有技术中常规短路检测电路原理图。

图5为现有技术中三相桥逆变电路原理图。

图6为现有技术中IGBT驱动器主回路三类短路典型测试波形图。

图7为现有技术中IGBT驱动器主回路二类短路典型测试波形图。

图8为现有技术中IGBT驱动器主回路一类短路典型测试波形图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图2所示，本发明的具体结构为：一种基于IGBT器件端子压降检测的三类短路保护电路，所述IGBT器件包括主功率端子E极、功率端子C极、辅助端子e极、辅助端子c极和辅助端子g极，所述辅助端子e极接地，所述主功率端子E极和辅助端子e极与功率端子C极和辅助端子c极之间均具有封装电感L；三类短路保护电路包括短路保护检测电路、逻辑控制电路和电压比较电路；所述短路保护电路由电阻R3、电容C1、二极管D1及电流源电路组成；所述电阻R3一端接+15V电平，另一端与电容C1、二极管D1正极和电流源电路连接；所述电容C1另一端接地；所述辅助端子g极上分别连接有电阻R1和电阻R2，所述电阻R1与逻辑控制电路之间分别连接有三极管T1和三极管T2，所述电阻R2与逻辑控制电路之间连接有三极管T3；所述三极管T1基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R1和15V电平；所述三极管T2基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R1和-15V电平；所述三极管T3基极、集电极和发射极分别接有逻辑控制电路、电阻R2和-15V电平；所述功率端子C极和逻辑控制电路分别接有二极管D1的正极和负极，所述电压比较电路分别接有主功率端子E极和地极；所述电压比较电路输出端接有逻辑控制电路，且其内设有用于比较主功率端子E极相对于辅助端子e极的电压值VEe的电压比较门槛值。

优选的，所述R1电阻值小于R2电阻值。

优选的，所述三极管T1为PNP三极管，所述三极管T2和三极管T3为NPN三极管。

优选的，所述电压比较门槛值由实验室三类短路实验确定。

系统工作时，由于三类短路(SCⅢ)发生时短路电流上升斜率(di/dt)比一类短路(SCⅠ)、二类短路(SCⅡ)发生时短路电流上升斜率(di/dt)大得多，因此设置电流上升斜率(di/dt)检测电路，由于IGBT器件封装结构特性决定了主功率端子E极和辅助端子e极具有封装电感L(功率端子C极和辅助端子c极也有)，当di/dt较高时主功率端子E极和辅助端子e极之间会有相应的感应电压。因此，可以将主功率端子E极和辅助端子e极之间的电压差作为三类短路(SCⅢ)检测的标志。

通常IGBT器件门极端子包括门极g和辅助端子e，其中e接驱动器的地(电平为0V)，当T1闭合(T2、T3断开)时Vge＝+15V，IGBT打开，器件开始载流，当T2闭合(T1、T3断开)时Vge＝-15V，IGBT关断，器件不再载流。由R3、C1、D1及电流源电路组成常规的短路保护检测电路，当IGBT器件电流过高后器件退出饱和导通，Vce开始上升，C1上的电压也开始上升，C1上电压升上驱动器设定的阈值时驱动器将会闭合T3(T1、T2处于断开状态)，通过R2(R2电阻阻值高于R1)关闭IGBT器件，从而实现软关断，防止器件过压失效。

三类短路(SCⅢ)发生于器件处于开通状态(T1闭合，T2、T3断开)，当检测到三类短路(SCⅢ)发生后，由于米勒效应器件门极电压Vge会升高进一步导致短路电流升高，为防止短路电流过大，驱动器应该立即拉低Vge(关闭T1，闭合T2)，但此时的Vge拉低持续时间不能太久，否则会彻底关闭IGBT器件，此时由于电流太大直接关闭会导致器件Vce关断尖峰过高而失效。短暂拉低后，驱动器应该迅速将器件门极电压Vge拉高至额定(闭合T1，关闭T2)防止器件的STO(self-turn-off)现象(往往STO也会导致器件失效)，等待6～10us后再软关断IGBT器件。

如图2所示，t1时刻之前IGBT器件处于正常导通状态，Vge＝+15V(T1闭合，T2、T3断开)，t1时刻发生三类短路(SCⅢ)电压比较电路检测到VEe幅值高于设定的门槛值，逻辑控制电路立即关闭T1、打开T2，持续300ns～1000ns左右(具体时间针对不同器件会不一样，具体由试验确定最佳值)，t2时刻开启T1、关闭T2将Vge又充至+15V，此后由R3、C1、D1及电流源电路组成常规的短路保护检测电路将会检测到VCE高于设定的保护值，延时6～10us后，将会关闭T1、打开T3对IGBT器件实现软关断。

特别说明的是，图2中绘制的是IGBT器件的控制脉冲，实际IGBT器件侧的Vge因为受到IGBT器件门极电容的影响，波形不会是垂直的。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。