Igbt過流保護電路的制作方法

專利名稱：Igbt過流保護電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及功率器件保護電路，更具體地說，涉及一種IGBT過流保護電路。
背景技術：
隨著自動化程度的提高以及節能降耗需求，變頻調速設備得到了廣泛的應用。由 于IGBT結合了 MOSFET與GTR的優點，具有開關頻率高、導通壓降低、驅動功率小等優點，在 交流調速系統占據了主導地位。
在IGBT的使用中，對IGBT的保護最為關鍵，一方面是因為IGBT器件本身較為昂 貴性，另一方面是由于IGBT損壞將帶來嚴重影響與傷害。此外，IGBT在功率變換及交流調 速中起到核心作用，并且其應用場合多變、使用環境惡劣，所以對IGBT進行可靠保護至關重要。
IGBT在使用中主要做兩方面的保護工作，一方面是變頻器過載時IGBT的快速限 流保護；另一方面是在發生意外極限情況下的保護，比如變頻器輸出相間短路，以及輸出對 地短路，又叫短路保護。目前對于IGBT過流檢測主要有兩種方法
一是利用IGBT導通時，管壓降Vra與集電極電流I。成比例的特性進行保護，即當集 電極電流增加時，管壓降\e也隨之增大。當IGBT出現過流時，Vra也增大到IGBT保護的閾 值，此時便觸發驅動電路關斷IGBT。依據IGBT的這個特性，目前已經有很多廠家開發出集 IGBT驅動、過流保護，甚至驅動欠壓保護功能于一體的驅動光耦，如HCPL-316和PC929等。
二是利用變頻器作為控制反饋的電流采樣電路來進行保護。通常需針對三相電流 反饋值分別做保護。就單獨一相而言，由于電流采樣值是周期性的交流信號，所以對其正負 值都要進行保護，具體做法便是用比較器電路對其正負值分別設置對稱的保護點。當電流 到達設定的閾值時，便觸發比較器輸出，該信號作為封鎖IGBT的觸發信號，實現對IGBT的 保護。
然而，上述第一種方式集驅動與保護于一體，其必須采用高成本的驅動光耦，其保 護靈敏及時，所以適用于大功率的IGBT上。而對于小功率、低成本變頻器，甚至采用非隔離 方式的變頻器，則不適合采用該方案。
對于上述第二種方法，由于其利用采樣電流進行保護，所以針對任何一種情況都 要做正負值的保護，即需要兩個比較器，就一相而言又分快速限流保護與極限保護，所以一 相需要4個比較器，則三相共需要12個比較器。如此多的比較器將占據較大的單板面積， 并且該方案更容易受到干擾，導致變頻器的誤報故障與誤處理。發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對上述IGBT過流保護成本較高及占用單板面 積較大的問題，提供一種IGBT過流保護電路。
本發明解決上述技術問題的技術方案是，提供一種IGBT過流保護電路，包括電流 采樣單元、全波整流單元、峰值獲取單元、電流比較單元、控制單元以及IGBT驅動單元，其中所述電流采樣單元，用于獲取三相輸出電流；所述全橋整流單元，用于將所述三相輸出 電流分別轉換成三個單一方向的電流；所述峰值獲取單元，用于獲取三個單一方向的電流 中最大的一個電流并輸出；電流比較單元，用于將所述峰值獲取單元輸出的電流分別與快 速限流保護點、極限保護點比較；所述控制單元，用于根據電流比較單元的輸出使IGBT驅 動單元封鎖IGBT或打開IGBT。
在本發明所述的IGBT過流保護電路中，所述全波整流單元包括分別用于處理三 相輸出電流的三路整流電路，每一路整流電路用于將電流采樣單元的一相輸出電流整流為 正半周期保持不變、負半周期反向的電流。
在本發明所述的IGBT過流保護電路中，每一路整流電路包括相連的半波整流電 路和反向求和電路；所述半波整流電路用于將電流采樣單元的一相輸出電流轉換為正半周 期幅值為原來的_2倍、負半周期幅值為零的半波整流電流；所述反向求和電路的輸入端連 接電流采樣單元的一相輸出電流及半波整流電路的輸出端。
在本發明所述的IGBT過流保護電路中，所述峰值獲取單元包括三個二極管且該 三個二極管的陽極各連接到一路整流電路中反向求和電路的輸出端、陰極連接到電流比較 單元的輸入端。
在本發明所述的IGBT過流保護電路中，所述半波整流電路包括第一電阻、第二電 阻、第三電阻、兩個串聯的二極管以及第一運算放大器，且第三電阻的阻值為第一電阻阻值 的兩倍，其中電流采樣單元的一相輸出電流經由第一電阻連接到第一運算放大器的反相輸 入端，第一運算放大器的同相輸入端經由第二電阻接地、輸出端連接到兩個串聯的二極管 的中點，所述兩個串聯的二極管的陰極連接到第一運算放大器的反相輸入端、陽極為該半 波整流電路的輸出端，所述第三電阻的兩端分別連接第一運算放大器的反相輸入端和半波 整流電路的輸出端。
在本發明所述的IGBT過流保護電路中，所述反向求和電路包括第四電阻、第五電 阻、第六電阻、第七電阻以及第二運算放大器，其中電流采樣單元的一相輸出電流經由第四 電阻、所述半波整流電路的輸出端經由第五電阻同時連接到第二運算放大器的反相輸入 端，所述第二運算放大器的同相輸入端經由第六電阻接地，所述第二運算放大器的輸出端 連接到所述峰值獲取單元中一個二極管的陽極、反相輸入端經由第七電阻連接到該二極管 的陰極。
在本發明所述的IGBT過流保護電路中，所述電流比較單元包括輸出端分別連接 到控制單元不同引腳的第一比較器和第二比較器，且所述第一比較器的兩個輸入端分別連 接到峰值獲取單元的輸出端以及快速限流參考電壓，所述第二比較器的兩個輸入端分別連 接到峰值獲取單元的輸出端以及極限保護參考電壓。
在本發明所述的IGBT過流保護電路中，所述電流采樣單元從電機的輸入端獲得 三相輸出電流。
在本發明所述的IGBT過流保護電路中，所述電流采樣單元從三個分別接于IGBT 的下橋臂與負直流母線間的電阻獲得三相輸出電流。
本發明的IGBT過流保護電路，通過將采樣的三相輸出電流進行全波整流后取波 峰作為過流比較的依據，可對IGBT有效進行快速限流保護和極限保護。
相對于已有方案，本發明不僅可以同時實現變頻器快速限流保護和極限保護，而且無需驅動光耦集成IGBT的保護功能，大大降低了產品成本，可以滿足小功率、低成本變 頻器的需求。并且本發明的方案可大大減少電子元件，減少對PCB面積的占用，且不會誤報 故障與誤處理。


圖1是輸出到電機的三相電流的示意圖。
圖2是本發明IGBT過流保護電路實施例的示意圖。
圖3是圖2中IGBT過流保護電路的電路結構示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。
如圖2所示，輸出到電機的三相電流相位差依次為120°，且一個周期內存在六個 波峰，該六個波峰相位差為60° ;此外,在任何一個時間點,三相電流中的一相電流為另外 兩相電流之和，即幅值最大相電流即為電機實際電流。
由此，可將三相電流在一個周期內的六個波峰取出，并以此作為依據，便可以實現 對IGBT的過流保護。因為六個波峰便是電機的實際電流，即IGBT的電流，且在極限情況下 短路相電流最大，也可以被取出。
如圖2所示，是本發明IGBT過流保護電路實施例的示意圖。本實施例中的IGBT 過流保護電路包括電流采樣單元21、全波整流單元22、峰值獲取單元23、電流比較單元14、 控制單元25以及IGBT驅動單元26，上述電流采樣單元21、全波整流單元22、峰值獲取單元 23、電流比較單元14、控制單元25以及IGBT驅動單元26依次連接，IGBT驅動單元26的輸 出端連接到IGBT的控制信號輸入端。
電流采樣單元21用于獲取三相輸出電流。具體地，電流采樣單元21可通過采樣電 機的輸入端獲得上述三相輸出電流，該方式適用于精度要求較高的系統，實現成本也較高。 此外，電流采樣單元21也可從三個分別接于IGBT的下橋臂與負直流母線間的電阻獲得三 相輸出電流，該方式適用于低成本的方案中。
全橋整流單元22用于將電流采樣單元21采樣獲得的三相輸出電流分別轉換成三 個單一方向的電流。具體地，該全橋整流單元22保留三相電流正半周期不變、負半周期反 向。
峰值獲取單元23用于從全橋整流單元22整流獲得的三個單一方向的電流中獲得 最大的一個電流并輸出。
電流比較單元24用于將峰值獲取單元23輸出的電流分別與快速限流保護點、極 限保護點比較，并生成兩個信號輸出。控制單元25可以為一塊控制芯片，并用于根據電流 比較單元24的輸出使IGBT驅動單元26封鎖IGBT或打開IGBT。在具體實現時，上述電流 比較單元24和控制單元25也可集成到一塊控制芯片上。
如圖3所示，是圖2中的IGBT過流保護電路實施例的電路示意圖，該電路可以實 現全波精密整流以及取六個波峰，以節省比較器的個數，使整個IGBT過流保護電路占用較小的PCB面積。
圖2中的全波整流單元22包括分別用于處理三相輸出電流(IU、IV、IW)的三路整流電路，每一路整流電路用于將電流采樣單元的一相輸出電流整流為正半周期保持不變、 負半周期反向的電流。
每一路整流電路包括相連的半波整流電路和反向求和電路，其中半波整流電路用于將電流采樣單元的一相輸出電流轉換為正半周期幅值為原來的-2倍、負半周期幅值為零的半波整流電流，反向求和電路的輸入端連接電流采樣單元的一相輸出電流及半波整流電路的輸出端。
以下以相電流IU為例，說明上述一路整流電路的構成。
半波整流電路包括第一電阻R24、第二電阻R25、第三電阻R23、兩個串聯的二極管 D6以及第一運算放大器Ul-Α，且第三電阻R23的阻值為第一電阻R24阻值的兩倍。電流采樣單元21輸出的相電流IU經由第一電阻R24連接到第一運算放大器Ul-A的反相輸入端， 第一運算放大器Ul-A的同相輸入端經由第二電阻R25接地、輸出端連接到兩個串聯的二極管D6的中點。兩個串聯的二極管D6的陰極連接到第一運算放大器Ul-A的反相輸入端、陽極為該半波整流電路的輸出端。第三電阻R23的兩端分別連接第一運算放大器Ul-A的反相輸入端和半波整流電路的輸出端。
反向求和電路包括第四電阻R2、第五電阻R1、第六電阻R14、第七電阻R3以及第二運算放大器Ul-Β，且第四電阻R2、第五電阻R1、第七電阻R3的阻值相等，即R1=R2=R3。電流采樣單元21的輸出的相電流IU經由第四電阻R2、半波整流電路的輸出端經由第五電阻 Rl同時連接到第二運算放大器Ul-B的反相輸入端。第二運算放大器Ul-B的同相輸入端經由第六電阻R14接地。第二運算放大器Ul-B的輸出端連接到峰值獲取單元23中的一個二極管的陽極、反相輸入端經由第七電阻R3連接到該二極管的陰極。
峰值獲取單元23包括三個二極管且該三個二極管的陽極各連接到一路整流電路中反向求和電路的輸出端、陰極連接到電流比較單元24的輸入端。由于二極管正向導通， 反向截止的特性，可以保證取出三相電流的波峰。
電流比較單元24包括輸出端分別連接到控制單元25的不同引腳的第一比較器 U4-A和第二比較器U4-B，分別設定快速限流點(即快速限流參考電壓)和極限保護點(即極限保護參考電壓)。第一比較器U4-A的兩個輸入端分別連接到峰值獲取單元23的輸出端以及快速限流參考電壓VREFl，第二比較器U4-B的兩個輸入端分別連接到峰值獲取單元23 的輸出端(經由分壓電阻)以及極限保護參考電壓VREF2。通過上述兩個比較器，
從而控制單元25可根據兩個比較器的輸出控制IGBT驅動單元26執行相應操作如果達到快速限流保護點(即峰值獲取單元23的輸出大于或等于快速限流參考電壓 VREFl)便會封鎖IGBT，小于它便打開IGBT，以滿足變頻器在過載時的正常運行的需求；如果出現短路極限情況，則達到極限保護點(即峰值獲取單元23的輸出大于或等于極限保護參考電壓VREF2)，之后會完全封鎖IGBT，不再自動打開。
上述IGBT過流保護電路可同時實現變頻器快速限流保護和極限保護，不僅可以大大減少成本，滿足小功率、低成本變頻器的需求，而且僅需兩個比較器及較少的外圍電阻器件，可大大減少PCB的占用面積，間接節省了成本。此外，上述IGBT過流保護電路還具有更好的可靠性，不會誤報故障與誤處理。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想 到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種IGBT過流保護電路，其特征在于包括電流采樣單元、全波整流單元、峰值獲取單元、電流比較單元、控制單元以及IGBT驅動單元,其中所述電流采樣單元,用于獲取三相輸出電流；所述全橋整流單元，用于將所述三相輸出電流分別轉換成三個單一方向的電流；所述峰值獲取單元，用于獲取三個單一方向的電流中最大的一個電流并輸出；電流比較單元，用于將所述峰值獲取單元輸出的電流分別與快速限流保護點、極限保護點比較；所述控制單元，用于根據電流比較單元的輸出使IGBT驅動單元封鎖IGBT或打開IGBT。
2.根據權利要求1所述的IGBT過流保護電路，其特征在于所述全波整流單元包括分別用于處理三相輸出電流的三路整流電路，每一路整流電路用于將電流采樣單元的一相輸出電流整流為正半周期保持不變、負半周期反向的電流。
3.根據權利要求2所述的IGBT過流保護電路，其特征在于每一路整流電路包括相連的半波整流電路和反向求和電路；所述半波整流電路用于將電流采樣單元的一相輸出電流轉換為正半周期幅值為原來的_2倍、負半周期幅值為零的半波整流電流；所述反向求和電路的輸入端連接電流采樣單元的一相輸出電流及半波整流電路的輸出端。
4.根據權利要求3所述的IGBT過流保護電路，其特征在于所述峰值獲取單元包括三個二極管且該三個二極管的陽極各連接到一路整流電路中反向求和電路的輸出端、陰極連接到電流比較單元的輸入端。
5.根據權利要求3或4所述的IGBT過流保護電路，其特征在于所述半波整流電路包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、兩個串聯的二極管以及第一運算放大器，且第三電阻的阻值為第一電阻阻值的兩倍，其中電流采樣單元的一相輸出電流經由第一電阻連接到第一運算放大器的反相輸入端，第一運算放大器的同相輸入端經由第二電阻接地、輸出端連接到兩個串聯的二極管的中點，所述兩個串聯的二極管的陰極連接到第一運算放大器的反相輸入端、陽極為該半波整流電路的輸出端，所述第三電阻的兩端分別連接第一運算放大器的反相輸入端和半波整流電路的輸出端。
6.根據權利要求4所述的IGBT過流保護電路，其特征在于所述反向求和電路包括第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻以及第二運算放大器，其中電流采樣單元的一相輸出電流經由第四電阻、所述半波整流電路的輸出端經由第五電阻同時連接到第二運算放大器的反相輸入端，所述第二運算放大器的同相輸入端經由第六電阻接地，所述第二運算放大器的輸出端連接到所述峰值獲取單元中一個二極管的陽極、反相輸入端經由第七電阻連接到該二極管的陰極。
7.根據權利要求1所述的IGBT過流保護電路，其特征在于所述電流比較單元包括輸出端分別連接到控制單元不同引腳的第一比較器和第二比較器，且所述第一比較器的兩個輸入端分別連接到峰值獲取單元的輸出端以及快速限流參考電壓，所述第二比較器的兩個輸入端分別連接到峰值獲取單元的輸出端以及極限保護參考電壓。
8.根據權利要求6所述的IGBT過流保護電路，其特征在于所述電流采樣單元從電機的輸入端獲得三相輸出電流。
9.根據權利要求6所述的IGBT過流保護電路，其特征在于所述電流采樣單元從三個分別接于IGBT的下橋臂與負直流母線間的電阻獲得三相輸出電流。
全文摘要
本發明提供了一種IGBT過流保護電路，包括電流采樣單元、全波整流單元、峰值獲取單元、電流比較單元、控制單元以及IGBT驅動單元，其中電流采樣單元用于獲取三相輸出電流；全橋整流單元，用于將所述三相輸出電流分別轉換成三個單一方向的電流；峰值獲取單元用于獲取三個單一方向的電流中最大的一個電流并輸出；電流比較單元用于將所述峰值獲取單元輸出的電流分別與快速限流保護點、極限保護點比較；控制單元用于根據電流比較單元的輸出使IGBT驅動單元封鎖IGBT或打開IGBT。本發明通過將采樣的三相輸出電流進行全波整流后取波峰作為過流比較的依據，可對IGBT有效進行快速限流保護和極限保護。
文檔編號H02H7/125GK103066819SQ20121050889
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月3日 優先權日2012年12月3日
發明者王山山, 李紫奎 申請人:深圳市匯川技術股份有限公司, 蘇州匯川技術有限公司, 蘇州默納克控制技術有限公司