Igbt管保護(hù)方法、保護(hù)電路以及使用該保護(hù)電路的功率模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種IGBT管保護(hù)電路以及使用該保護(hù)電路的功率模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]智能功率模塊，即IPM(Intelligent Power Module)是一種將電力電子和集成電路技術(shù)結(jié)合的功率驅(qū)動(dòng)類(lèi)產(chǎn)品。智能功率模塊把功率開(kāi)關(guān)器件和高壓驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，與傳統(tǒng)分立方案相比，智能功率模塊以其高集成度、高可靠性等優(yōu)勢(shì)贏得越來(lái)越大的市場(chǎng)，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器及各種逆變電源，是變頻調(diào)速、伺服驅(qū)動(dòng)、電力牽引、冶金機(jī)械、變頻家電的一種理想電力電子器件。
[0003]IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣棚.雙極型晶體管)是智能功率模塊內(nèi)重要的器件，其額定驅(qū)動(dòng)電壓是15V(由智能功率模塊的電源電壓提供)，在該電壓下IGBT管一般工作在飽和區(qū)，集電極和發(fā)射極之間的電壓非常小，一般要小于5V。而IGBT管在導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降與其柵極驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)，在集電極電流不變的條件下，IGBT管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓在低于某一固定電壓時(shí)，IGBT管將進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)，導(dǎo)通時(shí)其集電極與發(fā)射極之間的集電極-發(fā)射極壓降Vce會(huì)呈指數(shù)級(jí)急劇上升，如圖1所示，其中，IC = 5A、Ic = 10A、Ic = 15A所指的三根曲線(xiàn)分別表示集電極電流為5A、1A和15A時(shí)的情況。這導(dǎo)致了 IGBT管在相同的電流下，發(fā)熱量急劇增加。在實(shí)際工作過(guò)程中，由于某些原因會(huì)造成智能功率模塊的工作電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)低于15V的情況，S卩IGBT管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓低于15V，此時(shí)智能功率模塊的IGBT管有可能會(huì)處在線(xiàn)性區(qū)，導(dǎo)致IGBT發(fā)熱量急劇增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞IGBT管，甚至智能功率模塊發(fā)生爆炸。
[0004]為解決這一問(wèn)題，現(xiàn)有大多數(shù)的智能功率模塊內(nèi)部均設(shè)置有電源電壓欠壓保護(hù)功能，即當(dāng)智能功率模塊的工作電壓(或驅(qū)動(dòng)電壓)低于欠壓保護(hù)值時(shí)，其內(nèi)部?jī)?nèi)置的欠壓保護(hù)電路觸發(fā)欠壓保護(hù)，使得智能功率模塊的內(nèi)部上橋臂和下橋臂的各IGBT管全部處于截止?fàn)顟B(tài)，從而起到保護(hù)智能功率模塊免受過(guò)熱而損壞的作用。
[0005]然而，對(duì)于不同的IGBT管來(lái)說(shuō)，集電極-發(fā)射極間壓降Vce與其柵源極驅(qū)動(dòng)電壓Vge的關(guān)系曲線(xiàn)也是不同的，不同的IGBT管在同一電流下進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)的柵源極驅(qū)動(dòng)電壓是不一樣的；而且即使是同一個(gè)IGBT管，隨著工作時(shí)間的增加，其集電極-發(fā)射極壓降Vce與其柵源極驅(qū)動(dòng)電壓Vce的關(guān)系曲線(xiàn)也會(huì)發(fā)生變化。
[0006]此外智能功率模塊一般包含上橋臂和下橋臂共有6個(gè)IGBT管，而設(shè)置的欠壓保護(hù)值往往是一個(gè)固定的值。假如智能功率模塊設(shè)的欠壓保護(hù)值并不恰當(dāng)，那么會(huì)發(fā)生以下兩種情況:(I)欠壓保護(hù)觸發(fā)值設(shè)置得過(guò)高，將導(dǎo)致智能功率模塊頻繁的發(fā)生欠壓保護(hù)，其內(nèi)部IGBT管頻繁的截止，使得系統(tǒng)無(wú)法正常工作；(2)欠壓保護(hù)觸發(fā)值設(shè)置得過(guò)低，那么智能功率模塊內(nèi)部的部分IGBT管或者全部IGBT管長(zhǎng)期處于線(xiàn)性區(qū)，其導(dǎo)通時(shí)發(fā)熱量過(guò)大，輕則會(huì)造成智能功率模塊的溫升過(guò)高而影響智能功率模塊的壽命，重則由于智能功率模塊內(nèi)部熱積聚過(guò)高而出現(xiàn)IGBT管損壞甚至炸毀。
[0007]因此，本領(lǐng)域亟需一種改善的用于IGBT管的保護(hù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種IGBT管保護(hù)方法，以解決【背景技術(shù)】中存在的不足。
[0009 ]本發(fā)明的IGBT管保護(hù)方法，包括以下步驟:
[0010]a)檢測(cè)IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓；
[0011]b)當(dāng)所述IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于一安全閾值時(shí)，產(chǎn)生欠壓保護(hù)控制信號(hào)；以及
[0012]c)所述欠壓保護(hù)控制信號(hào)關(guān)閉一驅(qū)動(dòng)電路，使所述IGBT管截止。
[0013]在上述IGBT管保護(hù)方法中，所述步驟a)還包括根據(jù)所述集電極-發(fā)射極電壓，產(chǎn)生電壓檢測(cè)信號(hào)；
[0014]所述步驟b)包括當(dāng)所述電壓檢測(cè)信號(hào)表示所述IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于所述安全閾值時(shí)，產(chǎn)生欠壓保護(hù)控制信號(hào)。
[0015]在上述IGBT管保護(hù)方法中，所述產(chǎn)生電壓檢測(cè)信號(hào)的步驟包括:
[0016]al)在所述IGBT管截止時(shí)，輸出表示所述IGBT管截止的所述電壓檢測(cè)信號(hào)；
[0017]a2)在所述IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓高于所述安全閾值時(shí)，輸出表示所述IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于所述安全閾值的所述電壓檢測(cè)信號(hào)；
[0018]a3)在所述IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓不高于所述安全閾值時(shí)，輸出表示所述IGBT管進(jìn)入飽和導(dǎo)通的所述電壓檢測(cè)信號(hào)。
[0019]在上述的IGBT管保護(hù)方法中，所述安全閾值大于或等于所述IGBT管集電極-發(fā)射極的飽和電壓。
[0020]在上述的IGBT管保護(hù)方法中，所述安全閾值等于所述IGBT管集電極-發(fā)射極的1.5倍。
[0021]本發(fā)明還提供一種IGBT管保護(hù)電路，包括:
[0022]欠壓保護(hù)控制信號(hào)產(chǎn)生電路，檢測(cè)一IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓，當(dāng)所述IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于一安全閾值時(shí)，產(chǎn)生欠壓保護(hù)控制信號(hào)；
[0023]驅(qū)動(dòng)電路，與所述欠壓保護(hù)控制信號(hào)產(chǎn)生電路耦接，根據(jù)所述欠壓保護(hù)控制信號(hào)，關(guān)閉所述驅(qū)動(dòng)電路，使所述IGBT管截止。
[0024]在上述的IGBT管保護(hù)電路中，欠壓保護(hù)控制信號(hào)產(chǎn)生電路包括:
[0025]電壓檢測(cè)電路，檢測(cè)所述IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓，在所述IGBT管截止時(shí)，輸出表示所述IGBT管截止的電壓檢測(cè)信號(hào)；在所述IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓高于所述安全閾值時(shí)，輸出表示所述IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于所述安全閾值的所述電壓檢測(cè)信號(hào);在所述IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓不高于所述安全閾值時(shí)，輸出表示所述IGBT管進(jìn)入飽和導(dǎo)通的所述電壓檢測(cè)信號(hào)；以及
[0026]欠壓保護(hù)電路，接收所述電壓檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)所述電壓檢測(cè)信號(hào)表示所述IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于所述安全閾值時(shí)，產(chǎn)生欠壓保護(hù)控制信號(hào)。
[0027]在上述的IGBT管保護(hù)電路中，所述電壓檢測(cè)電路包括:
[0028]高壓隔離電路，其輸入端連接到所述IGBT管的集電極與發(fā)射極，并輸出差分電壓信號(hào);所述IGBT管導(dǎo)通時(shí)，正常傳輸所述IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓;所述IGBT管截止時(shí)，將所述IGBT管集電極-發(fā)射極間的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓；
[0029]差分減法電路，與所述高壓隔離電路耦接，接收所述高壓隔離電路輸出的差分電壓信號(hào)，對(duì)差分電壓信號(hào)進(jìn)行減法處理后，輸出電壓壓差；以及
[0030]電壓選擇電路，其輸入端接收所述IGBT管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其輸出端與所述差分減法電路相連，當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)表示所述IGBT管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則所述電壓選擇電路使所述差分減法電路的輸出端輸出低于所述安全閾值的電壓信號(hào)作為電壓檢測(cè)信號(hào)，表示所述IGBT管工作于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)表示所述IGBT管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，則所述電壓選擇電路使所述差分減法電路的輸出端輸出所述IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓信號(hào)作為電壓檢測(cè)信號(hào)。
[0031]在上述的IGBT管保護(hù)電路中，所述欠壓保護(hù)電路包括一比較器，所述比較器的一個(gè)輸入端與所述電壓選擇電路的輸出端相連，所述比較器的另一個(gè)輸入端接收一參考電壓；當(dāng)所述電壓檢測(cè)信號(hào)大于所述參考電壓時(shí)，所述比較器輸出欠壓保護(hù)控制信號(hào)，以關(guān)閉所述驅(qū)動(dòng)電路;其中所述參考電壓等于所述安全閾值。
[0032]在上述的IGBT管保護(hù)電路中，所述安全閾值大于或等于所述IGBT管集電極-發(fā)射極的飽和電壓。
[0033]在上述的IGBT管保護(hù)電路中，所述安全閾值等于所述IGBT管集電極-發(fā)射極的1.5倍。
[0034]本發(fā)明還提供一種功率模塊，包括:
[0035]三個(gè)上橋臂IGBT管；
[0036]三個(gè)上橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)產(chǎn)生電路，與所述三個(gè)上橋臂IGBT管耦接，分別檢測(cè)三個(gè)所述上橋臂IGBT的集電極-發(fā)射極電壓，當(dāng)相應(yīng)的所述上橋臂IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于一安全閾值時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的上橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)；
[0037]三個(gè)上橋臂驅(qū)動(dòng)電路，分別連接在三個(gè)所述上橋臂IGBT管與三個(gè)所述上橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)產(chǎn)生電路之間，根據(jù)相應(yīng)的所述上橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)，關(guān)閉相應(yīng)的所述上橋臂驅(qū)動(dòng)電路，使相應(yīng)的所述上橋臂IGBT管截止；
[0038]三個(gè)下橋臂IGBT管；
[0039]三個(gè)下橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)產(chǎn)生電路，與三個(gè)所述下橋臂IGBT管耦接，分別檢測(cè)三個(gè)所述下橋臂IGBT的集電極-發(fā)射極電壓，當(dāng)相應(yīng)的所述下橋臂IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于一安全閾值時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的下橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)；以及
[0040]三個(gè)下橋臂驅(qū)動(dòng)電路，分別連接在三個(gè)所述下橋臂IGBT管與三個(gè)所述下橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)產(chǎn)生電路之間，根據(jù)相應(yīng)的所述下橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)，關(guān)閉相應(yīng)的所述下橋臂驅(qū)動(dòng)電路，使相應(yīng)的所述下橋臂IGBT管截止。
[0041]在上述的功率模塊中，所述上橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)產(chǎn)生電路包括:
[0042]上橋臂電壓檢測(cè)電路，檢測(cè)相應(yīng)所述上橋臂IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓，在相應(yīng)所述上橋臂IGBT管截止時(shí)，輸出表示相應(yīng)所述上橋臂IGBT管截止的上橋臂電壓檢測(cè)信號(hào)；在相應(yīng)所述上橋臂IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓高于所述安全閾值時(shí)，輸出表示相應(yīng)所述上橋臂IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于所述安全閾值的所述上橋臂電壓檢測(cè)信號(hào);在相應(yīng)所述上橋臂IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓不高于所述安全閾值時(shí)，輸出表示相應(yīng)所述上橋臂IGBT管進(jìn)入飽和導(dǎo)通的所述上橋臂電壓檢測(cè)信號(hào)；以及
[0043]上橋臂欠壓保護(hù)電路，接收所述上橋臂電壓檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)所述上橋臂電壓檢測(cè)信號(hào)表示相應(yīng)所述上橋臂IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于所述安全閾值時(shí)，產(chǎn)生上橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)；
[0044]所述下橋臂欠壓保護(hù)控制信號(hào)產(chǎn)生電路包括:
[0045]下橋臂電壓檢測(cè)電路，檢測(cè)相應(yīng)所述下橋臂IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓，在相應(yīng)所述下橋臂IGBT管截止時(shí)，輸出表示相應(yīng)所述下橋臂IGBT管截止的下橋臂電壓檢測(cè)信號(hào)；在相應(yīng)所述下橋臂IGBT管的集電極-發(fā)射極電壓高于所述安全閾值時(shí)，輸出表示相應(yīng)所述下橋臂IGBT管在導(dǎo)通時(shí)其所述集電極-發(fā)射極電壓高于所述