專利名稱：可靠靈敏的igbt過流保護電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種保護電路，具體是一種可靠的、具有高靈敏度的IGBT過流保護電路，適用于電磁加熱技術領域。
技術背景隨著電磁加熱技術在工業中的應用越來越廣泛，電磁加熱裝置的控制器也暴露了出壽命不長等問題，控制器中的IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)雖然已經采用了常規的保護措施但仍然屢屢損壞。具體原因是工業使用的控制器屬于大功率電磁加熱控制器，長期頻繁的大電流切換狀態加上會隨溫度變化的感性負載，容易造成IGBT在大電流下瞬間關斷，導致IGBT超出關斷安全工作區而處于擎住狀態，從而過流損壞，因此工業使用的電磁加熱控制器需要更快速更合理的IGBT過流保護功能才能有效保護IGBT。
發明內容本實用新型的目的是克服上述背景技術中的不足，提供一種IGBT過流保護電路的改進，該保護電路應具有可靠性好、靈敏度高、結構簡單的特點。本實用新型提供的技術方案是可靠靈敏的IGBT過流保護電路，包括IGBT驅動芯片UBUVce采樣電路以及IGBT控制電路；其特征在于所述過流保護電路還設有互感采樣電路，該互感采樣電路由電流傳感器Tl、電阻RLF1、二極管DD2、電阻R2152、穩壓管DQll組成，電流傳感器Tl的輸入端中，I號接線端接負載L，2號接線端與IGBT的集電極以及所述Vce采樣電路連接，電流傳感器Tl的輸出端中，3號接線端分兩路，一路經所述電阻RLFl接地，另一路通過依序串聯的所述二極管DD2、電阻R2152、穩壓管DQll連接IGBT驅動芯片UBl的DESAT引腳，4號接線端接地。所述Vce采樣電路包括依序串聯的二極管DDl、電阻R2151、電容C229，電阻R2151和電容C229之間的節點連接所述IGBT驅動芯片UBl的DESAT腳，二極管DDl的負極連接所述電流傳感器Tl的2號引腳。所述控制電路由電阻R217、R218、穩壓管DQ12、DQ13組成，所述電阻R217的一端連接IGBT驅動芯片UBl的OUT引腳，另一端分三路，第一路連接IGBT的門極，IGBT的發射極接地，第二路通過所述電阻R218接地、第三路與穩壓管DQ13的負極連接，穩壓管DQ13的正極與穩壓管DQ12的正極連接，穩壓管DQ12的負極接地。本實用新型的工作原理是Vce采樣電路具有響應速度快的特點，但其靈敏性較差(需要較大的電流才能響應，速度快)，而互感采樣電路的特點是響應速度較慢，但靈敏度高的特點(較小的電流就能響應，但速度較慢);本實用新型將兩種采樣電路結合，當IGBT的電流較大時，Vce采樣電路進行采樣，當IGBT的電流較小時，互感器將電流放大，電阻RLFl的電壓升高，互感采樣電路可以通過二極管DD2、電阻R2152和穩壓管DQl I采樣；當采樣電路檢測到過流時，IGBT驅動芯片UBl的OUT腳發出信號，降低IGBT的門極電壓，從而關斷IGBT防止其損壞。本實用新型的有益效果是本實用新型將常規的Vce采樣電路和互感采樣電路結合在一起，綜合兩種采樣電路的特點，使得本實用新型具有響應速度快、靈敏度高的特點；試驗中發現，不論對于負載短路，電容擊穿引起的過流，還是輸入電壓過高引起的過流都能很好地保護控制器不受損壞。
圖I是本實用新型的電路原理示意圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖，對本實用新型作進一步說明。如圖I所示，可靠靈敏的IGBT過流保護電路，包括IGBT驅動芯片UBl (選用HCPL-316J)、Vce采樣電路以及IGBT控制電路；所述Vce采樣電路包括依序串聯的二極管DD1、電阻R2151、電容C229，電阻R2151和電容C229之間的節點連接所述IGBT驅動芯片UBI的DESAT腳。所述控制電路由電阻R217、R218、穩壓管DQ12、DQ13組成，所述電阻R217的一端連接IGBT驅動芯片UBl的OUT引腳，另一端分三路，第一路連接IGBT的門極G，IGBT的發射極E接地，第二路通過所述電阻R218接地、第三路與穩壓管DQ13的負極連接，穩壓管DQ13的正極與穩壓管DQ12的正極連接，穩壓管DQ12的負極接地。上述電路結構與常規的過流保護電路類似，Vce采樣電路以及IGBT控制電路的工作原理在此不作詳細介紹。本實用新型在上述常規過流保護電路的基礎上，增設了互感采樣電路，該互感采樣電路由電流傳感器TI、電阻RLFl、二極管DD2、電阻R2152、穩壓管DQl I組成。電流傳感器Tl的輸入端中，I號接線端接負載L，2號接線端與IGBT的集電極C，2號接線端同時與所述Vce采樣電路中二極管DDl的負極連接，電流傳感器Tl的輸出端中，3號接線端分兩路，一路經所述電阻RLFl接地，另一路通過依序串聯的所述二極管DD2、電阻R2152、穩壓管DQll連接IGBT驅動芯片UBl的DESAT引腳，4號接線端接地。尚需說明的是，如圖I所示，一般地情況下所述負載連接有兩個IGBT，每個IGBT均配置有一過流保護電路，圖I為了圖紙清晰顯示，僅畫出其中一個IGBT的過流保護電路。本實用新型所述的所有元器件均可外購獲得。IGBT最重要的保護環節就是高性能的過流保護電路的設計。專用驅動模塊都帶有過流保護功能。一些分立的驅動電路也帶有過電流保護功能。在工業應用中，一般都是利用這些瞬時過電流保護信號，通過觸發器時序邏輯電路的記憶功能，構成記憶鎖定保護電路，以避免保護電路在過流時的頻繁動作，實現可取的過流保護。本文涉及的方案采用互感器檢測協助Vce檢測的雙重保護電路結構。引起IGBT失效的原因有I)過熱損壞，集電極電流過大引起的瞬時過熱及其它原因，如散熱不良導致的持續過熱均會使IGBT損壞。如果器件持續短路，大電流產生的功耗將引起溫升，由于芯片的熱容量小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過硅本征溫度(約250°C )，器件將失去阻斷能力，門極控制就無法保護，從而導致IGBT失效。實際運行時，一般極限高溫為130°C左右，保護溫度設置在800C -90°C比較合適。2)超出關斷安全工作區引起擎住效應而損壞，擎住效應分靜態擎住效應和動態擎住效應。IGBT為PNPN4層結構。體內存在一個寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發射極之間并有一個體區擴展電阻Rs，P型體內的橫向空穴電流在電阻RS上會產生一定的電壓降，對NPN基極來說,相當于一個正向偏置電壓。在規定的集電極電流范圍內，這個正偏置電壓不大，對NPN晶體管不起任何作用。當集電極電流增大到一定程度時，該正向電壓足以使NPN晶體管開通，進而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態。于是，寄生晶閘管導通，門極失去控制作用，形成自鎖現象，這就是所謂的靜態擎住效應。IGBT發生擎住效應后，集電極電流增大，產生過高功耗，導致器件失效。動態擎住效應主要是在器件高速關斷時電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，流過電阻RS，產生足以使NPN晶體管開通的正向偏置電壓，造成寄生晶閘管自鎖。·[0023]3)瞬態過電流損壞，IGBT在運行過程中所承受的大幅值過電流除短路、直通等故障外，還有續流二極管的反向恢復電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態過電流雖然持續時間較短，但如果不采取措施，將增加IGBT的負擔，也可能會導致IGBT失效。4)過電壓損壞，過電壓造成集電極-發射極擊穿。過電壓造成門極-發射極擊穿。IGBT過流損壞形式及對應措施有以下幾點。IGBT作為功率回路的重要換流器件，一旦出現意外很有可能炸機，所以針對IGBT的保護尤其重要。由于過流是引起IGBT損壞的主要原因，這里單獨描述IGBT的過流保護。IGBT出現短路的幾率并不是很大，但是如果出現短路卻沒有及時保護住，后果將是毀滅性的。因此擁有可靠的IGBT過流保護電路是必須的。過流的形式主要以下有兩種a.鎖定效應引起的過流損壞。IGBT為復合器件，其內部有寄生晶閘管，在漏極電流大到一定程度后寄生晶閘管開通，門極失去控制，發生鎖定效應后，集電極電流太大使IGBT損壞。為避免IGBT發生鎖定效應損壞，電路設計時應保證在任何狀態下器件最大工作電流都不超過IGBT的Idm值或者在電流回路中用電容隔直。同時通過加大驅動電阻延長關斷時間，減少器件的di/dt (電流變化率)。IGBT最好加負電壓，有負偏壓的情況下，驅動電壓在10-15V之間，IGBT發射極電流可在5-10 μ s內超過額定電流的4_10倍，由于變換器負載沖擊特性各不相同，且供電設備可能發生電源故障短路，所以變換器設計采取限流措施進行電流限制。b.短路超時(大于10 μ s)。當IGBT承受電流值超出短路安全區所限定的最大邊界，例如4-5倍額定電流時，必須在10μ s內關斷IGBT。產生過流的原因大致有晶體管或二極管損壞、控制與驅動電路故障或干擾等引起誤動、輸出線接錯或絕緣損壞等形成短路、輸出端對地短路與絕緣損壞、逆變橋的橋臂短路等。IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒，為了保護IGBT，必須選擇合理的IGBT關斷方式，改善IGBT關斷時電壓電流的軌跡。當IGBT過流時，首先要設法延長IGBT能夠承受過流的時間，然后減小電流并關斷。
權利要求1.可靠靈敏的IGBT過流保護電路，包括IGBT驅動芯片UBUVce采樣電路以及IGBT控制電路；其特征在于所述過流保護電路還設有互感采樣電路，該互感采樣電路由電流傳感器Tl、電阻RLF1、二極管DD2、電阻R2152、穩壓管DQll組成，電流傳感器Tl的輸入端中，I號接線端接負載L，2號接線端與IGBT的集電極以及所述Vce采樣電路連接，電流傳感器Tl的輸出端中，3號接線端分兩路，一路經所述電阻RLFl接地，另一路通過依序串聯的所述二極管DD2、電阻R2152、穩壓管DQll連接IGBT驅動芯片UBl的DESAT引腳，4號接線端接地。
2.根據權利要求I所述的可靠靈敏的IGBT過流保護電路，其特征在于所述Vce采樣電路包括依序串聯的二極管DDl、電阻R2151、電容C229，電阻R2151和電容C229之間的節點連接所述IGBT驅動芯片UBl的DESAT腳，二極管DDl的負極連接所述電流傳感器Tl的2號引腳。
3.根據權利要求I或2所述的可靠靈敏的IGBT過流保護電路，其特征在于所述控制電路由電阻R217、R218、穩壓管DQ12、DQ13組成，所述電阻R217的一端連接IGBT驅動芯片UBl的OUT引腳，另一端分三路，第一路連接IGBT的門極，IGBT的發射極接地，第二路通過所述電阻R218接地、第三路與穩壓管DQ13的負極連接，穩壓管DQ13的正極與穩壓管DQ12的正極連接，穩壓管DQ12的負極接地。
專利摘要本實用新型涉及一種保護電路。目的是提供的保護電路具有靈敏度高的特點。技術方案是可靠靈敏的IGBT過流保護電路，包括IGBT驅動芯片UB1、Vce采樣電路及IGBT控制電路；其特征在于過流保護電路還設有互感采樣電路，互感采樣電路由電流傳感器T1、電阻RLF1、二極管DD2、電阻R2152、穩壓管DQ11組成，電流傳感器T1的輸入端中，1號接線端接負載L，2號接線端與IGBT的集電極及Vce采樣電路連接，電流傳感器T1的輸出端中，3號接線端分兩路，一路經電阻RLF1接地，另一路通過依序串聯的二極管DD2、電阻R2152、穩壓管DQ11連接IGBT驅動芯片UB1的DESAT引腳，4號接線端接地。
文檔編號H03K17/567GK202652171SQ20122028599
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者奚江峰 申請人:臨安市潔深電磁科技有限公司