專利名稱：一種絕緣柵器件的保護電路的制作方法
技術領域：
一種絕緣柵器件的保護電路技術領域[0001]本實用新型涉及一種絕緣柵器件的保護電路。
背景技術：
[0002]絕緣柵雙極晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor,簡稱為 IGBT)目前已成為一種主流的功率半導體器件，是由雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor, 縮寫為BJT，又稱為半導體三極管)和金屬氧化物半導體場效應管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,縮寫為M0SFET)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高速、高輸入阻抗、易驅動和BJT的大電流、高耐壓、低通態(tài)壓降的特點。IGBT所具有的電壓型驅動、高輸入阻抗、開關速度快、開關功率損耗小、通態(tài)壓降小等一系列優(yōu)良特性，使其成為中、高功率開關電源、變頻器、逆變器、感應加熱、有源濾波器、家用電器等需要電能變換場合的理想功率開關器件。[0003]IGBT在運行過程中需要有保護電路對其進行保護控制，以防止其自身驅動系統(tǒng)或所處電力電子電路中的異常狀態(tài)使IGBT的工作電壓或者電流超過安全工作范圍，導致 IGBT損壞。傳統(tǒng)的IGBT的保護電路一般是監(jiān)測IGBT的集電極-發(fā)射極電壓Vce，在集電極-發(fā)射極電壓Vce超過預定值后觸發(fā)保護動作。這種IGBT的保護電路常常出現(xiàn)保護不及時的問題，特別是在IGBT串聯(lián)運行，串聯(lián)總電壓遠遠高于單個器件規(guī)定工作電壓的環(huán)境中，極易出現(xiàn)保護不及時的問題，即在保護動作前IGBT器件已被過壓擊穿。實用新型內容[0004]本實用新型所要解決的技術問題是彌補上述現(xiàn)有技術的不足，提出一種絕緣柵器件的保護電路，可以對絕緣柵器件起到及時有效的保護。[0005]本實用新型的技術問題通過以下的技術方案予以解決[0006]一種絕緣柵器件的保護電路，包括衰減電路，電壓隔離電路，轉換電路，比較電路和保護動作電路，所述絕緣柵器件的發(fā)射極連接接地端，所述衰減電路的輸入端連接所述絕緣柵器件的集電極，所述衰減電路的輸出端連接所述電壓隔離電路的輸入端，所述電壓隔離電路的輸出端連接所述轉換電路的輸入端，所述轉換電路的輸出端連接所述比較電路的一個輸入端，所述比較電路的另一輸入端接收閾值電壓，所述比較電路的輸出端連接所述保護動作電路的輸入端，所述保護動作電路的輸出端連接所述絕緣柵器件的控制極；所述衰減電路對所述絕緣柵器件的集電極-發(fā)射極電壓進行衰減處理后輸出衰減電壓至所述電壓隔離電路，所述電壓隔離電路對所述衰減電壓進行隔離處理后輸出隔離后電壓至所述轉換電路，所述轉換電路對所述隔離后電壓進行轉換處理后輸出與所述隔離后電壓的變化率成比例關系的轉換電壓，所述比較電路比較所述轉換電壓與所述閾值電壓的大小，在所述轉換電壓的絕對值大于所述閾值電壓的絕對值時輸出保護信號，所述保護動作電路根據(jù)所述保護信號控制所述絕緣柵器件開通。[0007]本實用新型與現(xiàn)有技術對比的有益效果是[0008]本實用新型的絕緣柵器件的保護電路，通過衰減電路，電壓隔離電路以及轉換電路，從而將絕緣柵器件的集電極-發(fā)射極電壓Vce轉變?yōu)殡妷鹤兓市盘?，由比較電路比較電壓變化率信號和閾值電壓，從而在電壓變化率超過閾值電壓時輸出保護信號控制絕緣柵器件開通，從而最大可能地避免過壓發(fā)生。這樣，即實現(xiàn)了對電壓變化趨勢的監(jiān)控，可提前判斷故障傾向，在出現(xiàn)高的電壓變化率時即可對絕緣柵器件進行保護，保護控制及時有效， 避免了傳統(tǒng)保護電路等到出現(xiàn)過壓時才開通絕緣柵器件進行保護造成的保護不及時問題。


[0009]圖I是本實用新型具體實施方式
一中的絕緣柵器件的保護電路的結構圖；[0010]圖2是本實用新型具體實施方式
一中的絕緣柵器件的保護方法的流程圖；[0011]圖3是本實用新型具體實施方式
二中的絕緣柵器件的保護電路的結構圖；[0012]圖4是本實用新型具體實施方式
三中的絕緣柵器件的保護電路的結構圖；[0013]圖5是本實用新型具體實施方式
四中的絕緣柵器件的保護電路的結構圖。
具體實施方式
[0014]下面結合具體實施方式
并對照附圖對本實用新型做進一步詳細說明。[0015]具體實施方式
一[0016]如圖I所示，為本具體實施方式
中的絕緣柵器件的保護電路的結構圖。保護電路包括衰減電路1，電壓隔離電路2，轉換電路3，比較電路4和保護動作電路5。[0017]其中，絕緣柵器件的發(fā)射極E連接接地端GND，衰減電路I的輸入端連接絕緣柵器件的集電極C，衰減電路I的輸出端連接電壓隔離電路2的輸入端，電壓隔離電路2的輸出端連接轉換電路3的輸入端，轉換電路3的輸出端連接比較電路4的一個輸入端，比較電路 4的另一輸入端接收閾值電壓Vth，比較電路4的輸出端連接保護動作電路5的輸入端，保護動作電路5的輸出端連接絕緣柵器件的控制極G。本具體實施方式
中絕緣柵器件為IGBT， 在其它實施方式中，絕緣柵器件也可以為MOSFET。[0018]衰減電路I對IGBT的集電極-發(fā)射極電壓Vce進行衰減處理后輸出衰減電壓Vp至電壓隔離電路2。衰減處理的衰減比例沒有特別要求，只需要將IGBT兩端通常為以千伏計的高電壓強電衰減為保護電路所能處理的弱電范疇(通常在30V以內)， 將強電信號衰減后即能用于后續(xù)電壓隔離電路2，轉換電路3，比較電路4的處理。如圖I所示，本具體實施方式
中，衰減電路I包括第一電阻Rl和第二電阻R2，第一電阻Rl的第一端作為衰減電路I的輸入端連接絕緣柵器件的集電極C，第二電阻R2的第一端連接接地端，第一電阻Rl的第二端與第二電阻R2的第二端相連，相連端作為衰減電路I的輸出端輸出衰減電壓Vp。衰減電路I衰減處理后得到的衰減電壓Vp=衰減系數(shù)滿足使得到的衰減電壓Vp在后續(xù)電壓隔離電路2，轉換電路3，比較電路4能處理電壓范圍內即可。當然，衰減電路I除通過上述兩個電阻組成的分壓電路實現(xiàn)外，還可以通過三個，四個甚至更多個的電阻分壓實現(xiàn)，或者其它具體電路結構實現(xiàn)。[0019]電壓隔離電路2對衰減電壓Vp進行隔離處理，即可防止衰減電路I中電流對后續(xù)轉換電路3以及比較電路4造成影響，同時也避免衰減電路I本身輸出的衰減電壓Vp如直接輸入至轉換電路3時，會對集電極-發(fā)射極電壓Vce的衰減動作有不期望的延遲，響應速度不足以滿足保護需要。如圖I所示，電壓隔離電路2為電壓跟隨電路，包括第一運算放大器Ul，第一運算放大器Ul的正向輸入端作為電壓隔離電路2的輸入端接收衰減電路I輸出的衰減電壓Vp，第一運算放大器Ul的反向輸入端連接第一運算放大器Ul的輸出端，第一運算放大器Ul的輸出端作為電壓隔離電路2的輸出端輸出隔離后電壓Vp’。由于選用電壓跟隨電路作為電壓隔離電路2，因此隔離后電壓Vp’可認為近似等于衰減電壓Vp。[0020]轉換電路3對隔離后電壓Vp’進行轉換處理得到與隔離后電壓Vp’的變化率成比例關系的轉換電壓Vq，即將采集的集電極-發(fā)射極電壓Vce電壓監(jiān)測對象轉換為電壓變化率監(jiān)測對象。如圖I所示，轉換電路3包括第一電容Cl，第三電阻R3和第二運算放大器 U2,第一電容Cl的第一端作為轉換電路3的輸入端接收隔離后電壓Vp’，第一電容Cl的第二端連接第二運算放大器U2的反向輸入端，第二運算放大器U2的正向輸入端連接接地端， 第三電阻R3連接在第二運算放大器U2的反向輸入端和輸出端之間，第二運算放大器U2的輸出端作為轉換電路3的輸出端輸出轉換電壓Vq。工作時，由于第二運算放大器U2負反饋的作用，第二運算放大器U2的反向輸入端電位近似為零，輸入的電壓Vp’通過第一電容Cl轉化為與電壓變化率#的值線性相關的電流i= Cbcf,而又因第二運算放大器U2輸d￡ dt入端輸入阻抗極高，此線性相關的電流i幾乎全部從第三電阻R3流過并產(chǎn)生輸出端轉換電壓Vq，因此轉換電壓Vq=_R3X i，也即Vq=-A3xClx^·,滿足轉換電壓Vq與隔離后電壓OiVp’的變化率成比例關系的條件，是成反比例關系。又因此，Vp’可認為近似等于衰減電壓 Vp，衰減電壓Vp是與IGBT的集電極-發(fā)射極電壓Vce成比例關系的，所以轉換電路3輸出得到的轉換電壓Vq即反應了 Vce的變化率γ。[0021 ] 比較電路4包括第三運算放大器U3，第三運算放大器U3的反向輸入端作為比較電路4的輸入端接收轉換電壓Vq，第三運算放大器U3的正向輸入端接收閾值電壓Vth，第三運算放大器U3的輸出端作為比較電路4的輸出端連接保護動作電路5的輸入端。閾值電壓Vth的設定根據(jù)IGBT的器件特性，應用故障特征，應用要求和特性綜合設定。比如，根據(jù)IGBT的參數(shù)以及工作電路要求得到IGBT的集電極-發(fā)射極電壓Vce的變化率γ不應大dtjn于閾值max=5000v/y S，則相應設定閾值電壓Vth=-_e3xClx iK.x^~^。本具體實施方R2 + R1式中，由于前級轉換電路3輸出的轉換電壓Vq與隔離后電壓Vp’的變化率成反比例關系，為負值，因此閾值電壓Vth也應為負值。工作時，如果Vce的變化率]一增大至超過其閾值dtmax,則衰減電壓Vp和隔離后電壓Vp’的變化率也增大，而轉換電壓Vq= - Jf3xdx^,所dt以轉換電壓Vq會由于的增大而變小至小于Vth時，此時轉換電壓Vq的絕對值會由于a￡￥的增大而變大至大于Vth的絕對值，此時第三運算放大器U3的輸出會從低電平轉變?yōu)?a￡高電平，也即比較電路4的輸出會從低電平轉變?yōu)楦唠娖?因為正向輸入的Vth較大)，該高電平即作為保護信號輸出給保護動作電路5。保護動作電路5即接收比較電路4輸出的高電平，輸出控制信號給IGBT的控制極G，從而控制IGBT開通。從整體來看，即實現(xiàn)了當IGBT的集電極-發(fā)射極電壓Vce的變化率一「較大超過其閾值max時，對應即開通IGBT從而保dt護IGBT。需說明的是，因發(fā)生的是過壓故障或有明顯的過壓故障傾向，因此保護動作是開通IGBT而不是關斷IGBT。上述故障情形下，如保護動作為關斷IGBT，會加劇故障狀態(tài)；但如為開通，才會在最大程度上避免過壓的發(fā)生。[0022]綜上所述，本具體實施方式
的絕緣柵器件的保護電路，在監(jiān)控絕緣柵器件的集電極-發(fā)射極電壓Vce時，將絕緣柵器件的集電極-發(fā)射極電壓Vce轉變?yōu)殡妷鹤兓蔰￡信號，實現(xiàn)對電壓變化率的有效監(jiān)控。而IGBT運行過程中由于其自身驅動系統(tǒng)或所處電力電子電路或系統(tǒng)中的異常狀態(tài)(如出現(xiàn)故障等)會導致IGBT兩端出現(xiàn)高電壓的過壓情形，而在Vce達到高電壓值的過壓情形之前，其變化率—即增大。這樣，通過本具體實施方式
對dt電壓變化率的有效監(jiān)控，從而可對某些可能引起高電壓故障情形提前判斷，在出現(xiàn)高電壓過壓情形之前即可對絕緣柵器件進行保護，從而對IGBT起到及時有效的保護，避免了單純的過壓保護電路對IGBT保護不及時的問題。[0023]本具體實施方式
中還提供一種絕緣柵器件的保護方法，如圖2所示，為保護方法的流程圖。保護方法包括以下步驟P1)衰減處理對絕緣柵器件的集電極-發(fā)射極電壓 Vce進行衰減處理得到衰減電壓Vp ;P2)隔離處理對步驟Pl)得到的衰減電壓Vp進行隔離處理后得到隔離后電壓Vp’ ；P3)轉換處理對步驟P2)得到的隔離后電壓Vp’進行轉換處理得到與隔離后電壓Vp’的變化率成比例關系的轉換電壓Vq ；P4)將步驟P3)得到的轉換電壓Vq與閾值電壓Vth進行比較，在轉換電壓Vq大于閾值電壓Vth時輸出保護信號；P5) 根據(jù)步驟P4)中輸出的保護信號控制絕緣柵器件開通。上述保護方法，可對電壓的變化率進行有效監(jiān)控，從而對某些可能引起高電壓故障情形提前判斷，對IGBT起到及時有效的保護，避免了單純的過壓保護電路對IGBT保護不及時的問題。[0024]具體實施方式
二[0025]本具體實施方式
與實施方式一的不同之處在于本具體實施方式
中，轉換電路3 由反比例電路和第一電容，第三電阻，第二運算放大器共同組成，相對于實施方式一中的轉換電路增加了反比例電路，因此，后級連接的比較電路4是正向輸入端接收轉換電壓，反向輸入端接收閾值電壓，閾值電壓為正值。[0026]如圖3所示，為本具體實施方式
中的絕緣柵器件的保護電路的結構圖。保護電路包括衰減電路1，電壓隔離電路2，轉換電路3，比較電路4和保護動作電路5。除轉換電路3 和比較電路4的組成與具體實施方式
一不同外，其余各組件的組成以及各組件之間的連接均同實施方式一相同，在此不重復說明，僅對不同之處轉換電路3和比較電路4的組成做詳細說明。[0027]如圖3所示，轉換電路3包括反比例電路，第一電容Cl，第三電阻R3和第二運算放大器U2，其中，反比例電路包括第四電阻R4，第五電阻R5和第四運算放大器U4。第四電阻R4的第一端作為轉換電路3的輸入端接收電壓隔離電路2的輸出端輸出的隔離后電壓 Vp’，第四電阻R4的第二端連接第四運算放大器U4的反向輸入端，第五電阻R5連接在第四運算放大器U4的反向輸入端和輸出端之間，第四運算放大器U4的輸出端連接第一電容Cl 的第一端，第一電容Cl的第二端連接第二運算放大器U2的反向輸入端，第二運算放大器 U2的正向輸入端連接接地端，第三電阻R3連接在第二運算放大器U2的反向輸入端和輸出端之間，第二運算放大器U2的輸出端作為轉換電路3的輸出端輸出轉換電壓Vq。工作時， 由于第四電阻R4，第五電阻R5和第四運算放大器U4組成的是反比例電路，反比例電路接收隔離后電壓Vp’，輸出電壓Vp’’即等于k XVp’，k表示反比例電路的反比例系數(shù)，為負數(shù)。優(yōu)選地，第四電阻R4與第五電阻R5阻值相等，反比例系數(shù)k=-l。這樣，反比例電路的輸出經(jīng)過后端的第一電容Cl,第三電阻R3,第二運算放大器U2的電壓轉換后,輸出轉換電壓
權利要求1.一種絕緣柵器件的保護電路，其特征在于包括衰減電路(1)，電壓隔離電路(2)，轉換電路(3)，比較電路(4)和保護動作電路(5)，所述絕緣柵器件的發(fā)射極(E)連接接地端，所述衰減電路(I)的輸入端連接所述絕緣柵器件的集電極(C)，所述衰減電路(I)的輸出端連接所述電壓隔離電路(2)的輸入端，所述電壓隔離電路(2)的輸出端連接所述轉換電路(3)的輸入端，所述轉換電路(3)的輸出端連接所述比較電路(4)的一個輸入端，所述比較電路(4)的另一輸入端接收閾值電壓(Vth)，所述比較電路(4)的輸出端連接所述保護動作電路(5)的輸入端，所述保護動作電路(5)的輸出端連接所述絕緣柵器件的控制極(G)；所述衰減電路(I)對所述絕緣柵器件的集電極-發(fā)射極電壓(Vce)進行衰減處理后輸出衰減電壓(Vp)至所述電壓隔離電路(2)，所述電壓隔離電路(2)對所述衰減電壓(Vp)進行隔離處理后輸出隔離后電壓(Vp’)至所述轉換電路(3)，所述轉換電路(3)對所述隔離后電壓(Vp’)進行轉換處理后輸出與所述隔離后電壓(Vp’)的變化率成比例關系的轉換電壓(Vq)，所述比較電路(4)比較所述轉換電壓(Vq)與所述閾值電壓(Vth)的大小，在所述轉換電壓(Vq)的絕對值大于所述閾值電壓(Vth)的絕對值時輸出保護信號，所述保護動作電路(5)根據(jù)所述保護信號控制所述絕緣柵器件開通。
2.根據(jù)權利要求I所述的絕緣柵器件的保護電路，其特征在于所述衰減電路(I)包括第一電阻(Rl)和第二電阻(R2)，所述第一電阻(Rl)的第一端作為所述衰減電路(I)的輸入端連接所述絕緣柵器件的集電極(C)，所述第二電阻(R2)的第一端連接所述接地端，第一電阻(Rl)的第二端與所述第二電阻(R2)的第二端相連，相連端作為所述衰減電路(I)的輸出端連接所述電壓隔離電路(2)的輸入端。
3.根據(jù)權利要求I所述的絕緣柵器件的保護電路，其特征在于所述電壓隔離電路(2)為電壓跟隨電路，包括第一運算放大器(U1)，所述第一運算放大器(Ul)的正向輸入端作為所述電壓隔離電路(2)的輸入端連接所述衰減電路(I)的輸出端，所述第一運算放大器(Ul)的反向輸入端連接所述第一運算放大器(Ul)的輸出端，所述第一運算放大器(Ul)的輸出端作為所述電壓隔離電路(2)的輸出端連接所述轉換電路(3)的輸入端。
4.根據(jù)權利要求I所述的絕緣柵器件的保護電路，其特征在于所述轉換電路(3)包括第一電容(Cl)，第三電阻(R3)和第二運算放大器(U2)，所述第一電容(Cl)的第一端作為所述轉換電路(3)的輸入端連接所述電壓隔離電路(2)的輸出端，所述第一電容(Cl)的第二端連接所述第二運算放大器(U2)的反向輸入端，所述第二運算放大器(U2)的正向輸入端連接所述接地端，所述第三電阻(R3)連接在所述第二運算放大器(U2)的反向輸入端和輸出端之間，所述第二運算放大器(U2)的輸出端作為所述轉換電路(3)的輸出端連接所述比較電路(4)的一個輸入端。
5.根據(jù)權利要求4所述的絕緣柵器件的保護電路，其特征在于所述比較電路(4)包括第三運算放大器(U3)，所述第三運算放大器(U3)的反向輸入端作為所述比較電路(4)的輸入端連接所述轉換電路(3)的輸出端，所述第三運算放大器(U3)的正向輸入端接收所述閾值電壓(Vth)，所述第三運算放大器(U3)的輸出端作為所述比較電路(4)的輸出端連接所述保護動作電路(5)的輸入端。
6.根據(jù)權利要求I所述的絕緣柵器件的保護電路，其特征在于所述轉換電路(3)包括反比例電路，第一電容(Cl)，第三電阻(R3)和第二運算放大器(U2)，所述反比例電路包括第四電阻(R4)，第五電阻(R5)和第四運算放大器(U4);所述第四電阻(R4)的第一端作為所述轉換電路(3)的輸入端連接所述電壓隔離電路(2)的輸出端，所述第四電阻(R4)的第二端連接所述第四運算放大器(U4)的反向輸入端，所述第五電阻(R5)連接在所述第四運算放大器(U4)的反向輸入端和輸出端之間，所述第四運算放大器(U4)的輸出端連接所述第一電容(Cl)的第一端，所述第一電容(Cl)的第二端連接所述第二運算放大器(U2)的反向輸入端，所述第二運算放大器(U2 )的正向輸入端連接所述接地端，所述第三電阻(R3 )連接在所述第二運算放大器(U2)的反向輸入端和輸出端之間，所述第二運算放大器(U2)的輸出端作為所述轉換電路(3)的輸出端連接所述比較電路(4)的一個輸入端。
7.根據(jù)權利要求I所述的絕緣柵器件的保護電路，其特征在于所述轉換電路(3)包括反比例電路，第一電容(Cl)，第三電阻(R3)和第二運算放大器(U2)，所述反比例電路包括第四電阻(R4)，第五電阻(R5)和第四運算放大器(U4);所述第一電容(Cl)的第一端作為所述轉換電路(3)的輸入端連接所述電壓隔離電路(2)的輸出端，所述第一電容(Cl)的第二端連接所述第二運算放大器(U2)的反向輸入端，所述第二運算放大器(U2)的正向輸入端連接所述接地端，所述第三電阻(R3)連接在所述第二運算放大器(U2)的反向輸入端和輸出端之間，所述第二運算放大器(U2)的輸出端連接所述第四電阻(R4)的第一端，所述第四電阻(R4)的第二端連接所述第四運算放大器(U4)的反向輸入端，所述第五電阻(R5)連接在所述第四運算放大器(U4)的反向輸入端和輸出端之間，所述第四運算放大器(U4)的輸出端作為所述轉換電路(3)的輸出端連接所述比較電路(4)的一個輸入端。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的絕緣柵器件的保護電路，其特征在于所述比較電路(4)包括第三運算放大器(U3)，所述第三運算放大器(U3)的正向輸入端作為所述比較電路(4)的輸入端連接所述轉換電路(3)的輸出端，所述第三運算放大器(U3)的反向輸入端接收所述閾值電壓(Vth)，所述第三運算放大器(U3)的輸出端作為所述比較電路(4)的輸出端連接所述保護動作電路(5)的輸入端。
9.根據(jù)權利要求8所述的的絕緣柵器件的保護電路，其特征在于所述保護電路還包括第一二極管(Dl )，所述第一二極管(Dl)的陽極連接所述第三運算放大器(U3)的輸出端，所述第一二極管(Dl)的陰極連接所述第三運算放大器(U3)的正向輸入端。
專利摘要本實用新型公開了一種絕緣柵器件的保護電路，保護電路包括衰減電路，電壓隔離電路，轉換電路，比較電路和保護動作電路；衰減電路對絕緣柵器件的集電極-發(fā)射極電壓進行衰減處理后輸出衰減電壓至電壓隔離電路，電壓隔離電路對衰減電壓進行隔離處理后輸出隔離后電壓至轉換電路，轉換電路對隔離后電壓進行轉換處理后輸出與隔離后電壓的變化率成比例關系的轉換電壓，比較電路比較轉換電壓與閾值電壓的大小，在轉換電壓的絕對值大于閾值電壓的絕對值時輸出保護信號，保護動作電路根據(jù)保護信號控制絕緣柵器件開通。本實用新型通過將絕緣柵器件的集電極-發(fā)射極電壓Vce轉變?yōu)殡妷鹤兓市盘?，可提前判斷故障傾向，保護控制及時有效。
文檔編號H03K17/08GK202818251SQ20122029871
公開日2013年3月20日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權日2012年6月25日
發(fā)明者張學強, 和巍巍, 傅俊寅, 汪之涵 申請人:深圳青銅劍電力電子科技有限公司