一种IGBT短路故障快速保护方法及电路技术

本发明专利技术提供一种IGBT短路故障快速保护方法及电路，包括短路检测电路，门逻辑电路和放大电路。利用发生短路时与正常开通状态相比，门极电压与集电极电压不同的变化状态进行短路故障检测，通过逻辑电路控制推挽放大电路，及时将IGBT关断。本发明专利技术能够提高短路故障检测速率，所需的短路检测器件及检测电路简单，容易实现。

A fast protection method and circuit for IGBT short circuit fault

【技术实现步骤摘要】
一种IGBT短路故障快速保护方法及电路
本专利技术涉及一种IGBT短路故障快速保护方法及电路，属于电力电子

技术介绍
IGBT短路保护是提高电力电子系统可靠性的关键因素。传统的退保和短路保护方法是通过检测IGBT的集电极—发射极电压，以确定是否发生IGBT短路故障。在这种保护方法中需要设置消隐电路，以避免在IGBT导通瞬态期间误触发短路保护。然而为了使驱动板具有通用性，通常需要设置较长的消隐时间，因而增加了短路损耗，使得结温上升，增大了短路故障对器件的冲击。除了退保和方法外，目前常用的方法还有从短路电流信息和门极信息提取两个方面进行短路保护，比如：利用功率发射机和辅助发射极间的感应电势提取短路电流，根据短路故障时的门极电压或门极电荷的变化。这些方法主要是为了提高短路保护速率，消除消音时间的影响，然而相比于传统的退保和方法，普遍需要大量的运算放大器进行信息的提取，并且需要根据特定的应用环境来进行检测电路的参数设计，通用性较差，并没有得到广泛的应用。因而研发一种既能够提高短路保护速率，又不需要过多的检测元件的短路保护方法变得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术上的不足，提出一种IGBT短路故障快速保护方法及电路。该电路能够提高短路保护速率，具体的技术方案如下：一种IGBT短路故障快速保护电路，包括：短路检测电路，门逻辑电路和放大电路；所述短路检测电路，用于检测集电极电压和门极电压的状态，以判断是否发生短路故障，并输出故障信号给门逻辑电路；所述门逻辑电路，用于根据外部控制器的PWM开关信号与故障信号，判断需要开通还是关断待测IGBT，用于并向放大电路输出控制信号；所述放大电路，用于根据门逻辑电路输出的控制信号，向IGBT输出正驱动电压VCC或负驱动电压VEE，实现IGBT的开通与关断；其中：门逻辑电路接收开关信号Vpwm和故障信号Vfault，并向放大电路输出控制信号Vp；短路检测电路检测待测IGBT的集电极电压VCE和门极电压VG，并向门逻辑电路输出故障信号Vfault；放大电路接收控制信号Vp，输出端连接待测IGBT的门极。作为本专利技术的一种改进，所述短路检测电路，包括：集电极检测电路，门极检测电路，故障判断电路；其中：集电极检测电路输入端检测电路检测集电极电压VCE，输出端与故障判断电路的第一输入端相连；门极检测电路输入端检测门极电压VG，输出端与故障判断电路的第二输入端相连；故障判断电路输出端输出故障信号Vfault。作为本专利技术的一种改进，所述集电极检测电路，实时检测集电极电压状态，包括：二极管D1，二极管D2，二极管D3，电阻R1，电容C1，开关Q1；其中：二极管D1的阴极接待测IGBT的集电极，阳极与电阻R1的一端，电容C1的一端，二极管D2的阳极，二极管D3的阴极，P型开关管Q1的基极相连，电阻R1的另一端，二极管D2的阴极和P型开关管Q1的发射极与正驱动电压VCC相连；电容C1的另一端和二极管D3的阳极接地。作为本专利技术的一种改进，所述门极检测电路，采用二极管D4实时检测门极状态，二极管D4的阳极连接待测IGBT的门极。作为本专利技术的一种改进，所述故障判断电路，根据门极电压与集电极电压的变化状态，判断是否发生短路故障，并向所述门逻辑电路输出故障信号，包括：电阻R2，电阻R3，电阻R4，P型开关管Q2，其中：电阻R2的一端与P型开关管Q1的集电极，P型开关管Q2的基极，电阻R3的一端相连；电阻R3的另一端连接参考电压Vref；电阻R2的另一端与二极管D4的阴极，P型开关管Q2的发射极相连，P型开关管Q2的集电极与电阻R4的一端相连，并输出故障信号Vfault；电阻R4的另一端与负驱动电压VEE相连。作为本专利技术的一种改进，所述P型开关管Q1和Q2采用开关速率较快功率开关器件，如BJT或MOSFET。作为本专利技术的一种改进，所述门逻辑电路，可采用与门或与非门芯片搭建逻辑电路，也可采用数字芯片FPGA/CPLD进行逻辑控制。一种IGBT短路故障快速保护方法，其特征在于，短路保护方法为：在待测IGBT开通瞬态，若门极电压上升至参考电压Vref时，集电极电压VCE保持为高电压，则短路检测电路识别短路故障，并快速关断待测IGBT。在待测IGBT导通状态，若门极出现电压尖峰，则短路检测电路识别短路故障，并快速关断待测IGBT。作为本专利技术的一种改进，所述短路检测电路包括：集电极检测电路，门极检测电路，故障判断电路；其中，集电极检测电路输入端检测电路检测集电极电压VCE，输出端与故障判断电路的第一输入端相连；门极检测电路输入端检测门极电压VG，输出端与故障判断电路的第二输入端相连；故障判断电路输出端输出故障信号Vfault。作为本专利技术的一种改进，所述短路检测电路识别短路故障的具体过程如下：当开通信号Vpwm为高电平时，若IGBT为正常开通，在门极电压VG上升至米勒平台前，集电极电压VCE仍为高电压，集电极检测电路输出电压为Vref，由于门极检测电路输出电压等于集电极检测电路输出电压，因而故障判断电路不输出短路故障信号；在进入米勒平台后，VCE将迅速下降至导通压降，则集电极检测电路输出电压为VCC，门极检测电路输出电压小于VCC，因而故障判断电路不输出短路故障，此后IGBT进入导通状态，VG继续上升至VCC，故障判断电路不输出短路故障信号；若IGBT在开通瞬态发生短路故障时，当门极电压VG上升至参考电压Vref时，集电极电压VCE保持为高电压，则集电极检测电路输出电压为Vref，此时门极检测电路输出电压大于集电极检测电路，故障判断电路输出短路故障信号，迅速将待测IGBT关断；若IGBT在导通状态发生短路故障时，集电极电流迅速上升，发射极电感产生感应电势，导致门极电压VG产生电压尖峰，门极检测电路输出电压高于VCC，由于集电极电压VCE仍为导通压降，集电极检测电路输出电压仍为正驱动电压VCC，因而故障判断电路输出短路故障信号，迅速将待测IGBT关断。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术根据短路故障对门极与集电极的影响，通过实时检测门极电压和集电极电压，快速判断短路故障，消除了传统退饱和方法中为防止正常开通过程发生的误报故障而设置的消隐时间，提高了短路的保护速率。本专利技术检测电路简单，且无需采用运算放大器进行参数提取，降低了电路成本与电路面积，通用性较好。附图说明以下将结合附图对本专利技术作进一步说明：图1为本专利技术的结构框图；图2为短路检测电路结构框图；图3为本专利技术的电路原理图；图4为IGBT正常开关时的波形原理图；图5为IGBT在开通瞬态发生短路保护的波形原理图；图6为IGBT在导通状态发生短路保护的波形原理图；图7为设置门极钳位电路的原理图；图8为设置门极钳位电路后IGBT在导通状态发生短路保护的波形原理图；图9为设置软关断电路的原理图；图10为IGBT在开通瞬态发生短路采用传统方法进行保护的实验波形；图11为IGBT在开通瞬态发生短路采用本专利技术进行保护的实验波形；图12为IGBT在导通状态发生短路采用传统方法进行保护的实验波形；图13为IGBT在导通状态发生短路采用本专利技术进行保护的实验波形；具体实施方式：为了能够更清楚地理解本
技术实现思路
，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术进行说明。实施例1：一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种IGBT短路故障快速保护电路，包括：短路检测电路，门逻辑电路和放大电路；所述短路检测电路，用于检测集电极电压和门极电压的状态，以判断是否发生短路故障，并输出故障信号给门逻辑电路；所述门逻辑电路，用于根据外部控制器的PWM开关信号与故障信号，判断需要开通还是关断待测IGBT，用于并向放大电路输出控制信号；所述放大电路，用于根据门逻辑电路输出的控制信号，向IGBT输出正驱动电压VCC或负驱动电压VEE，实现IGBT的开通与关断；其中：门逻辑电路接收开关信号Vpwm和故障信号Vfault，并向放大电路输出控制信号Vp；短路检测电路检测待测IGBT的集电极电压VCE和门极电压VG，并向门逻辑电路输出故障信号Vfault；放大电路接收控制信号Vp，输出端连接待测IGBT的门极。

【技术特征摘要】
1.一种IGBT短路故障快速保护电路，包括：短路检测电路，门逻辑电路和放大电路；所述短路检测电路，用于检测集电极电压和门极电压的状态，以判断是否发生短路故障，并输出故障信号给门逻辑电路；所述门逻辑电路，用于根据外部控制器的PWM开关信号与故障信号，判断需要开通还是关断待测IGBT，用于并向放大电路输出控制信号；所述放大电路，用于根据门逻辑电路输出的控制信号，向IGBT输出正驱动电压VCC或负驱动电压VEE，实现IGBT的开通与关断；其中：门逻辑电路接收开关信号Vpwm和故障信号Vfault，并向放大电路输出控制信号Vp；短路检测电路检测待测IGBT的集电极电压VCE和门极电压VG，并向门逻辑电路输出故障信号Vfault；放大电路接收控制信号Vp，输出端连接待测IGBT的门极。2.根据权利要求1所述的IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述短路检测电路，包括：集电极检测电路，门极检测电路，故障判断电路；其中：集电极检测电路输入端检测电路检测集电极电压VCE，输出端与故障判断电路的第一输入端相连；门极检测电路输入端检测门极电压VG，输出端与故障判断电路的第二输入端相连；故障判断电路输出端输出故障信号Vfault。3.根据权利要求2所述的IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述集电极检测电路，实时检测集电极电压状态，包括：二极管D1，二极管D2，二极管D3，电阻R1，电容C1，开关Q1；其中：二极管D1的阴极接待测IGBT的集电极，阳极与电阻R1的一端，电容C1的一端，二极管D2的阳极，二极管D3的阴极，P型开关管Q1的基极相连，电阻R1的另一端，二极管D2的阴极和P型开关管Q1的发射极与正驱动电压VCC相连；电容C1的另一端和二极管D3的阳极接地。4.根据权利要求2所述的IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述门极检测电路，采用二极管D4实时检测门极状态，二极管D4的阳极连接待测IGBT的门极。5.根据权利要求2所述的一种IGBT短路故障快速保护电路，其特征在于，所述故障判断电路，根据门极电压与集电极电压的变化状态，判断是否发生短路故障，并向所述门逻辑电路输出故障信号，包括：电阻R2，电阻R3，电阻R4，P型开关管Q2，其中：电阻R2的一端与P型开关管Q1的集电极，P型开关管Q2的基极，电阻R3的一端相连；电阻R3的另一端连接参考电压Vref；电阻R2的另一端与二极管D4的阴极，P型开关管Q2的发射极相连，P型开关管Q2的集电极与电阻R4的一端相连，并输出故...

【专利技术属性】
技术研发人员：张经纬，耿程飞，杜祥威，
申请(专利权)人：徐州中矿大传动与自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32