專利名稱：絕緣柵雙極型晶體管保護裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型實施例涉及電子技術領域，特別涉及一種絕緣柵雙極型晶體管保護裝置。
背景技術：
隨著世界工業(yè)化水平的飛速提高，運用于各個領域中的電力電子設備功率等級 也不斷上升。作為構成電力電子功率電路的核心，功率半導體器件的性能及工況成為了 大功率系統(tǒng)是否能穩(wěn)定工作的決定性因素之一。絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor ;簡稱IGBT)是電力電子系統(tǒng)中最具應用前景的功率半導體器件之 一。利用各種控制手段以及優(yōu)化電路拓撲結構的方法可以改善IGBT的工作性能，在IGBT的 驅動電路中進行合理的調整則是一種更為直接并且經(jīng)濟的改善IGBT的工作性能的方法。 采用IGBT驅動保護檢測方式直接關系到IGBT的壽命和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠 性。IGBT驅動保護檢測方式有多種，一種是采用二極管隔離檢測IGBT管壓降，通過內部上 拉電源，將IGBT深度飽和時的管壓降加上與其構成回路的管壓降與給定恒定電源比較，通 過比較器判斷IGBT是否過流；另一種是采用二極管隔離檢測IGBT管壓降，并與驅動信號做 邏輯處理，通過邏輯結果判斷IGBT是否過流。 此外，還可以根據(jù)檢測時間對IGBT進行保護。由于IGBT開通時由不飽和進入飽 和狀態(tài)，IGBT管壓降由母線電壓慢慢降低到深度飽和的管壓降。采用二極管隔離耐壓檢測 時，IGBT的開始檢測的響應時間可以通過外加電容實現(xiàn)。圖1為現(xiàn)有恒流源式二極管隔離 耐壓檢測的示意圖，如圖l所示，C為檢測端，與IGBT連接；R為防止二極管反向電流增大 的限流電阻；Ca為響應時間電容；Cb為防止開通時誤檢測的電容；MEASURE為與P麗相反的 控制信號，防止在IGBT關斷期間對母線電容充電；OVERCURR為檢測到過流保護后的反轉信 號。檢測時間通過給電容Ca的充電時間實現(xiàn)，當IGBT開通后，關閉MEASURE信號，通過恒 流源給電容Ca充電，直到電容Ca電壓與外界壓降等同。圖1中的IGBT的保護閾值為電阻 Rth兩端電壓產生的壓差，IGBT進入深度飽和的管壓降加上二極管的管壓降與電阻Rth上 的分壓得到總壓差，將總壓差與電阻Rth上的壓差作為比較器的正負輸入端進行比較。 綜上所述，現(xiàn)有的IGBT保護方法中，保護閾值單一，并且由于響應時間電容本身 差別較大，容易受溫度變化影響，根據(jù)電容計算的檢測時間差別也較大，影響檢測精度和 IGBT的壽命。

實用新型內容本實用新型實施例提供一種絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，用以解決現(xiàn)有技術 IBGT檢測精度低和影響IGBT壽命的問題。 本實用新型實施例提供一種絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，包括電流采樣單元、
與所述電流采樣單元連接的比較器單元和與所述比較器單元連接的邏輯處理單元； 所述電流采樣單元，用于對絕緣柵雙極型晶體管進行電流采樣，將得到的電流采樣信號輸入所述比較器單元； 所述比較器單元，用于將所述電流采樣信號與設置的至少兩個參考電壓閾值分別 進行比較后，將得到的過流保護信號分別輸入所述邏輯處理單元； 所述邏輯處理單元，用于根據(jù)所述比較器單元輸入的各個過流保護信號，對所述 絕緣柵雙極型晶體管進行保護。 本實用新型實施例提供的絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，比較器單元將電流采樣 單元的電流采樣信號與設置的至少兩個參考電壓閾值，可以實現(xiàn)多閾值保護，減小誤保護 的概率，使IGBT工作更穩(wěn)定，可以提高檢測精度，延長IGBT的壽命。


結構示意
構示意圖
狀態(tài)機的
結構示意
圖1為現(xiàn)有恒流源式二極管隔離耐壓檢測的示意圖
圖2為本實用新型絕緣l 圖3為本實用新型絕緣l 圖4為本實用新型絕緣j
f雙極型晶體管保護裝置第-f雙極型晶體管保護裝置第二 好雙極型晶體管保護裝置第
-實施例的結構示意圖； 二實施例的示意圖； 三實施例中軟降柵壓單元的
圖5為本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第三實施例中比較器單元的結
圖6為本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第三實施例中邏輯處理單元的 示意圖7為本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第三實施例中電流采樣單元的
具體實施方式下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。 圖2為本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第一實施例的結構示意圖，如圖 2所示，該絕緣柵雙極型晶體管保護裝置包括電流采樣單元21、與電流采樣單元21連接的 比較器單元22和與比較器單元22連接的邏輯處理單元23 ; 其中，電流采樣單元21，用于對絕緣柵雙極型晶體管20進行電流采樣，將得到的 電流采樣信號輸入比較器單元22 ; 比較器單元22，用于將所述電流采樣信號與設置的至少兩個參考電壓閾值分別進 行比較后，將得到的過流保護信號分別輸入邏輯處理單元23 ; 邏輯處理單元23，用于根據(jù)比較器單元22輸入的各個過流保護信號，對絕緣柵雙 極型晶體管20進行保護。 具體地，電流采樣單元21對絕緣柵雙極型晶體管20進行電流采樣得到電流采樣 信號，將該電流采樣信號輸入到比較器單元22 。比較器單元22中預先設置了多個參考電壓 閾值，將該電流采樣信號與各個參考電壓閾值分別進行比較后，將各個過流保護信號分別 輸入邏輯處理單元23。邏輯處理單元23根據(jù)接收到的各個過流保護信號中有效的信號，對 絕緣柵雙極型晶體管20進行短路保護或軟降柵壓保護等操作。 本實施例比較器單元將電流采樣單元的電流采樣信號與設置的至少兩個參考電壓閾值，可以實現(xiàn)多閾值保護，減小誤保護的概率，使IGBT工作更穩(wěn)定，可以提高檢測精度，延長IGBT的壽命。 圖3為本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第二實施例的示意圖，如圖3所示，在本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第一實施例的基礎上，邏輯處理單元23連接有功率驅動單元31和軟降柵壓單元32，其中，邏輯處理單元23可以為復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device ;簡稱CPLD)或單片機等，邏輯處理單元23向功率驅動單元31輸入脈沖控制信號，向軟降柵壓單元32輸入軟降柵壓控制信號；軟降柵壓單元32與功率驅動單元31連接；功率驅動單元31和軟降柵壓單元32連接絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極E和柵極G。 如圖3所示，RST為外部復位信號，Vcom為電源電壓監(jiān)測信號，SOFT為軟降柵壓控制信號，P麗為控制脈沖信號，比較器單元輸入的0C1和0C2為過流保護復位信號，即過流保護信號，過流保護信號的數(shù)量包括但不限于兩個。 本實施例本實施例比較器單元將電流采樣單元的電流采樣信號與設置的至少兩個參考電壓閾值，可以實現(xiàn)多閾值保護，邏輯處理單元通過軟降柵壓控制信號可以控制軟降柵壓單元的工作，減小誤保護的概率，使IGBT工作更穩(wěn)定，提高檢測精度，延長IGBT的壽命。 圖4為本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第三實施例中軟降柵壓單元的結構示意圖，如圖4所示，在本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第二實施例的基礎上，軟降柵壓單元可以包括場效應晶體管M0S、穩(wěn)壓管VZ、吸收電容C1和第一電阻R1 ;[0030] 其中，吸收電容Cl和第一電阻Rl并聯(lián)的一端連接絕緣柵雙極型晶體管20發(fā)射極E，并且連接穩(wěn)壓管VZ的負極； 穩(wěn)壓管VZ的正極連接場效應晶體管M0S的漏極D，場效應晶體管的源極S接地；[0032] 場效應晶體管VZ的柵極G0連接邏輯處理單元23，用于根據(jù)邏輯處理單元23輸入的所述軟降柵壓控制信號，使能場效應晶體管VZ，以使吸收電容C1經(jīng)由場效應晶體管VZ放電； 吸收電容Cl和第一電阻Rl并聯(lián)的另一端連接絕緣柵雙極型晶體管的柵極G。[0034] 其中，SOFT信號為系統(tǒng)進入軟降柵壓狀態(tài)時，從邏輯處理單元例如CPLD發(fā)出的信號。系統(tǒng)進入軟降柵壓狀態(tài)時，使能M0S管，使門極電壓的吸收電容C1經(jīng)由M0S管放電，直放到穩(wěn)壓管VZ的電平。使得IGBT的G端被嵌位在穩(wěn)壓管VZ的導通壓降，從而實現(xiàn)軟降 進一步地，圖5為本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第三實施例中比較器單元的結構示意圖，如圖5所示，比較器單元包括電壓跟隨器51、第一比較器52和第二比較器53 ; 電壓跟隨器51的輸入端與電流采樣單元21連接，用于輸入所述電流采樣信號；[0037] 電壓跟隨器51的輸出端分別連接第一比較器52和第二比較器53，將處理后的電流采樣信號分別輸入第一比較器52和第二比較器53。 —種情況下，電壓跟隨器51的輸出端可以分別連接所述第一比較器52和第二比較器53的同向端，如圖5所示； 此時，第一比較器52的反向端輸入第一參考電壓閾值；第一比較器52的輸出端連接邏輯處理單元，用于向邏輯處理單元輸出第一過流保護信號，當所述處理后的電流采樣信號大于所述第一參考電壓閾值時，所述第一過流保護信號有效； 第二比較器53的反向端輸入第二參考電壓閾值；第二比較器53的輸出端連接邏輯處理單元，用于向邏輯處理單元輸出第二過流保護信號，當所述處理后的電流采樣信號大于所述第二參考電壓閾值時，所述第二過流保護信號有效。 示例性地，IGBT連接的電流傳感器的信號經(jīng)過采樣后，得到電流采樣信號，電流采樣信號經(jīng)過電壓跟隨器處理后輸送給兩個比較器第一比較器52和第二比較器53。當輸入第一比較器52的處理后的電流采樣信號0T1大于第一參考電壓閾值Vrefl時，CPLD在延時3us后如果0C1還有效，使能軟降柵壓單元。如果在繼續(xù)延時一定時間后檢測到0C1還有效，則對IGBT進行短路保護，封鎖脈沖，置故障位。當處理后的電流采樣信號0T2大于的設定的第二參考電壓閾值Vref2時，0C2有效時，在延時3us后，如果仍檢測到0C2有效時，則對IGBT進行短路保護，直接封鎖脈沖，置故障位，從而防止IGBT開通時短路。其中Vrefl可以小于Vref2，將Vrefl設置為稍大于正常值，而將Vref2設置為遠大于正常值。[0042] 另一種情況下，電壓跟隨器51的輸出端還可以分別連接第一比較器52和第二比較器53的反向端，例如將圖5中第一比較器52和第二比較器53同向端和反向端的連線互換； 此時，第一比較器52的同向端輸入第一參考電壓閾值；第一比較器52的輸出端連接邏輯處理單元，用于向邏輯處理單元輸出第一過流保護信號，當所述處理后的電流采樣信號大于所述第一參考電壓閾值時，所述第一過流保護信號有效； 第二比較器53的同向端輸入第二參考電壓閾值；第二比較器53的輸出端連接邏輯處理單元，用于向邏輯處理單元輸出第二過流保護信號，當所述處理后的電流采樣信號大于所述第二參考電壓閾值時，所述第二過流保護信號有效。[0045] 再進一步地，邏輯處理單元可以包括 第一保護模塊，用于當所述第一過流保護信號有效、所述第二過流保護信號無效時，延時后使能所述軟降柵壓單元，若使能所述軟降柵壓單元后再延時一定時間仍檢測到所述第一過流保護信號有效，則對所述絕緣柵雙極型晶體管進行短路保護，封鎖脈沖并置故障位； 第二保護模塊，用于當所述第一過流保護信號無效、所述第二過流保護信號有效
時，延時后對所述絕緣柵雙極型晶體管進行短路保護，封鎖脈沖并置故障位； 第三保護模塊，用于當所述第一過流保護信號和所述第二過流保護信號同時有效
時，延時后對所述絕緣柵雙極型晶體管進行短路保護，封鎖脈沖并置故障位。
圖6為本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第三實施例中邏輯處理單元的
狀態(tài)機的示意圖，如圖6所示，各個狀態(tài)的含義為st0為系統(tǒng)的上電狀態(tài)；stl為復位狀
態(tài)；st2為正常運行狀態(tài)；st3為電流采樣狀態(tài)；st4為故障保護狀態(tài)；st5為軟降柵壓狀態(tài)。
其中，RST為外部復位信號，當RST為1時，執(zhí)行復位狀態(tài)stl ;Vcom為電源電壓監(jiān)測信號，正常狀態(tài)時Vcom為l，當電源電壓欠壓時Vcom為O ;0C1、0C2為過流保護的信號，即第一過
流保護信號和第二過流保護信號。 本實用新型中所有的檢測時間、延遲時間可以在CPLD中完成，以脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation ;簡稱P麗)的上升沿為基準，延時檢測的。示例性地，當系統(tǒng)上電檢測到電源引腳的Vcom為高電平，可以進入復位狀態(tài)stl，延時100ms后進入正常運行狀態(tài)st2，在P麗為上升沿時延時3us進入電流采樣狀態(tài)st3，在電流采樣狀態(tài)st3下，如果檢測到過流保護的第一過流保護信號0C1為高電平，則進入軟降柵壓狀態(tài)st5，如果仍檢測到過流保護的第一過流保護信號0C1為高電平，則進入故障保護狀態(tài)st4，封鎖脈沖，置位故障反饋信號。如果在3us內檢測到第二過流保護信號0C2有效，但第一過流保護信號0C1無效，則進入故障保護狀態(tài)st4。如果在3us內檢測到第一過流保護信號0C1和第二過流保護信號0C2同時有效，也進入故障保護狀態(tài)st4。 再進一步地，圖7為本實用新型絕緣柵雙極型晶體管保護裝置第三實施例中電流采樣單元的結構示意圖，如圖7所示，電流采樣單元可以包括電流傳感器71，電流傳感器71兩端跨接第二電阻R2，電流傳感器71的一端連接絕緣柵雙極型晶體管20的發(fā)射極E，電流傳感器71的另一端接地GND。圖7中的電流傳感器71為一個橋臂的電流傳感器，電流采樣單元的U端接母線電源。經(jīng)過采樣后，將電流采樣信號發(fā)送給比較器單元22，經(jīng)過電壓跟隨器輸送給如圖5所示的兩個比較器第一比較器52和第二比較器53做閾值比較，當兩個比較器中任何一個滿足條件時，該比較器發(fā)生翻轉，比較器將過流保護信號(0C1或0C2)傳輸給CPLD進行邏輯判斷，確定是進行短路保護還是進行軟降柵壓保護。 本實用新型中IGBT的電流采樣方式為傳感器采樣，采樣得到的電流采樣信號的模擬量值通過電壓跟隨器與多個不同閾值的比較器進行比較，不同比較器輸出的過流保護信號傳輸給CPLD進行邏輯判斷。CPLD以P麗的上升沿為檢測基準，例如當P麗為上升沿時，延時3us到5us后開始檢測，如果CPLD收到0C1，認為是假過流保護，進行軟降柵壓保護，在軟降柵壓狀態(tài)下延時的時間內繼續(xù)進行檢測，如果還存在保護現(xiàn)象，即還收到0C1，則判斷為真過流保護，此時CPLD進行短路保護，輸出故障信號，封鎖脈沖。[0053] 本實施例采用電流傳感器進行采樣，可以實時檢測經(jīng)過IGBT的電流模擬量的變化量，檢測結果更加精準；將電流采樣信號與不同的參考電壓閾值進行比較，可以實現(xiàn)多閾值保護，通過CPLD判斷過流保護的真?zhèn)?，從而減小誤保護的概率，使IGBT工作更穩(wěn)定；通過CPLD進行延時檢測與狀態(tài)轉換處理，精準度高，可以有效避免硬件個體差異帶來的誤差；增加了短路保護功能，在檢測到需要進行短路保護時，立即封鎖脈沖，進一步增加了系統(tǒng)的可靠性，從而延長了 IGBT的壽命。 最后應說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解
其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等
同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。
權利要求一種絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，其特征在于，包括電流采樣單元、與所述電流采樣單元連接的比較器單元和與所述比較器單元連接的邏輯處理單元；所述電流采樣單元，用于對絕緣柵雙極型晶體管進行電流采樣，將得到的電流采樣信號輸入所述比較器單元；所述比較器單元，用于將所述電流采樣信號與設置的至少兩個參考電壓閾值分別進行比較后，將得到的過流保護信號分別輸入所述邏輯處理單元；所述邏輯處理單元，用于根據(jù)所述比較器單元輸入的各個過流保護信號，對所述絕緣柵雙極型晶體管進行保護。
2. 根據(jù)權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，其特征在于， 所述邏輯處理單元連接有功率驅動單元和軟降柵壓單元，向所述功率驅動單元輸入脈沖控制信號，向所述軟降柵壓單元輸入軟降柵壓控制信號； 所述軟降柵壓單元與所述功率驅動單元連接；所述功率驅動單元和所述軟降柵壓單元連接所述絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極和柵極。
3. 根據(jù)權利要求2所述的絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，其特征在于，所述軟降柵壓 單元包括場效應晶體管、穩(wěn)壓管、吸收電容和第一電阻；所述吸收電容和第一電阻并聯(lián)的一端連接所述絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極，并且連接所述穩(wěn)壓管的負極；所述穩(wěn)壓管的正極連接所述場效應晶體管的漏極，所述場效應晶體管的源極接地； 所述場效應晶體管的柵極連接所述邏輯處理單元，用于根據(jù)所述邏輯處理單元輸入的所述軟降柵壓控制信號，使能所述場效應晶體管，以使所述吸收電容經(jīng)由所述場效應晶體管放電；所述吸收電容和第一電阻并聯(lián)的另一端連接所述絕緣柵雙極型晶體管的柵極。
4. 根據(jù)權利要求2所述的絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，其特征在于，所述比較器單 元包括電壓跟隨器、第一比較器和第二比較器；所述電壓跟隨器的輸入端與所述電流采樣單元連接，用于輸入所述電流采樣信號； 所述電壓跟隨器的輸出端分別連接所述第一 比較器和第二比較器，將處理后的電流采 樣信號分別輸入所述第一 比較器和第二比較器。
5. 根據(jù)權利要求4所述的絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，其特征在于，所述電壓跟隨器的輸出端分別連接所述第一比較器和第二比較器的同向端；所述第一比較器的反向端輸入第一參考電壓閾值；所述第一比較器的輸出端連接所述 邏輯處理單元，用于向所述邏輯處理單元輸出第一過流保護信號，當所述處理后的電流采 樣信號大于所述第一參考電壓閾值時，所述第一過流保護信號有效；所述第二比較器的反向端輸入第二參考電壓閾值；所述第二比較器的輸出端連接所述 邏輯處理單元，用于向所述邏輯處理單元輸出第二過流保護信號，當所述處理后的電流采 樣信號大于所述第二參考電壓閾值時，所述第二過流保護信號有效。
6. 根據(jù)權利要求4所述的絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，其特征在于，所述電壓跟隨器的輸出端分別連接所述第一比較器和第二比較器的反向端；所述第一比較器的同向端輸入第一參考電壓閾值；所述第一比較器的輸出端連接所述邏輯處理單元，用于向所述邏輯處理單元輸出第一過流保護信號，當所述處理后的電流采 樣信號大于所述第一參考電壓閾值時，所述第一過流保護信號有效；所述第二比較器的同向端輸入第二參考電壓閾值；所述第二比較器的輸出端連接所述 邏輯處理單元，用于向所述邏輯處理單元輸出第二過流保護信號，當所述處理后的電流采 樣信號大于所述第二參考電壓閾值時，所述第二過流保護信號有效。
7. 根據(jù)權利要求5或6所述的絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，其特征在于，所述邏輯處 理單元包括第一保護模塊，用于當所述第一過流保護信號有效、所述第二過流保護信號無效時， 延時后使能所述軟降柵壓單元，若使能所述軟降柵壓單元后再延時一定時間仍檢測到所述 第一過流保護信號有效，則對所述絕緣柵雙極型晶體管進行短路保護，封鎖脈沖并置故障 位；第二保護模塊，用于當所述第一過流保護信號無效、所述第二過流保護信號有效時，延 時后對所述絕緣柵雙極型晶體管進行短路保護，封鎖脈沖并置故障位；第三保護模塊，用于當所述第一過流保護信號和所述第二過流保護信號同時有效時， 延時后對所述絕緣柵雙極型晶體管進行短路保護，封鎖脈沖并置故障位。
8. 根據(jù)權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，其特征在于，所述電流采樣 單元包括電流傳感器，所述電流傳感器兩端跨接第二電阻，所述電流傳感器的一端連接所 述絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極，所述電流傳感器的另一端接地。
9. 根據(jù)權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，其特征在于，所述邏輯處理 單元為復雜可編程邏輯器件或單片機。
專利摘要本實用新型實施例涉及一種絕緣柵雙極型晶體管保護裝置，包括電流采樣單元、與所述電流采樣單元連接的比較器單元和與所述比較器單元連接的邏輯處理單元；所述電流采樣單元，用于對絕緣柵雙極型晶體管進行電流采樣，將得到的電流采樣信號輸入所述比較器單元；所述比較器單元，用于將所述電流采樣信號與設置的至少兩個參考電壓閾值分別進行比較后，將得到的過流保護信號分別輸入所述邏輯處理單元；所述邏輯處理單元，用于根據(jù)所述比較器單元輸入的各個過流保護信號，對所述絕緣柵雙極型晶體管進行保護。本實用新型實施例可以實現(xiàn)多閾值保護，減小誤保護的概率，使IGBT工作更穩(wěn)定，提高檢測精度，延長IGBT的壽命。
文檔編號H02H9/02GK201549882SQ200920266369
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權日2009年11月12日
發(fā)明者于英男, 姜濤, 姜磊, 張可飛, 戴碧君, 車向中 申請人:中國北車股份有限公司大連電力牽引研發(fā)中心