功率器件退饱和保护电路及其保护阈值电压确定方法技术

本发明专利技术涉及电力电子电路技术领域，具体公开了一种功率器件退饱和保护电路及其保护阈值电压确定方法，电路包括消隐电容C2、二极管D2、电阻R1、二极管D1、稳压管VZ1、非门电路和NMOS管；驱动芯片DESAT引脚通过消隐电容C2接地，且在消隐电容C2上反向并联有二极管D2；驱动芯片DESAT引脚还经过电阻R1后正向串接二极管D1，且在二极管D1的阴极反串稳压管VZ1后再采集功率器件漏极/集电极的电压信号；驱动芯片DESAT引脚还连接在NMOS管的漏极上，NMOS管的源极接地，所述非门电路用于采集功率器件的驱动信号，并将采集的驱动信号反向后驱动所述NMOS管的通断。其效果是：使得退饱和保护响应更加精准及时，提升系统安全性和稳定性。提升系统安全性和稳定性。提升系统安全性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
功率器件退饱和保护电路及其保护阈值电压确定方法


[0001]本专利技术涉及电力电子电路
，尤其涉及一种功率器件退饱和保护电路及其保护阈值电压确定方法。

技术介绍

[0002]在电力电子电路中通常用到IGBT管和MOS管等功率器件，这些器件在正常工作时往往处于饱和区，当工作电流上升时，功率器件的端电压也会随之上升，以IGBT器件而言，当IGBT所处的桥臂发生短路而使得流过IGBT的电流上升到额定电流的4～5倍时，IGBT会发生退饱和现象(对应的IGBT端电压即为退饱和电压)，IGBT的端电压会急剧上升到母线电压，从而造成IGBT/MOSFET损坏，因此在运用过程中通常都配置有退饱和电路。
[0003]现有技术中通常采用图1所示的退饱和电路，结合图2所示的型号为IED020I12
‑
F2的驱动芯片内部电路结构可以看出，当光隔离或者磁隔离驱动输入端给高电平时，DESAT引脚内部下拉MOS管将断开与GND2的连接，开始利用DESAT引脚内部恒流源对该引脚处的电容充电，在一定的充电时间内，如果功率器件正常打开，DESAT引脚电压将钳位在2.5V左右(V
RES
+V
diodes
+V
ce
‑
sat
)。
[0004]但是现有技术通常存在以下问题：
[0005]其一：驱动芯片DESAT引脚内部恒流源开始使能的前提是：接收到来自驱动芯片原边控制端驱动信号，即使能恒流源对外部电容充电检测功率器件是否进入退饱和状态。而由于芯片内部本身的传播延迟，以及OUT引脚外围电路如电阻、Booster开通延迟，造成实际驱动脉冲信号并未到达外部功率器件栅极，使得DESAT引脚在检测功率器件是否进入退饱和状态的时机存在逻辑性错误，即功率器件并未开通(V
ce
＝V
basbar
)，而DESAT引脚已经开始执行V
ce
检测功能，从而导致触发误报警。
[0006]其二：技术人员为规避上述问题，解决办法是增加DESAT引脚电容值，即增加DESAT检测消隐时间，一般7
‑
10us。这样带来的第二个风险是，如果功率器件本身或者其所在系统，在其开通过程中即出现短路事件，则驱动芯片DESAT引脚还处于消隐时间内，内部恒流源还在对外部电容缓慢充电过程中，难以准确有效适时响应保护。同时一般IGBT模块的短路耐受时间为10us以内，MOSFET 3us左右，增加消隐时间将难以实现短路保护。
[0007]此外，一般行业内工程师会根据驱动芯片厂家的推荐进行DESAT检测阈值的设置。驱动芯片厂家的推荐阈值的依据是：驱动芯片内部DESAT功能电路检测阈值一般9V或者7V，导致工程师在设计驱动电路的短路保护时，认为IGBT或者MOSFET的V
ce
或者V
DS
电压上升到7V左右即认为功率器件进入退饱和状态。

技术实现思路

[0008]针对上述问题，本专利技术首先提供一种功率器件退饱和保护电路，同时根据功率器件的传输特性判断其进入退饱和区的电压保护阈值。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案是：
[0010]一种功率器件退饱和保护电路，其关键在于，包括消隐电容C2、二极管D2、电阻R1、二极管D1、稳压管VZ1、非门电路和NMOS管；驱动芯片DESAT引脚通过消隐电容C2接地，且在消隐电容C2上反向并联有二极管D2；驱动芯片DESAT引脚还经过电阻R1后正向串接二极管D1，且在二极管D1的阴极反串稳压管VZ1后再采集功率器件漏极/集电极的电压信号；驱动芯片DESAT引脚还连接在NMOS管的漏极上，NMOS管的源极接地，所述非门电路用于采集功率器件的驱动信号，并将采集的驱动信号反向后驱动所述NMOS管的通断。
[0011]可选地，通过采样实际到达功率器件栅极的驱动信号来执行退饱和保护且响应时间小于1us。
[0012]可选地，通过改变所述稳压管VZ1的型号调整稳压管VZ1的稳压电压值。
[0013]可选地，所述功率器件为IGBT管或SiC MOSFET管，所述稳压管VZ1的正极连接在IGBT管的集电极上或SiC MOSFET管的漏极上。
[0014]此外，本专利技术还提出一种功率器件退饱和保护电路保护阈值电压确定方法，用于克服现有技术中DESAT引脚消隐电容过大和保护阈值设置错误所造成的保护不及时和保护动作无效的弊端，具体而言，包括以下步骤：
[0015]S1：根据应用场景确定功率器件最大结温T
J(max)
和实际工作中功率器件所在系统允许的最大壳温T
c
；
[0016]S2：确定系统结温到壳温的热阻R
J
‑
c(max)
以及最大结温时对应的最大导通电阻R
DS(on)max
@T
J(max)
；
[0017]S3：按照计算功率器件耗散功率P
D
；
[0018]S4：按照计算漏极连续电流I
D
；
[0019]S5：在功率传输特性曲线图中根据漏极连续电流I
D
和驱动信号的驱动电压V
GS
确定功率器件正常导通管压降并作为保护电压阈值。
[0020]可选地，利用步骤S5所确定的保护电压阈值来确定前文所述功率器件退饱和保护电路中稳压管VZ1的型号，使得Vdesat＝V
R1
+V
D1+
V
vz1
+V
CE/DS
，其中：
[0021]Vdesat为驱动芯片DESAT引脚电压值，V
R1
为驱动芯片恒流源流过电阻R1的压降；V
D1
为二极管D1的正常导通压降，V
vz1
为所选用的稳压管VZ1的稳压电压值，V
CE/DS
为步骤S5所确定的保护电压阈值。
[0022]本方法所适用的功率器件为IGBT管或SiC MOSFET管。
[0023]可选地，通过减小消隐电容C2的容值缩小退饱和保护响应时间。
[0024]本专利技术的效果是：
[0025](1)通过在功率器件退饱和保护电路中增加NMOS管，当驱动芯片信号侧的驱动信号经过层层传递到达功率器件的门极时，此时退饱和检测功能可以精准、实时开启或关闭退饱和检测功能。这样避免了：驱动信号还在芯片内部以及外部Booster电路传播过程，并未到达功率器件门极时(功率器件还未开通)，驱动芯片内部DESAT检测就已经检测功率器件V
ds
，造成误报警：尤其是在功率器件为SiC MOSFET，和Si基MOSFET等具备快速导通时间的功率器件尤为突出。
[0026](2)通过在功率器件退饱和保护电路中增设稳压管，在功率器件开通过程中，抬高
了DESAT引脚预充电压，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率器件退饱和保护电路，其特征在于，包括消隐电容C2、二极管D2、电阻R1、二极管D1、稳压管VZ1、非门电路和NMOS管；驱动芯片DESAT引脚通过消隐电容C2接地，且在消隐电容C2上反向并联有二极管D2；驱动芯片DESAT引脚还经过电阻R1后正向串接二极管D1，且在二极管D1的阴极反串稳压管VZ1后再采集功率器件漏极/集电极的电压信号；驱动芯片DESAT引脚还连接在NMOS管的漏极上，NMOS管的源极接地，所述非门电路用于采集功率器件的驱动信号，并将采集的驱动信号反向后驱动所述NMOS管的通断。2.根据权利要求1所述的功率器件退饱和保护电路，其特征在于，通过采样实际到达功率器件栅极的驱动信号来执行退饱和保护且响应时间小于1us。3.根据权利要求1所述的功率器件退饱和保护电路，其特征在于，通过改变所述稳压管VZ1的型号调整稳压管VZ1的稳压电压值。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的功率器件退饱和保护电路，其特征在于，所述功率器件为IGBT管或SiC MOSFET管，所述稳压管VZ1的正极连接在IGBT管的集电极上或SiC MOSFET管的漏极上。5.一种功率器件退饱和保护电路保护阈值电压确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据应用场景确定功率器件最大结温T
J(max)
和实际工作中功率器件所在系统允许的最大壳温T
c
；S2：确定系统结温到壳温的热阻R
J
‑
c(max)
以及最大结温时对应的最大导通电阻R

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿先奇，包清山，倪志，侯祎，陈波，袁强，宋广红，
申请(专利权)人：重庆前卫无线电能传输研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：