专利名称：一种igbt模块的短路保护模块及保护方法
技术领域：
本发明涉及绝缘栅双极型晶体管的使用领域，具体地涉及一种绝缘栅双极型晶体管的短路保护模块及保护方法。
背景技术：
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)具有高频率、高电压、大电流、尤其是容易开通和关断的性能特点，是国际上公认的电カ电子技术第三次革命的最具代表性的产品，至今已经发展到第六代，商业化已发展到第五代。目前，IGBT已广泛应用于国民经济的各行业中。IGBT在工作时，短路状态对IGBT是最危险的状态。而IGBT的短路状态又分为ー 类短路和ニ类短路。对于ー类短路状态，即由于IGBT自身原因引起的短路，请參见图1，此时电流不通过负载，直接通过上下桥臂流通，见图中曲线箭头所示，不仅会引起IGBT模块的大量发热，同时，在关断期间会造成很大的电压过冲；对于ニ类短路状态，即由于负载原因引起的短路，见图示中的折线箭头，此时电流从IGBT的输出端直接接地，而驱动电路本身很难进行检测。所以，提高应用过程中IGBT模块的短路检测及保护技术已经至关重要。目前应用中主要采用的方法是，检测工作状态中IGBT模块集电极发射极之间电压Vce，然后，根据生产商參数数据中的Vcesat，设定ー个阈值，当检测到Vce大于阈值则输出保护信号，驱动电路进行保护关断。但是现有的这种短路保护方法存在以下缺点(I)根据生产商參数数据中的Vcesat设定阈值，若选定不合适的阈值，在应用中，由于ー类短路状态出现吋，Vce上升速度在纳秒时间内已达到很大的电压，当检测电路检测到短路吋，IGBT模块的短路功耗已经造成很大损伤。(2)当应用中出现ニ类短路时，电流上升速度较慢，采用Vce阈值检测法，IOus (一般厂商承诺可以承受的短路时间)内检测不到短路状态。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出ー种IGBT模块短路的保护模块和保护方法，能够解决现有的大功率IGBT模块在出现ー类短路和ニ类短路时的检测缺陷，提高IGBT模块运行的可靠性。根据本发明的目的提出的ー种IGBT模块的短路保护模块，包括电压检测模块，连接于所述主发射极和辅助发射极之间，測量该主发射极和辅助发射极之间的电压，并发送电压测量结果；比较模块，连接所述电压检测模块，接受并处理电压检测模块的測量結果，并将该測量结果与一电压预设值进行比较，生成电压比较结果；控制模块，当所述电压比较结果为测量结果大于预设值时，该控制模块对该IGBT模块进行分阶段关断。
优选的，所述IGBT模块的栅极连接在一驱动电路上，所述控制模块连接所述驱动电路，所述分阶段关断是通过对该驱动电路输出一个分阶段关断信号实现。优选的，进ー步包括滤波模块，连接在所述电压检测模块上，对所述电压测量结果中存在振荡的部分进行过滤。优选的，进ー步包括电流测量模块，连接并测量主集电极电流，并将电流測量结果输出给比较模块。优选的，该比较模块将该电流測量结果与所述IGBT模块的最大工作电流进行比较，并将比较结果输出给控制模块，该控制模块依据该比较结果生成一延迟信号。同时，本发明还提出了ー种使用上述的短路保护模块对IGBT模块进行短路保护
的方法，包括步骤I)測量主发射极和辅助发射极之间的电压，生成实时的电压测量結果；2 )对所述电压测量结果与一电压预设值进行比较，如果该电压测量结果大于电压预设值，则进入步骤3);如果该电压测量结果小于电压预设值，则返回步骤I)；3)对IGBT模块进行分阶段关断。优选的，在步骤I)中，还包括对电压測量结果进行滤波，将所述电压测量结果中存在振荡的部分进行过滤。优选的，在測量主发射极和辅助发射极之间的电压的同时，还包括測量IGBT模块的集电极电流，并生成电流测量结果。进ー步地，将所述电流测量结果与IGBT模块的最大工作电流进行比较，如果电流測量结果小于该最大工作电流，则延迟进行步骤3);如果电流測量结果大于该最大工作电流，则进行步骤3)。上述的短路保护模块和方法，其原理是利用了 IGBT模块中，主发射极和辅助发射极之间的寄生电感，在出现大电流变化时产生的感生电压，通过测量该电压来判定IGBT模块短路状态。由于IGBT模块エ艺是很成熟的エ艺，因此制作得到的IGBT模块的稳定性和一致性也比较高，相比较现有的利用測量Vce的手段来检测短路状态，測量IGBT自身携帯的寄生电感产生的感生电压，可以更加有效和准确的得到ー类短路和ニ类短路的状态。因此本发明的短路保护模块和保护方法，可以降低IGBT模块运行中由于短路造成的损坏、提高IGBT模块应用中的安全性以及提高用户整个应用系统的安全性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是现有的IGBT模块中发生ー类短路和ニ类短路的说明图；图2是ー种IGBT模块的电路示意图；图3是本发明的IGBT模块的短路保护模块示意图。
具体实施方式
正如背景技术中提到的，在现有的IGBT模块的短路保护技术中，往往是通过測量发射极和集电极之间的电压Vce来判定IGBT模块的短路状态。然而这种方法在遇到ー类短路或ニ类短路时，都存在判断上的缺陷，导致IGBT模块仍然可能因短路而引起的烧毁。因此，本发明提出了一种全新的IGBT模块的短路保护技木。在本发明中，使用测量IGBT模块中主发射极和辅助发射极之间的电压代替原先的Vce，通过对该电压的检测来判定IGBT模块的短路状态。由于主发射极和辅助发射极之间的电压实质是两者之间寄生电感在电流遭遇大值突变时出现的感生电压，因此其反应灵敏且对短路状态的反映结果也十分准确，能够很好的解决现有技术中的缺陷。下面将通过具体实施方式
对本发明的技术方案作详细描述。请參见图2，图2是ー种IGBT模块的电路示意图。如图所示，该IGBT模块10具有主发射极11、主集电极12、栅极15、辅助发射极13和辅助集电极14。这里辅助发射极13和辅助集电极14分别是从主发射极11和主集电极12上通过引线エ艺拖出来的两个薄电极，这两个电极在IGBT模块中一般不接工作负载，其主要作用是用来測量IGBT模块工作时的 各电极之间的电压。由于辅助发射极13和主发射极11之间，以及辅助集电极14和主集电极12之间，使用引线连接，因此无法避免的会存在ー个寄生电感，如图示中的电感16和电感17。这两个寄生电感16、17的电感值非常小，通常在10-9亨的数量级，因此在正常工作时，辅助发射极13和主发射极11之间，以及辅助集电极14和主集电极12之间的电压几乎不会被感知。但是由于IGBT模块往往工作在大电流(近千安)和大电压(上千伏)的环境下，当发生短路吋，电流瞬时的变化可以达到几千安培，此时，该寄生电感产生的感应电动势也能够达到几十伏持。因此当发生短路时，主发射极11和辅助发射极13之间的电压能够被很容易的測量得到。根据上述原理，本发明提出了通过测量主发射极11和辅助发射极13之间的电压来达到判定短路状态的短路保护装置，请參见图3，图3是本发明的IGBT模块的短路保护模块示意图。如图所示，该短路保护模块包括电压检测模块20，连接于所述主发射极11和辅助发射极13之间，測量该主发射极11和辅助发射极13之间的电压，并将測量得到的电压发送给比较模块30。比较模块30连接在电压检测模块20上，该比较模块30将来自电压检测模块20发送过来的測量电压进行处理，主要是将测量电压与一电压预设值进行比较，并生成电压比较結果。这里的电压预设值是预先存储在比较模块30中的ー个电压值，该电压预设值至少要大于IGBT导通时，管子的发射极和集电极之间的电压Vce。电压预设值的选择取决于不同的应用场合，选择时，不能选取大大的电压预设值，这样容易短路持续时间过长而导致器件烧毁。也不能选择过小的电压预设值，因为对于IGBT模块来说，即使稳定在工作状态下，其电流仍然会有波动，这些波动也会使得寄生电感产生感生电压，因此如果电压预设值选择过小，会使得短路保护模块出现许多误操作。控制模块40，当所述电压比较结果为测量结果大于预设值时，该控制模块对该IGBT模块进行分阶段关断。即当主发射极11和辅助发射极13之间得电压大于电压预设值吋，应当判定此时IGBT模块处于短路状态，需要马上控制IGBT的驱动电路50进行分阶段关断。具体的，IGBT模块的栅极15通常作为输入端，会连接ー个驱动电路50，该驱动电路50能够驱动IGBT进行工作。当控制模块提供给该驱动电路50 —个分阶段关断信号吋，驱动电路50开始分几段的对IGBT模块进行关断，这里的分阶段是指，由于IGBT工作在大电流大电压下，如果ー下子关断，会使得IGBT中的电流变化过大，从而导致IGBT损坏，因此需要逐渐的减小IGBT的驱动电压，使得IGBT具有ー个缓和的过程。在一种优选的实施方式中，在电压检测模块20上还连接ー个滤波模块60,用以对电压测量结果中存在振荡的部分进行过滤。正如上文中提到的，由于电流存在波动，尤其是在IGBT开启和关断的过程中，电流的波动十分明显，因此引发寄生电感16产生的感生电压也十分明显，这部分感生电压的ー个特征就是具有振荡性，如果不对该由于电流正常波动引发的感生电压进行过滤的话，会使得短路保护模块经常出现误操作。因此该滤波模块60的作用就是把处于振荡的測量电压进行过滤。在另ー种优选的实施方式下，还包括用来測量集电极电流的电流测量模块70，连接并测量主集电极12的电流，并将电流測量结果输出给比较模块30。该比较模块30将该电流測量结果与所述IGBT模块的最大工作电流进行比较，并将比较结果输出给控制模块40，该控制模块依据该比较结果生成一延迟信号。在ー些特殊的场合下，比如IGBT模块开启过程或者具有变档功能的IGBT模块处于电流变档时，集电极的输出电流也会有ー个相对缓慢上升(几十个微秒)的过程，这种电流的变化与ニ类短路的状况非常相似。因此需要鉴别IGBT模块到底是处于ニ类短路还是处于正常的工作。这种鉴别就需要对集电极的输出电流进行测量，如果电流经过变化后，仍处于IGBT模块所能接受的最大工作电流下，则不需要对IGBT模块进行关断，反之一旦超出该最大工作电流，就可以判定该IGBT处于短路状态，此时需要马上对IGBT实施关断处理。根据上述分析，从电压检测模块20检测到电压超标，再到判定为真正短路进行关断，这期间会有一个延迟，这个延迟需要控制模块40通过给出延迟信号来控制驱动电路50对IGBT模块的延迟关断。至于ー类短路，由于ー类短路的特点是电流在短时间(纳秒级别)之内就能达到千安等级，因此对于ー类短路，几乎不产生延迟，从短路实际发生到检测到短路状态，再到控制驱动电路进行关断，在一个很短的时间内就完胜了整个过程。需要说明的是，在以上实施方式中，IGBT模块中例举了只有一个管子的情况，在实际应用中，ー个IGBT模块往往集成了多个管子，本领域技术人员可以依据本发明的实施例扩展到多个管子的情況。下面在对应用上述IGBT模块的短路保护模块进行短路保护的方法进行描述。首先利用电压测量模块对主发射极和辅助发射极之间的电压进行測量，生成实时的电压测量结果；通过比较模块对上述电压测量结果与电压预设值进行比较，如果该电压测量结果大于电压预设值，则说明IGBT模块处于短路状态，控制模块控制驱动电路对IGBT模块进行 分阶段关断；反之，如果测量的电压小于电压预设值则说明IGBT处于正常工作状态，继续对主发射极和辅助发射极之间的电压进行測量监视。较优得，在对主发射极和辅助发射极之间的电压进行测量时，还包括对电压測量结果进行滤波，将所述电压测量结果中存在振荡的部分进行过滤。排除因电流正常变动引起的振汤感生电压。较优得，在測量主发射极和辅助发射极之间的电压的同时，还包括測量IGBT模块的集电极电流，并生成电流测量結果。将所述电流测量结果与IGBT模块的最大工作电流进行比较，如果电流測量结果小于该最大工作电流，则说明IGBT处于正常工作状态，需要延迟进行关断处理；反之，若电流已经超过IGBT所能承受的最大范围，则可以确定此时已经发生短路，马上进行关断的处理。综上所述，本发明提出了ー种IGBT模块的短路保护模块和保护方法，利用了 IGBT模块中，主发射极和辅助发射极之间的寄生电感，在出现大电流变化时产生的感生电压，通过测量该电压来判定IGBT模块短路状态。由于IGBT模块エ艺是很成熟的エ艺，因此制作得到的IGBT模块的稳定性和一致性也比较高，相比较现有的利用測量Vce的手段来检测短路状态，測量IGBT自身携帯的寄生电感产生的感生电压，可以更加有效和准确的得到ー类短路和ニ类短路的状态。因此本发明的短路保护 模块和保护方法，可以降低IGBT模块运行中由于短路造成的损坏、提高IGBT模块应用中的安全性以及提高用户整个应用系统的安全性。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种IGBT模块的短路保护模块，所述IGBT模块包括主发射极、主集电极、栅极、辅助发射极和辅助集电极，其特征在于所述短路保护装置包括 电压检测模块，连接于所述主发射极和辅助发射极之间，测量该主发射极和辅助发射极之间的电压，并发送测量结果； 比较模块，连接所述电压检测模块，接受并处理电压检测模块的测量结果，并将该测量结果与一电压预设值进行比较，生成电压比较结果； 控制模块，当所述电压比较结果为测量结果大于预设值时，该控制模块对该IGBT模块进行分阶段关断。
2.如权利要求I所述的短路保护模块，其特征在于所述IGBT模块的栅极连接在一驱动电路上，所述控制模块连接所述驱动电路，所述分阶段关断是通过对该驱动电路输出一个分阶段关断信号实现。
3.如权利要求I所述的短路保护模块，其特征在于进一步包括滤波模块，连接在所述电压检测模块上，对所述电压测量结果中存在振荡的部分进行过滤。
4.如权利要求I所述的短路保护模块，其特征在于进一步包括电流测量模块，连接并测量主集电极电流，并将电流测量结果输出给比较模块。
5.如权利要求4所述的短路保护模块，其特征在于该比较模块将该电流测量结果与所述IGBT模块的最大工作电流进行比较，并将比较结果输出给控制模块，该控制模块依据该比较结果生成一延迟信号。
6.一种使用如权利要求I至5任意一项所述的短路保护模块对IGBT模块进行短路保护的方法，其特征在于包括步骤 I)测量主发射极和辅助发射极之间的电压，生成实时的电压测量结果； 2 )对所述电压测量结果与一电压预设值进行比较，如果该电压测量结果大于电压预设值，则进入步骤3);如果该电压测量结果小于电压预设值，则返回步骤I)； 3)对IGBT模块进行分阶段关断。
7.如权利要求6所述的短路保护方法，其特征在于在步骤I)中，还包括对电压测量结果进行滤波，将所述电压测量结果中存在振荡的部分进行过滤。
8.如权利要求6所述的短路保护方法，其特征在于在测量主发射极和辅助发射极之间的电压的同时，还包括测量IGBT模块的集电极电流，并生成电流测量结果。
9.如权利要求8所述的短路保护方法，其特征在于进一步地，将所述电流测量结果与IGBT模块的最大工作电流进行比较，如果电流测量结果小于该最大工作电流，则延迟进行步骤3);如果电流测量结果大于该最大工作电流，则进行步骤3)。
全文摘要
一种IGBT模块的短路保护模块，包括电压检测模块、比较模块和控制模块，该电压模块通过测量IGBT模块主发射极和辅助发射极之间的感生电压来判定IGBT模块短路状态，降低了IGBT模块运行中由于短路造成的损坏、提高IGBT模块应用中的安全性以及提高用户整个应用系统的安全性。同时本发明还提出了IGBT模块的短路保护方法。
文档编号H02H7/20GK102868149SQ20121037105
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者张强 申请人:西安永电电气有限责任公司