本公開涉及電力技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)過流保護電路、IGBT過流保護方法以及包括該IGBT過流保護電路的IGBT驅(qū)動電路。

背景技術(shù)：

眾所周知，傳統(tǒng)的IGBT驅(qū)動電路中的IGBT過流保護電路與驅(qū)動芯片是由兩個完全獨立的部分組成，具體而言，是由IGBT過流保護電路檢測實際輸出電流并提供至所述驅(qū)動芯片，所述驅(qū)動芯片據(jù)此判斷實際輸出電流是否超出電流保護值，如超出，則驅(qū)動芯片實施對IGBT的關(guān)斷，從而對IGBT進行過流保護。

現(xiàn)有技術(shù)中，有一部分IGBT驅(qū)動電路中IGBT過流保護電路的過流保護判斷原理是檢測IGBT的集電極與射電極的電壓降(管壓降)，而不是直接檢測IGBT的輸出電流。以包括HCPL-316J驅(qū)動芯片的IGBT驅(qū)動電路為例，其中預(yù)設(shè)的過流電壓的安全閥值小于等于7V，在檢測到過流電壓的超出安全閥值范圍時，則驅(qū)動芯片實施對IGBT的關(guān)斷，從而對IGBT進行過流保護。

由于IGBT在啟動階段存在一個從放大區(qū)域過渡到飽和區(qū)域的過程，之后IGBT才穩(wěn)定工作在飽和區(qū)域。而IGBT工作在放大區(qū)域時的管壓降隨時間的增加可能會大于工作在飽和區(qū)域時的管壓降，且IGBT從放大區(qū)域過渡到飽和區(qū)域的時間和管壓降將隨著IGBT功率的變大而增加。因此，在實際應(yīng)用中，尤其是對于大功率IGBT而言，隨著從放大區(qū)域過渡到飽和區(qū)域的時間的加長以及管壓降的增大，IGBT在正常的過渡過程中很容易出現(xiàn)管壓降超出安全閥值的現(xiàn)象，從而引起過流保護的誤動作，使得IGBT在正常啟動過程中被直接關(guān)斷而無法啟動。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的部分或者全部問題，本公開提供一種IGBT過流保護電路、IGBT過流保護方法以及包括該IGBT過流保護電路的IGBT驅(qū)動電路，用于減少或者避免過流保護的誤動作。

本公開的其他特性和優(yōu)點將通過下面的詳細描述變得顯然，或部分地通過本公開的實踐而習得。

根據(jù)本公開的一個方面，一種IGBT過流保護方法，應(yīng)用于一包括驅(qū)動芯片的IGBT驅(qū)動電路；所述驅(qū)動芯片用于提供一IGBT柵極電壓至一IGBT的柵極而導(dǎo)通或關(guān)斷所述IGBT，并在接收到的一采樣電壓超出預(yù)設(shè)范圍時，通過所述IGBT柵極電壓關(guān)斷所述IGBT；所述IGBT過流保護方法包括：

響應(yīng)一對應(yīng)IGBT工作于放大區(qū)域的第一電學(xué)特性而將一安全電壓作為所述采樣電壓傳輸至所述驅(qū)動芯片；以及，

響應(yīng)一對應(yīng)IGBT工作于飽和區(qū)域的第二電學(xué)特性而將所述IGBT的管壓降作為所述采樣電壓傳輸至所述驅(qū)動芯片；

其中，所述安全電壓位于所述預(yù)設(shè)范圍。

在本公開的一種示例實施方式中，所述第一電學(xué)特性和第二電學(xué)特性分別為所述IGBT工作于放大區(qū)域和飽和區(qū)域時的所述IGBT柵極電壓。

根據(jù)本公開的另一方面，一種IGBT過流保護電路，應(yīng)用于一包括驅(qū)動芯片的IGBT驅(qū)動電路；所述驅(qū)動芯片用于提供一IGBT柵極電壓至一IGBT的柵極而導(dǎo)通或關(guān)斷所述IGBT，并在接收到的一采樣電壓超出預(yù)設(shè)范圍時，通過所述IGBT柵極電壓關(guān)斷所述IGBT；所述IGBT過流保護電路包括：

一過流檢測模塊，用于響應(yīng)一對應(yīng)IGBT工作于放大區(qū)域的第一電學(xué)特性而將一安全電壓作為所述采樣電壓傳輸至一驅(qū)動芯片，以及用于響應(yīng)一對應(yīng)IGBT工作于飽和區(qū)域的第二電學(xué)特性而將所述IGBT的管壓降作為所述采樣電壓傳輸至所述驅(qū)動芯片；

其中，所述安全電壓位于所述預(yù)設(shè)范圍。

在本公開的一種示例實施方式中，所述第一電學(xué)特性和第二電學(xué)特性分別為所述IGBT工作于放大區(qū)域和飽和區(qū)域時的所述IGBT柵極電壓。

在本公開的一種示例實施方式中，所述過流檢測模塊包括：

一第一電容，其第一端與所述IGBT柵極電壓連接；

一第一晶體管，其第一端接地，其第二端與所述IGBT的管壓降及所述驅(qū)動芯片連接，其控制端與所述第一電容第二端連接；

其中，所述第一晶體管的管壓降為所述安全電壓。

在本公開的一種示例實施方式中，所述第一晶體管的型號為KRC101S。

在本公開的一種示例實施方式中，所述過流檢測模塊還包括：

一第二電容，其第一端與所述第一晶體管第一端連接，第二端與所述第一晶體管第二端連接。

在本公開的一種示例實施方式中，所述過流檢測模塊還包括：

一第一電阻，其第一端與所述第一電容第二端連接，第二端與所述第一晶體管控制端連接；

一第二電阻，其第一端與所述第一晶體管控制端連接，第二端與所述與所述第一晶體管第一端連接。

在本公開的一種示例實施方式中，所述驅(qū)動芯片為HCPL-316J驅(qū)動芯片。

根據(jù)本公開的又一方面，一種IGBT驅(qū)動電路，包括：

一上述的任意一種IGBT過流保護電路；以及

一驅(qū)動芯片，用于根據(jù)一輸入信號提供一IGBT柵極電壓至所述IGBT的柵極從而導(dǎo)通或關(guān)斷所述IGBT，并在接收到的所述采樣電壓超出預(yù)設(shè)范圍時，通過所述IGBT柵極電壓關(guān)斷所述IGBT。

本公開的實施例所提供的IGBT過流保護電路中，當IGBT工作于放大區(qū)域時，由于采樣電壓為位于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的安全電壓，因此在IGBT從放大區(qū)域向飽和區(qū)域過渡的過程中,不會觸發(fā)驅(qū)動芯片關(guān)斷IGBT，因此可以減少或者避免在IGBT正常的過渡過程發(fā)生過流保護的誤動作。而當IGBT工作于飽和區(qū)域時，由于采樣電壓為IGBT的管壓降，因此在IGBT穩(wěn)定工作后，若出現(xiàn)過流故障，仍會觸發(fā)驅(qū)動芯片關(guān)斷IGBT，對IGBT進行正常的過流保護。

附圖說明

通過參照附圖詳細描述其示例實施方式，本公開的上述和其它特征及 優(yōu)點將變得更加明顯。

圖1是本示例實施方式中一種IGBT過流保護電路的模塊示意圖；

圖2是本示例實施方式中一種IGBT過流保護電路的具體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本示例實施方式中一種IGBT驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4A、圖4B、圖5A以及圖5B是本示例實施方式中一種IGBT過流保護電路的仿真結(jié)果圖。

附圖標記說明：

11：過流檢測模塊

13：驅(qū)動芯片

14：輸入信號處理電路

15：推挽放大電路

Q1：第一晶體管

C1：第一電容

C2：第二電容

R1：第一電阻

R2：第二電阻

R3：上拉電阻

具體實施方式

現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應(yīng)被理解為限于在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本公開將全面和完整，并將示例實施方式的構(gòu)思全面地傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。在圖中，為了清晰，夸大了區(qū)域和層的厚度。在圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結(jié)構(gòu)，因而將省略它們的詳細描述。

此外，所描述的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何合適的方式結(jié)合在一個或更多實施例中。在下面的描述中，提供許多具體細節(jié)從而給出對本公開的實施例的充分理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，可以實踐本公開的技術(shù)方案而沒有所述特定細節(jié)中的一個或更多，或者可以采用其它的方法、組元、材料等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結(jié)構(gòu)、材料或者操作以避免模糊本公開的各方面。

本示例實施方式中首先提供了一種IGBT過流保護電路，該IGBT過流保護電路應(yīng)用于一包括驅(qū)動芯片的IGBT驅(qū)動電路。

本公開所提供的IGBT過流保護電路主要包括過流檢測模塊等部分。如圖1中所示，過流保護電路中的過流檢測模塊11與一驅(qū)動芯片13連接。根據(jù)IGBT的結(jié)構(gòu)特點可知，IGBT工作于放大區(qū)域和飽和區(qū)域時，通常具有不同的電學(xué)特性；例如，所述IGBT工作于放大區(qū)域和飽和區(qū)域時，分別具有第一電學(xué)特性和第二電學(xué)特性。因此，本示例實施方式中，所述過流檢測模塊11用于在IGBT工作于放大區(qū)域時，響應(yīng)一對應(yīng)IGBT工作于放大區(qū)域的第一電學(xué)特性而將一安全電壓作為采樣電壓傳輸至一驅(qū)動芯片；并在所述IGBT工作于飽和區(qū)域時，響應(yīng)一對應(yīng)IGBT工作于飽和區(qū)域的第二電學(xué)特性而將所述IGBT的管壓降作為所述采樣電壓傳輸至所述驅(qū)動芯片13；所述驅(qū)動芯片13用于提供一IGBT柵極電壓至所述IGBT的柵極從而導(dǎo)通或關(guān)斷所述IGBT，并在接收到的所述采樣電壓超出預(yù)設(shè)范圍時，通過所述IGBT柵極電壓關(guān)斷所述IGBT；本公開中，所述安全電壓位于所述預(yù)設(shè)范圍。

由上可知，在本示例實施方式所提供的IGBT過流保護電路中，當IGBT工作于放大區(qū)域時，由于采樣電壓為位于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的安全電壓，因此在IGBT從放大區(qū)域向飽和區(qū)域過渡的過程中,不會觸發(fā)驅(qū)動芯片13關(guān)斷IGBT，因此可以減少或者避免在IGBT正常的過渡過程發(fā)生過流保護的誤動作。而當IGBT工作于飽和區(qū)域時，由于采樣電壓為IGBT的管壓降，因此在IGBT穩(wěn)定工作后，若出現(xiàn)過流故障，仍會觸發(fā)驅(qū)動芯片13關(guān)斷IGBT，對IGBT進行過流保護。

根據(jù)IGBT的結(jié)構(gòu)特點，IGBT工作于放大區(qū)域時的動態(tài)電阻較大，從而造成IGBT工作于放大區(qū)域時的所述IGBT柵極電壓表現(xiàn)出更強的交流特性。因此，在一種示例實施方式中，所述第一電學(xué)特性和第二電學(xué)特性則可以分別為所述IGBT工作于放大區(qū)域和飽和區(qū)域時的所述IGBT柵極電壓。下面，以圖2中所示的過流檢測模塊11為例進行說明。

如圖2中所示，本示例實施方式中的過流檢測模塊11包括一第一電容C1及一第一晶體管Q1。該第一電容C1的第一端與所述IGBT柵極電壓連接，第二端與所述第一晶體管Q1的控制端連接；所述第一晶體管Q1 的第一端接地，第二端與所述驅(qū)動芯片13及所述IGBT的管壓降連接。

當IGBT工作于放大區(qū)域時，由于其柵極電壓表現(xiàn)出較強的交流特性，因此IGBT柵極電壓可以通過第一電容C1作用在第一晶體管Q1的控制端從而使第一晶體管Q1導(dǎo)通。因此，當IGBT工作于放大區(qū)域時，采樣電壓則為第一晶體管Q1的管壓降。這樣，只要第一晶體管Q1的管壓降位于上述預(yù)設(shè)范圍，即為所述安全電壓，則可以在IGBT從放大區(qū)域向飽和區(qū)域過渡的過程中,不觸發(fā)驅(qū)動芯片13關(guān)斷IGBT，從而可以減少或者避免在IGBT正常的過渡過程發(fā)生過流保護的誤動作。

當IGBT工作于飽和區(qū)域時，由于其柵極電壓的交流特性變?nèi)?，因此IGBT柵極電壓不再可以通過第一電容C1作用在第一晶體管Q1的控制端，或者雖然可以部分作用在第一晶體管Q1的控制端，但不足以導(dǎo)通所述第一晶體管Q1，因此當IGBT工作于放大區(qū)域時，第一晶體管Q1會自動關(guān)斷。這樣，連接在第一晶體管Q1第二端的IGBT管壓降則可以直接傳輸至驅(qū)動芯片13，即所述采樣電壓仍為所述IGBT的管壓降。因此在所述IGBT工作于飽和區(qū)域時，本示例實施方式中的IGBT過流保護電路仍可以對所述IGBT進行正常的過流保護。

由上可知，第一晶體管Q1的啟動電壓以及管壓降均需滿足特定的需求。例如，本示例實施方式中根據(jù)試驗和計算統(tǒng)計IGBT的動態(tài)電阻的變化，可以選擇KRC101S晶體管作為上述的第一晶體管Q1。KRC101S晶體管可以保證當IGBT工作在放大區(qū)域時，采樣電壓取決于KRC101S晶體管的管壓降；而當IGBT工作在飽和區(qū)域時，采樣電壓取決于IGBT的管壓降。

除此之外，本示例實施方式中所述過流檢測模塊11還可以包括第一電阻R1、第二電阻R2以及第二電容C2等等。如圖2中所示，所述第一電阻R1的第一端與所述第一電容C1第二端連接，第二端與所述第一晶體管Q1控制端連接；所述第二電阻R2的第一端與所述第一晶體管Q1控制端連接，第二端與所述與所述第一晶體管Q1第一端連接。所述第一電阻R1以及第二電阻R2可以起到例如分壓以及保護等作用。所述第二電容C2的第一端與所述第一晶體管Q1第一端連接，第二端與所述第一晶體管Q1第二端連接。第二電容C2的主要作用是防止采樣電壓受到外界的共模 電壓干擾，保證驅(qū)動芯片13不會因為外界干擾而發(fā)生誤報警。

進一步的，本示例實施方式中還提供了一種IGBT過流保護方法，該IGBT過流保護方法應(yīng)用于一包括驅(qū)動芯片的IGBT驅(qū)動電路。該IGBT過流保護方法主要包括：在IGBT工作于放大區(qū)域時，響應(yīng)一對應(yīng)IGBT工作于放大區(qū)域的第一電學(xué)特性而將一安全電壓作為采樣電壓傳輸至一驅(qū)動芯片；并在所述IGBT工作于飽和區(qū)域時，響應(yīng)一對應(yīng)IGBT工作于飽和區(qū)域的第二電學(xué)特性而將所述IGBT的管壓降作為所述采樣電壓傳輸至所述驅(qū)動芯片；所述驅(qū)動芯片用于提供一IGBT柵極電壓至所述IGBT的柵極從而導(dǎo)通或關(guān)斷所述IGBT，并在接收到的所述采樣電壓超出預(yù)設(shè)范圍時，通過所述IGBT柵極電壓關(guān)斷所述IGBT；本公開中，所述安全電壓位于所述預(yù)設(shè)范圍。由于該IGBT過流保護方法的具體實施方式已經(jīng)在上述IGBT過流保護電路中已有詳細的描述，因此在此不再贅述。

如圖3中所示，為本示例實施方式中IGBT過流保護電路的一種具體應(yīng)用。圖3中所示為包括上述IGBT過流保護電路的IGBT驅(qū)動電路，該IGBT驅(qū)動電路中的驅(qū)動芯片13以HCPL-316J驅(qū)動芯片為例進行說明。該IGBT驅(qū)動電路除了包括核心器件HCPL-316J驅(qū)動芯片以及IGBT過流保護電路之外，還可以包括輸入信號處理電路14、功率推挽放大電路15等等。其中輸入信號處理電路14包括上拉電阻R3、濾波電容等等；功率推挽放大電路15主要用于對HCPL-316J驅(qū)動芯片的輸出信號進行推挽放大。

HCPL-316J驅(qū)動芯片的VIN-、VIN+管腳、FAULT以及RESET管腳均與一控制機(圖中未示出)連接。在啟動IGBT時，IGBT啟動信號VIN經(jīng)過輸入信號處理電路14中的上拉電阻R3的上拉處理后，輸入至HCPL-316J驅(qū)動芯片的VIN-管腳；HCPL-316J驅(qū)動芯片的VOUT管腳輸出IGBT柵極電壓；IGBT柵極電壓經(jīng)過功率推挽放大電路15推挽放大后輸出至IGBT柵極。

由于IGBT在啟動階段存在一個從放大區(qū)域過渡到飽和區(qū)域的過程，因此在初始階段，IGBT首先工作在放大區(qū)域。IGBT工作于放大區(qū)域時的動態(tài)電阻較大，從而造成IGBT工作于放大區(qū)域時的所述IGBT柵極電壓表現(xiàn)出更強的交流特性。因此初始階段IGBT柵極電壓可以通過第一電容C1而作用在第一晶體管Q1的控制端從而使第一晶體管Q1導(dǎo)通。這樣， 在IGBT工作于放大區(qū)域時，過流檢測模塊11輸入至HCPL-316J驅(qū)動芯片的DESAT管腳的采樣電壓則為第一晶體管Q1的管壓降，因此可以避免在IGBT正常的過渡過程發(fā)生過流保護的誤動作。

在IGBT過渡到飽和區(qū)域后，IGBT動態(tài)電阻較小，IGBT柵極電壓不再可以通過第一電容C1作用在第一晶體管Q1的控制端，或者雖然可以部分作用在第一晶體管Q1的控制端，但不足以導(dǎo)通所述第一晶體管Q1，第一晶體管Q1會自動關(guān)斷。這樣，連接在第一晶體管Q1第二端的IGBT管壓降則可以直接傳輸至驅(qū)動芯片13，即所述采樣電壓為所述IGBT的管壓降。當出現(xiàn)過流故障時，IGBT的管壓降變大(大于7V)，由于輸入至HCPL-316J驅(qū)動芯片的DESAT管腳的采樣電壓大于預(yù)設(shè)范圍(7V)，則HCPL-316J驅(qū)動芯片會停止輸出IGBT柵極電壓，從而使IGBT關(guān)斷，因此在所述IGBT工作于飽和區(qū)域時，IGBT過流保護電路仍可以對所述IGBT進行正常的過流保護。

進一步的，發(fā)明人還對本示例實施方式中IGBT過流保護電路的技術(shù)效果進行了實驗驗證。如圖4A和圖4B中所示，是IGBT為英飛凌1700V/300A時的實驗結(jié)果。圖4A為運行后短路的實驗結(jié)果，其中運行頻率為50Hz，加速時間為5s，可以報過流故障，過電流保護功能動作時間為6.26μs，最大短路電流到2520A；圖4B為短路后運行的實驗結(jié)果，其中運行頻率為2Hz，加速時間為5s，可以報過流故障，過電流保護功能動作時間為5.67μs，最大短路電流到2390A。如圖5A和圖5B中所示，是IGBT為英飛凌1700V/100A時的實驗結(jié)果。圖5A為運行后短路的實驗結(jié)果，其中運行頻率為50Hz，加速時間為5s，可以報過流故障，過電流保護功能動作時間為4.18μs；圖5B為短路后運行的實驗結(jié)果，其中運行頻率為2Hz，加速時間為5s，可以報過流故障，過電流保護功能動作時間為4.68μs。可以明顯看出，在大功率IGBT中，本示例實施方式中的IGBT過流保護電路具有很高的可靠性。

綜上所述，本示例實施方式中通過設(shè)置可以區(qū)分IGBT放大區(qū)域與飽和區(qū)域的過流檢測模塊11，使得當IGBT工作于放大區(qū)域時，采樣電壓為位于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的安全電壓，因此在IGBT從放大區(qū)域向飽和區(qū)域過渡的過程中,不會觸發(fā)驅(qū)動芯片13關(guān)斷IGBT，從而可以減少或者避免在IGBT 正常的過渡過程發(fā)生過流保護的誤動作。而當IGBT工作于飽和區(qū)域時，采樣電壓為IGBT的管壓降，因此在IGBT穩(wěn)定工作后，若出現(xiàn)過流故障，仍會觸發(fā)驅(qū)動芯片13關(guān)斷IGBT，對IGBT進行過流保護。此外，本示例實施方式中的IGBT過流保護電路還充分考慮了干擾因素，在實踐中也證實了其可靠性，同時其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，而且應(yīng)用范圍廣泛，不僅可以應(yīng)用于大功率IGBT，也可應(yīng)用于小功率的IGBT。

本公開已由上述相關(guān)實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本公開的范例。必需指出的是，已揭露的實施例并未限制本公開的范圍。相反地，在不脫離本公開的精神和范圍內(nèi)所作的更動與潤飾，均屬本公開的專利保護范圍。