IGBT驱动电路、IGBT过流保护电路及方法与流程

本公开涉及电力技术领域，具体涉及一种IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)过流保护电路、IGBT过流保护方法以及包括该IGBT过流保护电路的IGBT驱动电路。

背景技术：

众所周知，传统的IGBT驱动电路中的IGBT过流保护电路与驱动芯片是由两个完全独立的部分组成，具体而言，是由IGBT过流保护电路检测实际输出电流并提供至所述驱动芯片，所述驱动芯片据此判断实际输出电流是否超出电流保护值，如超出，则驱动芯片实施对IGBT的关断，从而对IGBT进行过流保护。

现有技术中，有一部分IGBT驱动电路中IGBT过流保护电路的过流保护判断原理是检测IGBT的集电极与射电极的电压降(管压降)，而不是直接检测IGBT的输出电流。以包括HCPL-316J驱动芯片的IGBT驱动电路为例，其中预设的过流电压的安全阀值小于等于7V，在检测到过流电压的超出安全阀值范围时，则驱动芯片实施对IGBT的关断，从而对IGBT进行过流保护。

由于IGBT在启动阶段存在一个从放大区域过渡到饱和区域的过程，之后IGBT才稳定工作在饱和区域。而IGBT工作在放大区域时的管压降随时间的增加可能会大于工作在饱和区域时的管压降，且IGBT从放大区域过渡到饱和区域的时间和管压降将随着IGBT功率的变大而增加。因此，在实际应用中，尤其是对于大功率IGBT而言，随着从放大区域过渡到饱和区域的时间的加长以及管压降的增大，IGBT在正常的过渡过程中很容易出现管压降超出安全阀值的现象，从而引起过流保护的误动作，使得IGBT在正常启动过程中被直接关断而无法启动。

技术实现要素：

针对现有技术中的部分或者全部问题，本公开提供一种IGBT过流保护电路、IGBT过流保护方法以及包括该IGBT过流保护电路的IGBT驱动电路，用于减少或者避免过流保护的误动作。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的一个方面，一种IGBT过流保护方法，应用于一包括驱动芯片的IGBT驱动电路；所述驱动芯片用于提供一IGBT栅极电压至一IGBT的栅极而导通或关断所述IGBT，并在接收到的一采样电压超出预设范围时，通过所述IGBT栅极电压关断所述IGBT；所述IGBT过流保护方法包括：

响应一对应IGBT工作于放大区域的第一电学特性而将一安全电压作为所述采样电压传输至所述驱动芯片；以及，

响应一对应IGBT工作于饱和区域的第二电学特性而将所述IGBT的管压降作为所述采样电压传输至所述驱动芯片；

其中，所述安全电压位于所述预设范围。

在本公开的一种示例实施方式中，所述第一电学特性和第二电学特性分别为所述IGBT工作于放大区域和饱和区域时的所述IGBT栅极电压。

根据本公开的另一方面，一种IGBT过流保护电路，应用于一包括驱动芯片的IGBT驱动电路；所述驱动芯片用于提供一IGBT栅极电压至一IGBT的栅极而导通或关断所述IGBT，并在接收到的一采样电压超出预设范围时，通过所述IGBT栅极电压关断所述IGBT；所述IGBT过流保护电路包括：

一过流检测模块，用于响应一对应IGBT工作于放大区域的第一电学特性而将一安全电压作为所述采样电压传输至一驱动芯片，以及用于响应一对应IGBT工作于饱和区域的第二电学特性而将所述IGBT的管压降作为所述采样电压传输至所述驱动芯片；

其中，所述安全电压位于所述预设范围。

在本公开的一种示例实施方式中，所述第一电学特性和第二电学特性分别为所述IGBT工作于放大区域和饱和区域时的所述IGBT栅极电压。

在本公开的一种示例实施方式中，所述过流检测模块包括：

一第一电容，其第一端与所述IGBT栅极电压连接；

一第一晶体管，其第一端接地，其第二端与所述IGBT的管压降及所述驱动芯片连接，其控制端与所述第一电容第二端连接；

其中，所述第一晶体管的管压降为所述安全电压。

在本公开的一种示例实施方式中，所述第一晶体管的型号为KRC101S。

在本公开的一种示例实施方式中，所述过流检测模块还包括：

一第二电容，其第一端与所述第一晶体管第一端连接，第二端与所述第一晶体管第二端连接。

在本公开的一种示例实施方式中，所述过流检测模块还包括：

一第一电阻，其第一端与所述第一电容第二端连接，第二端与所述第一晶体管控制端连接；

一第二电阻，其第一端与所述第一晶体管控制端连接，第二端与所述与所述第一晶体管第一端连接。

在本公开的一种示例实施方式中，所述驱动芯片为HCPL-316J驱动芯片。

根据本公开的又一方面，一种IGBT驱动电路，包括：

一上述的任意一种IGBT过流保护电路；以及

一驱动芯片，用于根据一输入信号提供一IGBT栅极电压至所述IGBT的栅极从而导通或关断所述IGBT，并在接收到的所述采样电压超出预设范围时，通过所述IGBT栅极电压关断所述IGBT。

本公开的实施例所提供的IGBT过流保护电路中，当IGBT工作于放大区域时，由于采样电压为位于预设范围内的安全电压，因此在IGBT从放大区域向饱和区域过渡的过程中,不会触发驱动芯片关断IGBT，因此可以减少或者避免在IGBT正常的过渡过程发生过流保护的误动作。而当IGBT工作于饱和区域时，由于采样电压为IGBT的管压降，因此在IGBT稳定工作后，若出现过流故障，仍会触发驱动芯片关断IGBT，对IGBT进行正常的过流保护。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本公开的上述和其它特征及 优点将变得更加明显。

图1是本示例实施方式中一种IGBT过流保护电路的模块示意图；

图2是本示例实施方式中一种IGBT过流保护电路的具体结构示意图；

图3是本示例实施方式中一种IGBT驱动电路的结构示意图；

图4A、图4B、图5A以及图5B是本示例实施方式中一种IGBT过流保护电路的仿真结果图。

附图标记说明：

11：过流检测模块

13：驱动芯片

14：输入信号处理电路

15：推挽放大电路

Q1：第一晶体管

C1：第一电容

C2：第二电容

R1：第一电阻

R2：第二电阻

R3：上拉电阻

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

本示例实施方式中首先提供了一种IGBT过流保护电路，该IGBT过流保护电路应用于一包括驱动芯片的IGBT驱动电路。

本公开所提供的IGBT过流保护电路主要包括过流检测模块等部分。如图1中所示，过流保护电路中的过流检测模块11与一驱动芯片13连接。根据IGBT的结构特点可知，IGBT工作于放大区域和饱和区域时，通常具有不同的电学特性；例如，所述IGBT工作于放大区域和饱和区域时，分别具有第一电学特性和第二电学特性。因此，本示例实施方式中，所述过流检测模块11用于在IGBT工作于放大区域时，响应一对应IGBT工作于放大区域的第一电学特性而将一安全电压作为采样电压传输至一驱动芯片；并在所述IGBT工作于饱和区域时，响应一对应IGBT工作于饱和区域的第二电学特性而将所述IGBT的管压降作为所述采样电压传输至所述驱动芯片13；所述驱动芯片13用于提供一IGBT栅极电压至所述IGBT的栅极从而导通或关断所述IGBT，并在接收到的所述采样电压超出预设范围时，通过所述IGBT栅极电压关断所述IGBT；本公开中，所述安全电压位于所述预设范围。

由上可知，在本示例实施方式所提供的IGBT过流保护电路中，当IGBT工作于放大区域时，由于采样电压为位于预设范围内的安全电压，因此在IGBT从放大区域向饱和区域过渡的过程中,不会触发驱动芯片13关断IGBT，因此可以减少或者避免在IGBT正常的过渡过程发生过流保护的误动作。而当IGBT工作于饱和区域时，由于采样电压为IGBT的管压降，因此在IGBT稳定工作后，若出现过流故障，仍会触发驱动芯片13关断IGBT，对IGBT进行过流保护。

根据IGBT的结构特点，IGBT工作于放大区域时的动态电阻较大，从而造成IGBT工作于放大区域时的所述IGBT栅极电压表现出更强的交流特性。因此，在一种示例实施方式中，所述第一电学特性和第二电学特性则可以分别为所述IGBT工作于放大区域和饱和区域时的所述IGBT栅极电压。下面，以图2中所示的过流检测模块11为例进行说明。

如图2中所示，本示例实施方式中的过流检测模块11包括一第一电容C1及一第一晶体管Q1。该第一电容C1的第一端与所述IGBT栅极电压连接，第二端与所述第一晶体管Q1的控制端连接；所述第一晶体管Q1 的第一端接地，第二端与所述驱动芯片13及所述IGBT的管压降连接。

当IGBT工作于放大区域时，由于其栅极电压表现出较强的交流特性，因此IGBT栅极电压可以通过第一电容C1作用在第一晶体管Q1的控制端从而使第一晶体管Q1导通。因此，当IGBT工作于放大区域时，采样电压则为第一晶体管Q1的管压降。这样，只要第一晶体管Q1的管压降位于上述预设范围，即为所述安全电压，则可以在IGBT从放大区域向饱和区域过渡的过程中,不触发驱动芯片13关断IGBT，从而可以减少或者避免在IGBT正常的过渡过程发生过流保护的误动作。

当IGBT工作于饱和区域时，由于其栅极电压的交流特性变弱，因此IGBT栅极电压不再可以通过第一电容C1作用在第一晶体管Q1的控制端，或者虽然可以部分作用在第一晶体管Q1的控制端，但不足以导通所述第一晶体管Q1，因此当IGBT工作于放大区域时，第一晶体管Q1会自动关断。这样，连接在第一晶体管Q1第二端的IGBT管压降则可以直接传输至驱动芯片13，即所述采样电压仍为所述IGBT的管压降。因此在所述IGBT工作于饱和区域时，本示例实施方式中的IGBT过流保护电路仍可以对所述IGBT进行正常的过流保护。

由上可知，第一晶体管Q1的启动电压以及管压降均需满足特定的需求。例如，本示例实施方式中根据试验和计算统计IGBT的动态电阻的变化，可以选择KRC101S晶体管作为上述的第一晶体管Q1。KRC101S晶体管可以保证当IGBT工作在放大区域时，采样电压取决于KRC101S晶体管的管压降；而当IGBT工作在饱和区域时，采样电压取决于IGBT的管压降。

除此之外，本示例实施方式中所述过流检测模块11还可以包括第一电阻R1、第二电阻R2以及第二电容C2等等。如图2中所示，所述第一电阻R1的第一端与所述第一电容C1第二端连接，第二端与所述第一晶体管Q1控制端连接；所述第二电阻R2的第一端与所述第一晶体管Q1控制端连接，第二端与所述与所述第一晶体管Q1第一端连接。所述第一电阻R1以及第二电阻R2可以起到例如分压以及保护等作用。所述第二电容C2的第一端与所述第一晶体管Q1第一端连接，第二端与所述第一晶体管Q1第二端连接。第二电容C2的主要作用是防止采样电压受到外界的共模 电压干扰，保证驱动芯片13不会因为外界干扰而发生误报警。

进一步的，本示例实施方式中还提供了一种IGBT过流保护方法，该IGBT过流保护方法应用于一包括驱动芯片的IGBT驱动电路。该IGBT过流保护方法主要包括：在IGBT工作于放大区域时，响应一对应IGBT工作于放大区域的第一电学特性而将一安全电压作为采样电压传输至一驱动芯片；并在所述IGBT工作于饱和区域时，响应一对应IGBT工作于饱和区域的第二电学特性而将所述IGBT的管压降作为所述采样电压传输至所述驱动芯片；所述驱动芯片用于提供一IGBT栅极电压至所述IGBT的栅极从而导通或关断所述IGBT，并在接收到的所述采样电压超出预设范围时，通过所述IGBT栅极电压关断所述IGBT；本公开中，所述安全电压位于所述预设范围。由于该IGBT过流保护方法的具体实施方式已经在上述IGBT过流保护电路中已有详细的描述，因此在此不再赘述。

如图3中所示，为本示例实施方式中IGBT过流保护电路的一种具体应用。图3中所示为包括上述IGBT过流保护电路的IGBT驱动电路，该IGBT驱动电路中的驱动芯片13以HCPL-316J驱动芯片为例进行说明。该IGBT驱动电路除了包括核心器件HCPL-316J驱动芯片以及IGBT过流保护电路之外，还可以包括输入信号处理电路14、功率推挽放大电路15等等。其中输入信号处理电路14包括上拉电阻R3、滤波电容等等；功率推挽放大电路15主要用于对HCPL-316J驱动芯片的输出信号进行推挽放大。

HCPL-316J驱动芯片的VIN-、VIN+管脚、FAULT以及RESET管脚均与一控制机(图中未示出)连接。在启动IGBT时，IGBT启动信号VIN经过输入信号处理电路14中的上拉电阻R3的上拉处理后，输入至HCPL-316J驱动芯片的VIN-管脚；HCPL-316J驱动芯片的VOUT管脚输出IGBT栅极电压；IGBT栅极电压经过功率推挽放大电路15推挽放大后输出至IGBT栅极。

由于IGBT在启动阶段存在一个从放大区域过渡到饱和区域的过程，因此在初始阶段，IGBT首先工作在放大区域。IGBT工作于放大区域时的动态电阻较大，从而造成IGBT工作于放大区域时的所述IGBT栅极电压表现出更强的交流特性。因此初始阶段IGBT栅极电压可以通过第一电容C1而作用在第一晶体管Q1的控制端从而使第一晶体管Q1导通。这样， 在IGBT工作于放大区域时，过流检测模块11输入至HCPL-316J驱动芯片的DESAT管脚的采样电压则为第一晶体管Q1的管压降，因此可以避免在IGBT正常的过渡过程发生过流保护的误动作。

在IGBT过渡到饱和区域后，IGBT动态电阻较小，IGBT栅极电压不再可以通过第一电容C1作用在第一晶体管Q1的控制端，或者虽然可以部分作用在第一晶体管Q1的控制端，但不足以导通所述第一晶体管Q1，第一晶体管Q1会自动关断。这样，连接在第一晶体管Q1第二端的IGBT管压降则可以直接传输至驱动芯片13，即所述采样电压为所述IGBT的管压降。当出现过流故障时，IGBT的管压降变大(大于7V)，由于输入至HCPL-316J驱动芯片的DESAT管脚的采样电压大于预设范围(7V)，则HCPL-316J驱动芯片会停止输出IGBT栅极电压，从而使IGBT关断，因此在所述IGBT工作于饱和区域时，IGBT过流保护电路仍可以对所述IGBT进行正常的过流保护。

进一步的，发明人还对本示例实施方式中IGBT过流保护电路的技术效果进行了实验验证。如图4A和图4B中所示，是IGBT为英飞凌1700V/300A时的实验结果。图4A为运行后短路的实验结果，其中运行频率为50Hz，加速时间为5s，可以报过流故障，过电流保护功能动作时间为6.26μs，最大短路电流到2520A；图4B为短路后运行的实验结果，其中运行频率为2Hz，加速时间为5s，可以报过流故障，过电流保护功能动作时间为5.67μs，最大短路电流到2390A。如图5A和图5B中所示，是IGBT为英飞凌1700V/100A时的实验结果。图5A为运行后短路的实验结果，其中运行频率为50Hz，加速时间为5s，可以报过流故障，过电流保护功能动作时间为4.18μs；图5B为短路后运行的实验结果，其中运行频率为2Hz，加速时间为5s，可以报过流故障，过电流保护功能动作时间为4.68μs。可以明显看出，在大功率IGBT中，本示例实施方式中的IGBT过流保护电路具有很高的可靠性。

综上所述，本示例实施方式中通过设置可以区分IGBT放大区域与饱和区域的过流检测模块11，使得当IGBT工作于放大区域时，采样电压为位于预设范围内的安全电压，因此在IGBT从放大区域向饱和区域过渡的过程中,不会触发驱动芯片13关断IGBT，从而可以减少或者避免在IGBT 正常的过渡过程发生过流保护的误动作。而当IGBT工作于饱和区域时，采样电压为IGBT的管压降，因此在IGBT稳定工作后，若出现过流故障，仍会触发驱动芯片13关断IGBT，对IGBT进行过流保护。此外，本示例实施方式中的IGBT过流保护电路还充分考虑了干扰因素，在实践中也证实了其可靠性，同时其结构简单，成本较低，而且应用范围广泛，不仅可以应用于大功率IGBT，也可应用于小功率的IGBT。

本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反地，在不脱离本公开的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本公开的专利保护范围。