一种IGBT功率开关器件的短路保护方法及其电路技术

一种IGBT功率开关器件的短路保护方法及其电路，包括IGBT驱动电路、栅极驱动电阻RG、短路检测电路和短路处理电路。其中IGBT驱动电路用来给IGBT的栅极提供工作电压，IGBT驱动电路还包括一个控制端口，用来接受来自短路检测电路的短路控制信号，对IGBT驱动电路的输出信号进行锁定；短路检测电路包括硬开关短路故障(HSF)检测电路和带载短路故障(FUL)检测电路两个部分，分别对IGBT的两种短路行为进行检测，共同构成IGBT的短路检测电路；短路处理电路则是当短路故障发生时，对短路故障进行安全可靠的处理。本发明专利技术通过对IGBT栅极瞬态行为进行短路检测，电路简单，检测时间短，能够可靠地检测IGBT短路故障，从而对IGBT进行有效的保护。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)作为功率开关器件的短路保护方法及其电路。
技术介绍
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)作为一种新型大功率开关器件被广泛应用于各种智能功率芯片SPIC(Smart Power IC)中，由于功率器件IGBT的短路耐受时间很短，若发生短路，功率器件IGBT会在很短的时间内失效，因此对IGBT进行有效的短路保护至关重要。通常情况下，IGBT短路故障可以分为两类，硬开关短路故障(HSF，Hard Switching Fault)和带载短路故障(FUL，Fault Under Load)，硬开关短路故障(HSF)是指在IGBT开通过程中负载发生短路，当IGBT导通时，回路阻抗相当小。带载短路故障是指在IGBT已经开通进入稳定导通状态之后，负载发生短路，此时IGBT电流会出现很大的过冲，这有可能导致IGBT发生闩锁效应从而损坏。现有技术中，对IGBT进行短路保护检测有多种方案，目前常见的对IGBT进行短路保护检测的方案一种是退饱和检测法，美国专利US005467242A中描述了一种基于退饱和检测的实现方法，其检测电路原理图如图1所示，退饱和检测电路主要包括一个高压二极管DS、电阻RA、延时电路1、比较器COMP1、延时电路2和NMOS管M1，用一个耐高压的二极管阴极连接到IGBT的集电极，对IGBT的退饱和行为进行检测。在IGBT处于正常工作状态下时，IGBT工作在饱和区，IGBT集电极电压很低，此时二极管DS处于正向导通状态，二极管DS阳极电压低于参考阈值电压VR1，而当IGBT发生短路故障时，IGBT集电极电流迅速上升，IGBT由饱和区退出进入有源区，集电极电压迅速上升至母线电压，二极管阳极的电压也随着升高，当其电压大于参考阈值VR1时，则认为发生IGBT短路故障，接着对电路进行保护，延时电路1的作用是保证IGBT能够完全导通，使得集电极发射极电压降到饱和压降，延时电路2的作用是对工作中的噪声信号进行过滤。其缺点是：首先电路不能对HSF短路故障进行有效检测，其次电路没有与功率级电路隔离，容易发生错误检测，由于延时电路1的存在，在IGBT发生短路保护故障后，需要经过约1～5μs的延迟时间，驱动芯片的监测引脚才能检测到该短路故障信号，即在发生短路故障后，不能够迅速的关断IGBT，增大IGBT损坏的风险。另一种方案是通过对IGBT的栅极电压进行检测，检测电路主要检测IGBT栅极驱动电压VGG以及栅极电压VGE，由于IGBT在正常工作与短路故障时，其栅极电压变化有差异，因此可以通过栅极电测电路对其故障进行检测。图2所示为现有技术中一种基于栅极电压检测的实现方法，检测电路主要包括两个比较器COMP2和COMP3，电容CK、电阻RK、RS、RO和RD，其中电阻RO为比较器COMP2输出端的负载，IGBT栅极驱动电压VGG通过电阻RK、电容CK和电阻RO分压，由于在IGBT正常情况和发生短路情况下，电容CK两端充电所得电压是不同的，则电阻RO上的电压VRO也不同，通过对电阻RO上的电压VRO进行检测即可判断IGBT是否发生短路故障。图3所示为所述现有的栅极电压检测电路在正常情况与短路情况下电阻RO上的电压，在正常情况(Normal)下，电阻RO上的电压VRO低于参考阈值VR2，而在HSF和FUL短路条件下，电阻RO上的电压VRO分别会在某些时段略高于参考阈值VR2，因此可以检测出短路故障。其缺点是：该电路存在着检测对象在正常情况和短路情况下变化幅度较小的问题，电路中所用比较器参考电平较难设置，正常情况与短路情况区分度不高，容易发生误检漏检现象。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足之处，本专利技术提供了一种IGBT功率开关器件的短路保护方法及其电路，基于栅极瞬态行为检测的方法，能够对IGBT的两种短路行为都进行有效的检测，且电路参数易于设置，电路响应速度快，检测时间短，解决了IGBT短路保护的可靠性问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种IGBT功率开关器件的短路保护方法，其特征在于：通过对IGBT功率开关器件的栅极驱动电路输出端串联的栅极驱动电阻RG两端的电压，即IGBT功率开关器件的栅极驱动电压VGG及栅极电压VGE进行检测，判断IGBT功率开关器件是否短路，包括硬开关短路故障HSF检测和带载短路故障FUL检测两部分，分别对IGBT功率开关器件进行HSF短路故障检测和FUL短路故障检测。硬开关短路故障HSF检测的输出电压为VSC1，带载短路故障FUL检测的输出电压为VSC2，VSC1和VSC2经过两输入逻辑或门OR1输出短路控制信号VSC，若检测电压VSC1为高，则说明发生HSF短路故障，若检测电压VSC2为高，则说明发生FUL短路故障，将此时的短路控制信号VSC反馈给栅极驱动电路的控制端口，锁定栅极驱动电路的输出信号，屏蔽其对IGBT功率开关器件栅极电压的影响，同时也将短路控制信号VSC经过短路处理后控制IGBT功率开关器件的栅极，对IGBT功率开关器件进行软关断处理，防止过电压对IGBT功率开关器件造成损坏。根据上述方法设计的保护电路，包括IGBT功率开关器件的栅极驱动电路和栅极驱动电阻RG，栅极驱动电路的输出连接驱动电阻RG的输入端即栅极驱动电压VGG，驱动电阻RG的输出端即栅极电压VGE连接IGBT功率开关器件的栅极，其特征在于：设置硬开关短路故障HSF检测电路、带载短路故障FUL检测电路、两输入逻辑或门OR1以及短路处理电路，其中：栅极驱动电路包括PMOS管MP2、MP3和MP4，NMOS管MN2、MN3、MN4和MN5，电阻R3、R4和R5，电容C3，反相器INV3和INV4，两输入逻辑与非门NAND1和NAND2，PMOS管MP2的栅极与NMOS管MN2的栅极互连作为栅极驱动电路的输入端与前级驱动芯片的输出信号连接，PMOS管MP2的源极、PMOS管MP3的源极、PMOS管MP4的源极以及电阻R5的一端均连接电源电压VCC，PMOS管MP2的漏极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电阻R4的一端、电容C3的一端以及PMOS管MP3的栅极和NMOS管MN3的栅极，电阻R4的另一端连接NMOS管MN2的漏极，PMOS管MP3的漏极与NMOS管MN3的漏极、反相器INV3的输入端以及两输入逻辑与非门NAND1的一个输入端连接在一起，反相器INV3的输出端连接两输入逻辑与非门NAND2的一个输入端，两输入逻辑与非门NAND2的另一个输入端与NMOS管MN4的漏极、电阻R5的另一端以及两输入逻辑与非门NAND1的另一个输入端连接在一起，两输入逻辑与非门NAND1的输出端连接PMOS管MP4的栅极，两输入逻辑与非门NAND2的输出端经过反相器INV4连接NMOS管MN5的栅极，NMOS管MN5的源极与NMOS管MN4的源极、NMOS管MN3的源极、NMOS管MN2的源极以及电容C3的另一端连接在一起并接地GND，PMOS管MP4的漏极与NMOS管MN5的漏极互连，作为栅极驱动电路的输出端，输出栅极驱动电压VGG，NMOS管M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种IGBT功率开关器件的短路保护方法，其特征在于：通过对IGBT功率开关器件的栅极驱动电路输出端串联的栅极驱动电阻RG两端的电压，即IGBT功率开关器件的栅极驱动电压VGG及栅极电压VGE进行检测，判断IGBT功率开关器件是否短路，包括硬开关短路故障HSF检测和带载短路故障FUL检测两部分，分别对IGBT功率开关器件进行HSF短路故障检测和FUL短路故障检测。硬开关短路故障HSF检测的输出电压为VSC1，带载短路故障FUL检测的输出电压为VSC2，VSC1和VSC2经过两输入逻辑或门OR1输出短路控制信号VSC，若检测电压VSC1为高，则说明IGBT发生HSF短路故障，若检测电压VSC2为高，则说明IGBT发生FUL短路故障，将此时的短路控制信号VSC反馈给栅极驱动电路的控制端口，锁定栅极驱动电路的输出信号，屏蔽其对IGBT功率开关器件栅极电压的影响，同时也将短路控制信号VSC经过短路处理后控制IGBT功率开关器件的栅极，对IGBT功率开关器件进行软关断处理，防止过电压对IGBT功率开关器件造成损坏。

【技术特征摘要】
1.一种IGBT功率开关器件的短路保护方法，其特征在于：通过对IGBT功率开关器件的栅极驱动电路输出端串联的栅极驱动电阻RG两端的电压，即IGBT功率开关器件的栅极驱动电压VGG及栅极电压VGE进行检测，判断IGBT功率开关器件是否短路，包括硬开关短路故障HSF检测和带载短路故障FUL检测两部分，分别对IGBT功率开关器件进行HSF短路故障检测和FUL短路故障检测。硬开关短路故障HSF检测的输出电压为VSC1，带载短路故障FUL检测的输出电压为VSC2，VSC1和VSC2经过两输入逻辑或门OR1输出短路控制信号VSC，若检测电压VSC1为高，则说明IGBT发生HSF短路故障，若检测电压VSC2为高，则说明IGBT发生FUL短路故障，将此时的短路控制信号VSC反馈给栅极驱动电路的控制端口，锁定栅极驱动电路的输出信号，屏蔽其对IGBT功率开关器件栅极电压的影响，同时也将短路控制信号VSC经过短路处理后控制IGBT功率开关器件的栅极，对IGBT功率开关器件进行软关断处理，防止过电压对IGBT功率开关器件造成损坏。2.根据权利要求1所述的IGBT功率开关器件短路保护方法设计的保护电路，包括IGBT功率开关器件的栅极驱动电路和栅极驱动电阻RG，栅极驱动电路的输出连接驱动电阻RG的输入端即栅极驱动电压VGG，驱动电阻RG的输出端即栅极电压VGE连接IGBT功率开关器件的栅极，其特征在于：设置硬开关短路故障HSF检测电路、带载短路故障FUL检测电路、两输入逻辑或门OR1以及短路处理电路，其中：栅极驱动电路包括PMOS管MP2、MP3和MP4，NMOS管MN2、MN3、MN4和MN5，电阻R3、R4和R5，电容C3，反相器INV3和INV4，两输入逻辑与非门NAND1和NAND2，PMOS管MP2的栅极与NMOS管MN2的栅极互连作为栅极驱动电路的输入端与前级驱动芯片的输出信号连接，PMOS管MP2的源极、PMOS管MP3的源极、PMOS管MP4的源极以及电阻R5的一端均连接电源电压VCC，PMOS管MP2的漏极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电阻R4的一端、电容C3的一端以及PMOS管MP3的栅极和NMOS管MN3的栅极，电阻R4的另一端连接NMOS管MN2的漏极，PMOS管MP3的漏极与NMOS管MN3的漏极、反相器INV3的输入端以及两输入逻辑与非门NAND1的一个输入端连接在一起，反相器INV3的输出端连接两输入逻辑与非门NAND2的一个输入端，两输入逻辑与非门NAND2的另一个输入端与NMOS管MN4的漏极、电阻R5的另一端以及两输入逻辑与非门NAND1的另一个输入端连接在一起，两输入逻辑与非门NAND1的输出端连接PMOS管MP4的栅极，两输入逻辑与非门NAND2的输出端经过反相器INV4连接NMOS管MN5的栅极，NMOS管MN5的源极与NMOS管MN4的源极、NMOS管MN3的源极、NMOS管MN2的源极以及电容C3的另一端连接在一起并接地GND，PMOS管MP4的漏极与NMOS管MN5的漏极互连，作为栅极驱动电路的输出端，输出栅极驱动电压VGG，NMOS管MN4的栅极为栅极驱动电路的控制端口连接逻辑或门OR1输出的短路控制信号VSC；硬开关短路故障HSF检测电路包括平台充电电路、两个比较器CMP1和CMP2、反相器INV1、两输入逻辑与门AND1和RS触发器，其中平台充电电路包括由两级反相器串联构成的缓冲器以及电阻R1和电容C1，缓冲器输入端连接驱动电阻RG的输入端即栅极驱动电压VGG，缓冲器输出端连接电阻R1的一端，电阻R1另一端连接电容C1的一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝靖，钱威，陆扬扬，孙伟锋，陆生礼，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32