一种基于积分器的IGBT短路检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于积分器的IGBT短路检测装置及方法，当IGBT发生短路的同时伴随退饱和现象，通过监测IGBT集射极电压的变化能够鉴别其正常开通和短路故障；现有方法必须等待IGBT退饱和之后进行短路判断。本发明专利技术引入积分电路对集射极电压进行积分累积，能够在IGBT发生短路时，在IGBT退饱和之前检出短路故障，从而显著减小短路检测延时。本发明专利技术提出的短路检测方法由输入级减法器、中间级积分器和输出级比较器三部分构成，检测电路基于硬件实现，结构简单、易于实现、检出速度快、抗干扰性能强。本方法对IGBT及应用系统参数依赖性小、可靠性高，能快速准确检测出IGBT的短路故障。

【技术实现步骤摘要】
一种基于积分器的IGBT短路检测装置及方法
本专利技术属于工业自动化领域，具体涉及一种针对功率变流器驱动系统中IGBT短路检测装置及方法。
技术介绍
绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)融合了大功率晶体管(GTR)和绝缘栅场效应管(MOSFET)的优势，能够承受较高的电压和较大的电流，且能工作在较高的开关频率，广泛地应用于各种功率变流器如UPS以及电机驱动产品。在功率变换器系统中，短路类型主要有桥臂短路、相间短路和接地短路。根据这三种短路类型，IGBT短路可分为I类短路和II类短路。IGBT应用的一个关键问题是短路检测，大量文献提出了各种短路检测方案。IGBT短路检测方法主要分为两类，即集电极C与发射极E压降uCE检测法和diC/dt检测方法。第一种uCE检测方法的原理是当IGBT发生短路的同时伴随退饱和现象，可以通过在C极串联二极管检测IGBT集射极电压uCE，然后与设定阈值进行比较来判断短路故障。只需要若干个高反向耐压值的二极管和一个比较器，硬件结构简单、实用性强，在工程实践中的应用最为广泛。但是，该短路检测方法必须等到IGBT退饱和时才能检测到短路故障。另外，由于IGBT关断时串联二极管检测uCE电压与IGBT开通发生短路故障时的uCE电压相同，因此，uCE检测方案需要区分IGBT开通和关断的工作状态。现有文献一般采用软件区分方法，通过增加额外的微处理器如CPLD、FPGA等，基于pwm信号电平来识别IGBT的开关状态，从而避免IGBT关断时的误检测。采用软件辨识方法检测短路速度较慢，而且需要引入较长时间的滤波以保证检测的可靠性。第二种diC/dt检测方法的原理是当IGBT发生短路故障时集电极电流变化率diC/dt很大，IGBT的E极和PE极之间存在寄生电感，可以通过检测发射极E和功率发射极PE之间的压降upe来判断短路故障。diC/dt检测方案的缺点是当回路中存在一定量的电感时(部分II类短路)，iC直线升高且diC/dt远小于I类短路时的diC/dt，此时，upe变化不够显著而不能通过diC/dt方案检测到短路故障。因此，diC/dt检测方案的应用范围受到限制，只能针对于I类短路和部分II类短路故障。
技术实现思路
本专利技术针对功率变流器驱动系统中IGBT短路检测问题，以及现有的基于集射极电压检测方案存在的不足，提出了一种基于积分器的IGBT短路检测装置及方法；该短路检测方案全部由硬件实现，结构简单、检测速度快、可靠性高。本专利技术提供了一种基于积分器的IGBT短路检测装置，包括：减法器、积分器和比较器；所述减法器的正输入端连接输入参考电压值ref_in，负输入端连接集射极检测电压ucesat，所述减法器用于调整后级积分器输入电压的范围；所述积分器的输入端连接至所述减法器的输出端，所述积分器用于累积集射极电压，从而提前鉴别短路故障；所述比较器的反向输入端连接至所述积分器的输出端，正输入端连接给定的短路检出电压阈值ref_cmp，负输入端连接所述积分器的输出端，所述比较器用于输出反映IGBT是否产生短路的逻辑电平；所述积分器用于对集射极检测电压ucesat进行累积并进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。其中，所述积分器包括：清零电路；当pwm脉冲为0时驱动IGBT关断，所述清零电路使得所述积分器的输出为零，以避免发生误检测；当pwm脉冲为1时驱动IGBT开通，所述清零电路关闭，积分器对集射极检测电压ucesat进行累积并进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。更进一步地，所述输入参考电压值ref_in和所述短路检出电压阈值ref_cmp均可调节，输入级参考电压调整使得与具体的IGBT型号的电气特性匹配；输出级参考电压调整以获得所需要的短路检出阈值。本专利技术还提供了一种基于权利要求1所述的IGBT短路检测装置实现短路检测的方法，包括下述步骤：当pwm脉冲为1且驱动IGBT开通并发生短路时，关闭清零电路，积分器对集射极电压uCE进行累积并迅速进入稳态；集射极检测电压ucesat升高至+15V，达到输入动作阈值，输入级减法器输出-10V，中间级积分器输出正饱和状态+15V；输出级比较器达到比较动作阈值，输出负饱和状态-15V，检测结果为“短路故障”。其中，还包括下述步骤：当pwm脉冲为0时驱动IGBT关断，积分器输出为零，输出级比较器没有达到比较动作阈值，输出正饱和状态+15V，检测结果为“正常运行”；当pwm脉冲为1且驱动IGBT正常开通时，积分器对集射极电压uCE进行累积并进入稳态；集射极检测电压ucesat没有达到输入动作阈值，输入级减法器输出+1V，中间级积分器输出负饱和状态-15V；输出级比较器没有达到比较动作阈值，输出正饱和状态+15V，检测结果为“正常运行”。本专利技术的技术效果体现在：(1)根据IGBT特性，通过监测IGBT集射极电压uCE的变化来鉴别其正常开通和短路开通工况，本专利技术提出的IGBT短路检测方案有效可行，而且灵敏度高、可靠性高。(2)本专利技术提出的IGBT短路检测方法通过引入积分器对集射极电压uCE进行累积，当IGBT发生短路故障时，在IGBT退饱和之前CE电压缓慢上升的过程中即可检出故障，对比已有方法，本专利技术方法能够显著减小IGBT短路检测延时。(3)本专利技术检测方法的电路全部采用硬件实现，积分器增加清零电路，IGBT关断时，启用积分清零功能以避免发生误检测；IGBT开通时，关闭积分清零电路，积分器对集射极检测电压ucesat进行累积并迅速进入饱和状态，从而快速识别是否发生短路故障。积分电路结构及控制方法简单，易于实现，短路检出速度快，抗干扰性能强。(4)本专利技术检测方法的硬件电路输入和输出的检测阈值均可调，对IGBT及应用系统参数依赖性小、适用性强。附图说明图1为IGBT的内部结构断面示意图。图2为IGBT输出特性曲线。图3为基于积分器的IGBT短路检测方法的原理图。图4为基于积分器的IGBT短路检测方法的硬件电路图。图5为本专利技术方法硬件电路仿真输入、输出等信号波形图。图6为IGBT短路测试实验平台主电路结构图。图7为基于本专利技术方法的IGBT短路实验波形。具体实施方式本专利技术基于监测IGBT集射极电压uCE的变化来鉴别其正常开通和短路开通工况。通过对IGBT在发生短路时的动态过程分析，提出了一种基于积分器的IGBT短路检测方法。在IGBT开通过程中在输入级对uCE进行偏移量处理后进行积分运算，在IGBT关断时对积分量清零。经过短暂的盲区时间之后，如果检测到积分量高于设定短路检测阈值即判断为短路故障。通过引入积分器对uCE进行累积作用，能够在IGBT短路时退饱和之前检测出短路故障。本专利技术提出的短路检测方案全部由硬件实现，结构简单、抗干扰性强，并且在检测I类、II类短路时都具有很好的快速性。本专利技术提出的IGBT短路检测方案的原理是当IGBT发生短路的同时伴随退饱和现象，即当集电极电流iC超过额定电流时，电导调制效应开始失效，集射极电压uCE开始缓慢升高，在饱和区内，集射极电压uCE随着集电极电流iC升高而增大。发生I类短路故障时，IGBT不会进入饱和区，集射极电压uCE保持为较大的值。发生II类短路故障时，IGBT先进入饱和区，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于积分器的IGBT短路检测装置，其特征在于，包括：减法器、积分器和比较器；所述减法器的正输入端连接输入参考电压值，负输入端连接集射极电压，所述减法器用于调整后级积分器输入电压的范围；所述积分器的输入端连接至所述减法器的输出端，所述积分器用于累积集射极电压，从而提前鉴别短路故障；所述比较器的反向输入端连接至所述积分器的输出端，正输入端连接给定的短路检出电压阈值，负输入端连接所述积分器的输出端，所述比较器用于输出反映IGBT是否产生短路的逻辑电平；所述积分器用于对集射极电压进行累积并进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。

【技术特征摘要】
1.一种基于积分器的IGBT短路检测装置，其特征在于，包括：减法器、积分器和比较器；所述减法器的正输入端连接输入参考电压值，负输入端连接集射极电压，所述减法器用于调整后级积分器输入电压的范围；所述积分器的输入端连接至所述减法器的输出端，所述积分器用于累积集射极电压，从而提前鉴别短路故障；所述比较器的反向输入端连接至所述积分器的输出端，正输入端连接给定的短路检出电压阈值，负输入端连接所述积分器的输出端，所述比较器用于输出反映IGBT是否产生短路的逻辑电平；所述积分器用于对集射极电压进行累积并进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。2.如权利要求1所述的IGBT短路检测装置，其特征在于，所述积分器包括：清零电路；当pwm脉冲为0时驱动IGBT关断，所述清零电路使得所述积分器的输出为零，以避免发生误检测；当pwm脉冲为1时驱动IGBT开通，所述清零电路关闭，积分器对集射极检测电压ucesat进行累积并进入稳态，从而快速识别是否发生短路故障。3.如权利要求1所述的IGBT短路检测装置，其特征在于，所述输入参考电压值和所述短路检出电压阈值均可调节，输入级参考电压调整使得与具体的IGBT型...

【专利技术属性】
技术研发人员：程善美，刘莹，李武杰，刘江，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42