專利名稱：一種igbt模塊的短路保護模塊及保護方法
技術領域：
本發(fā)明涉及絕緣柵雙極型晶體管的使用領域，具體地涉及一種絕緣柵雙極型晶體管的短路保護模塊及保護方法。
背景技術：
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)具有高頻率、高電壓、大電流、尤其是容易開通和關斷的性能特點，是國際上公認的電カ電子技術第三次革命的最具代表性的產(chǎn)品，至今已經(jīng)發(fā)展到第六代，商業(yè)化已發(fā)展到第五代。目前，IGBT已廣泛應用于國民經(jīng)濟的各行業(yè)中。IGBT在工作時，短路狀態(tài)對IGBT是最危險的狀態(tài)。而IGBT的短路狀態(tài)又分為ー 類短路和ニ類短路。對于ー類短路狀態(tài)，即由于IGBT自身原因引起的短路，請參見圖1，此時電流不通過負載，直接通過上下橋臂流通，見圖中曲線箭頭所示，不僅會引起IGBT模塊的大量發(fā)熱，同時，在關斷期間會造成很大的電壓過沖；對于ニ類短路狀態(tài)，即由于負載原因引起的短路，見圖示中的折線箭頭，此時電流從IGBT的輸出端直接接地，而驅動電路本身很難進行檢測。所以，提高應用過程中IGBT模塊的短路檢測及保護技術已經(jīng)至關重要。目前應用中主要采用的方法是，檢測工作狀態(tài)中IGBT模塊集電極發(fā)射極之間電壓Vce，然后，根據(jù)生產(chǎn)商參數(shù)數(shù)據(jù)中的Vcesat，設定ー個閾值，當檢測到Vce大于閾值則輸出保護信號，驅動電路進行保護關斷。但是現(xiàn)有的這種短路保護方法存在以下缺點(I)根據(jù)生產(chǎn)商參數(shù)數(shù)據(jù)中的Vcesat設定閾值，若選定不合適的閾值，在應用中，由于ー類短路狀態(tài)出現(xiàn)吋，Vce上升速度在納秒時間內(nèi)已達到很大的電壓，當檢測電路檢測到短路吋，IGBT模塊的短路功耗已經(jīng)造成很大損傷。(2)當應用中出現(xiàn)ニ類短路時，電流上升速度較慢，采用Vce閾值檢測法，IOus (一般廠商承諾可以承受的短路時間)內(nèi)檢測不到短路狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出ー種IGBT模塊短路的保護模塊和保護方法，能夠解決現(xiàn)有的大功率IGBT模塊在出現(xiàn)ー類短路和ニ類短路時的檢測缺陷，提高IGBT模塊運行的可靠性。根據(jù)本發(fā)明的目的提出的ー種IGBT模塊的短路保護模塊，包括電壓檢測模塊，連接于所述主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間，測量該主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓，并發(fā)送電壓測量結果；比較模塊，連接所述電壓檢測模塊，接受并處理電壓檢測模塊的測量結果，并將該測量結果與一電壓預設值進行比較，生成電壓比較結果；控制模塊，當所述電壓比較結果為測量結果大于預設值時，該控制模塊對該IGBT模塊進行分階段關斷。
優(yōu)選的，所述IGBT模塊的柵極連接在一驅動電路上，所述控制模塊連接所述驅動電路，所述分階段關斷是通過對該驅動電路輸出一個分階段關斷信號實現(xiàn)。優(yōu)選的，進ー步包括濾波模塊，連接在所述電壓檢測模塊上，對所述電壓測量結果中存在振蕩的部分進行過濾。優(yōu)選的，進ー步包括電流測量模塊，連接并測量主集電極電流，并將電流測量結果輸出給比較模塊。優(yōu)選的，該比較模塊將該電流測量結果與所述IGBT模塊的最大工作電流進行比較，并將比較結果輸出給控制模塊，該控制模塊依據(jù)該比較結果生成一延遲信號。同時，本發(fā)明還提出了ー種使用上述的短路保護模塊對IGBT模塊進行短路保護
的方法，包括步驟I)測量主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓，生成實時的電壓測量結果；2 )對所述電壓測量結果與一電壓預設值進行比較，如果該電壓測量結果大于電壓預設值，則進入步驟3);如果該電壓測量結果小于電壓預設值，則返回步驟I)；3)對IGBT模塊進行分階段關斷。優(yōu)選的，在步驟I)中，還包括對電壓測量結果進行濾波，將所述電壓測量結果中存在振蕩的部分進行過濾。優(yōu)選的，在測量主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓的同時，還包括測量IGBT模塊的集電極電流，并生成電流測量結果。進ー步地，將所述電流測量結果與IGBT模塊的最大工作電流進行比較，如果電流測量結果小于該最大工作電流，則延遲進行步驟3);如果電流測量結果大于該最大工作電流，則進行步驟3)。上述的短路保護模塊和方法，其原理是利用了 IGBT模塊中，主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的寄生電感，在出現(xiàn)大電流變化時產(chǎn)生的感生電壓，通過測量該電壓來判定IGBT模塊短路狀態(tài)。由于IGBT模塊エ藝是很成熟的エ藝，因此制作得到的IGBT模塊的穩(wěn)定性和一致性也比較高，相比較現(xiàn)有的利用測量Vce的手段來檢測短路狀態(tài)，測量IGBT自身攜帯的寄生電感產(chǎn)生的感生電壓，可以更加有效和準確的得到ー類短路和ニ類短路的狀態(tài)。因此本發(fā)明的短路保護模塊和保護方法，可以降低IGBT模塊運行中由于短路造成的損壞、提高IGBT模塊應用中的安全性以及提高用戶整個應用系統(tǒng)的安全性。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是現(xiàn)有的IGBT模塊中發(fā)生ー類短路和ニ類短路的說明圖；圖2是ー種IGBT模塊的電路示意圖；圖3是本發(fā)明的IGBT模塊的短路保護模塊示意圖。
具體實施方式
正如背景技術中提到的，在現(xiàn)有的IGBT模塊的短路保護技術中，往往是通過測量發(fā)射極和集電極之間的電壓Vce來判定IGBT模塊的短路狀態(tài)。然而這種方法在遇到ー類短路或ニ類短路時，都存在判斷上的缺陷，導致IGBT模塊仍然可能因短路而引起的燒毀。因此，本發(fā)明提出了一種全新的IGBT模塊的短路保護技木。在本發(fā)明中，使用測量IGBT模塊中主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓代替原先的Vce，通過對該電壓的檢測來判定IGBT模塊的短路狀態(tài)。由于主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓實質(zhì)是兩者之間寄生電感在電流遭遇大值突變時出現(xiàn)的感生電壓，因此其反應靈敏且對短路狀態(tài)的反映結果也十分準確，能夠很好的解決現(xiàn)有技術中的缺陷。下面將通過具體實施方式
對本發(fā)明的技術方案作詳細描述。請參見圖2，圖2是ー種IGBT模塊的電路示意圖。如圖所示，該IGBT模塊10具有主發(fā)射極11、主集電極12、柵極15、輔助發(fā)射極13和輔助集電極14。這里輔助發(fā)射極13和輔助集電極14分別是從主發(fā)射極11和主集電極12上通過引線エ藝拖出來的兩個薄電極，這兩個電極在IGBT模塊中一般不接工作負載，其主要作用是用來測量IGBT模塊工作時的 各電極之間的電壓。由于輔助發(fā)射極13和主發(fā)射極11之間，以及輔助集電極14和主集電極12之間，使用引線連接，因此無法避免的會存在ー個寄生電感，如圖示中的電感16和電感17。這兩個寄生電感16、17的電感值非常小，通常在10-9亨的數(shù)量級，因此在正常工作時，輔助發(fā)射極13和主發(fā)射極11之間，以及輔助集電極14和主集電極12之間的電壓幾乎不會被感知。但是由于IGBT模塊往往工作在大電流(近千安)和大電壓(上千伏)的環(huán)境下，當發(fā)生短路吋，電流瞬時的變化可以達到幾千安培，此時，該寄生電感產(chǎn)生的感應電動勢也能夠達到幾十伏持。因此當發(fā)生短路時，主發(fā)射極11和輔助發(fā)射極13之間的電壓能夠被很容易的測量得到。根據(jù)上述原理，本發(fā)明提出了通過測量主發(fā)射極11和輔助發(fā)射極13之間的電壓來達到判定短路狀態(tài)的短路保護裝置，請參見圖3，圖3是本發(fā)明的IGBT模塊的短路保護模塊示意圖。如圖所示，該短路保護模塊包括電壓檢測模塊20，連接于所述主發(fā)射極11和輔助發(fā)射極13之間，測量該主發(fā)射極11和輔助發(fā)射極13之間的電壓，并將測量得到的電壓發(fā)送給比較模塊30。比較模塊30連接在電壓檢測模塊20上，該比較模塊30將來自電壓檢測模塊20發(fā)送過來的測量電壓進行處理，主要是將測量電壓與一電壓預設值進行比較，并生成電壓比較結果。這里的電壓預設值是預先存儲在比較模塊30中的ー個電壓值，該電壓預設值至少要大于IGBT導通時，管子的發(fā)射極和集電極之間的電壓Vce。電壓預設值的選擇取決于不同的應用場合，選擇時，不能選取大大的電壓預設值，這樣容易短路持續(xù)時間過長而導致器件燒毀。也不能選擇過小的電壓預設值，因為對于IGBT模塊來說，即使穩(wěn)定在工作狀態(tài)下，其電流仍然會有波動，這些波動也會使得寄生電感產(chǎn)生感生電壓，因此如果電壓預設值選擇過小，會使得短路保護模塊出現(xiàn)許多誤操作?？刂颇K40，當所述電壓比較結果為測量結果大于預設值時，該控制模塊對該IGBT模塊進行分階段關斷。即當主發(fā)射極11和輔助發(fā)射極13之間得電壓大于電壓預設值吋，應當判定此時IGBT模塊處于短路狀態(tài)，需要馬上控制IGBT的驅動電路50進行分階段關斷。具體的，IGBT模塊的柵極15通常作為輸入端，會連接ー個驅動電路50，該驅動電路50能夠驅動IGBT進行工作。當控制模塊提供給該驅動電路50 —個分階段關斷信號吋，驅動電路50開始分幾段的對IGBT模塊進行關斷，這里的分階段是指，由于IGBT工作在大電流大電壓下，如果ー下子關斷，會使得IGBT中的電流變化過大，從而導致IGBT損壞，因此需要逐漸的減小IGBT的驅動電壓，使得IGBT具有ー個緩和的過程。在一種優(yōu)選的實施方式中，在電壓檢測模塊20上還連接ー個濾波模塊60,用以對電壓測量結果中存在振蕩的部分進行過濾。正如上文中提到的，由于電流存在波動，尤其是在IGBT開啟和關斷的過程中，電流的波動十分明顯，因此引發(fā)寄生電感16產(chǎn)生的感生電壓也十分明顯，這部分感生電壓的ー個特征就是具有振蕩性，如果不對該由于電流正常波動引發(fā)的感生電壓進行過濾的話，會使得短路保護模塊經(jīng)常出現(xiàn)誤操作。因此該濾波模塊60的作用就是把處于振蕩的測量電壓進行過濾。在另ー種優(yōu)選的實施方式下，還包括用來測量集電極電流的電流測量模塊70，連接并測量主集電極12的電流，并將電流測量結果輸出給比較模塊30。該比較模塊30將該電流測量結果與所述IGBT模塊的最大工作電流進行比較，并將比較結果輸出給控制模塊40，該控制模塊依據(jù)該比較結果生成一延遲信號。在ー些特殊的場合下，比如IGBT模塊開啟過程或者具有變檔功能的IGBT模塊處于電流變檔時，集電極的輸出電流也會有ー個相對緩慢上升(幾十個微秒)的過程，這種電流的變化與ニ類短路的狀況非常相似。因此需要鑒別IGBT模塊到底是處于ニ類短路還是處于正常的工作。這種鑒別就需要對集電極的輸出電流進行測量，如果電流經(jīng)過變化后，仍處于IGBT模塊所能接受的最大工作電流下，則不需要對IGBT模塊進行關斷，反之一旦超出該最大工作電流，就可以判定該IGBT處于短路狀態(tài)，此時需要馬上對IGBT實施關斷處理。根據(jù)上述分析，從電壓檢測模塊20檢測到電壓超標，再到判定為真正短路進行關斷，這期間會有一個延遲，這個延遲需要控制模塊40通過給出延遲信號來控制驅動電路50對IGBT模塊的延遲關斷。至于ー類短路，由于ー類短路的特點是電流在短時間(納秒級別)之內(nèi)就能達到千安等級，因此對于ー類短路，幾乎不產(chǎn)生延遲，從短路實際發(fā)生到檢測到短路狀態(tài)，再到控制驅動電路進行關斷，在一個很短的時間內(nèi)就完勝了整個過程。需要說明的是，在以上實施方式中，IGBT模塊中例舉了只有一個管子的情況，在實際應用中，ー個IGBT模塊往往集成了多個管子，本領域技術人員可以依據(jù)本發(fā)明的實施例擴展到多個管子的情況。下面在對應用上述IGBT模塊的短路保護模塊進行短路保護的方法進行描述。首先利用電壓測量模塊對主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓進行測量，生成實時的電壓測量結果；通過比較模塊對上述電壓測量結果與電壓預設值進行比較，如果該電壓測量結果大于電壓預設值，則說明IGBT模塊處于短路狀態(tài)，控制模塊控制驅動電路對IGBT模塊進行 分階段關斷；反之，如果測量的電壓小于電壓預設值則說明IGBT處于正常工作狀態(tài)，繼續(xù)對主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓進行測量監(jiān)視。較優(yōu)得，在對主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓進行測量時，還包括對電壓測量結果進行濾波，將所述電壓測量結果中存在振蕩的部分進行過濾。排除因電流正常變動引起的振湯感生電壓。較優(yōu)得，在測量主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓的同時，還包括測量IGBT模塊的集電極電流，并生成電流測量結果。將所述電流測量結果與IGBT模塊的最大工作電流進行比較，如果電流測量結果小于該最大工作電流，則說明IGBT處于正常工作狀態(tài)，需要延遲進行關斷處理；反之，若電流已經(jīng)超過IGBT所能承受的最大范圍，則可以確定此時已經(jīng)發(fā)生短路，馬上進行關斷的處理。綜上所述，本發(fā)明提出了ー種IGBT模塊的短路保護模塊和保護方法，利用了 IGBT模塊中，主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的寄生電感，在出現(xiàn)大電流變化時產(chǎn)生的感生電壓，通過測量該電壓來判定IGBT模塊短路狀態(tài)。由于IGBT模塊エ藝是很成熟的エ藝，因此制作得到的IGBT模塊的穩(wěn)定性和一致性也比較高，相比較現(xiàn)有的利用測量Vce的手段來檢測短路狀態(tài)，測量IGBT自身攜帯的寄生電感產(chǎn)生的感生電壓，可以更加有效和準確的得到ー類短路和ニ類短路的狀態(tài)。因此本發(fā)明的短路保護 模塊和保護方法，可以降低IGBT模塊運行中由于短路造成的損壞、提高IGBT模塊應用中的安全性以及提高用戶整個應用系統(tǒng)的安全性。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權利要求
1.一種IGBT模塊的短路保護模塊，所述IGBT模塊包括主發(fā)射極、主集電極、柵極、輔助發(fā)射極和輔助集電極，其特征在于所述短路保護裝置包括 電壓檢測模塊，連接于所述主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間，測量該主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓，并發(fā)送測量結果； 比較模塊，連接所述電壓檢測模塊，接受并處理電壓檢測模塊的測量結果，并將該測量結果與一電壓預設值進行比較，生成電壓比較結果； 控制模塊，當所述電壓比較結果為測量結果大于預設值時，該控制模塊對該IGBT模塊進行分階段關斷。
2.如權利要求I所述的短路保護模塊，其特征在于所述IGBT模塊的柵極連接在一驅動電路上，所述控制模塊連接所述驅動電路，所述分階段關斷是通過對該驅動電路輸出一個分階段關斷信號實現(xiàn)。
3.如權利要求I所述的短路保護模塊，其特征在于進一步包括濾波模塊，連接在所述電壓檢測模塊上，對所述電壓測量結果中存在振蕩的部分進行過濾。
4.如權利要求I所述的短路保護模塊，其特征在于進一步包括電流測量模塊，連接并測量主集電極電流，并將電流測量結果輸出給比較模塊。
5.如權利要求4所述的短路保護模塊，其特征在于該比較模塊將該電流測量結果與所述IGBT模塊的最大工作電流進行比較，并將比較結果輸出給控制模塊，該控制模塊依據(jù)該比較結果生成一延遲信號。
6.一種使用如權利要求I至5任意一項所述的短路保護模塊對IGBT模塊進行短路保護的方法，其特征在于包括步驟 I)測量主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓，生成實時的電壓測量結果； 2 )對所述電壓測量結果與一電壓預設值進行比較，如果該電壓測量結果大于電壓預設值，則進入步驟3);如果該電壓測量結果小于電壓預設值，則返回步驟I)； 3)對IGBT模塊進行分階段關斷。
7.如權利要求6所述的短路保護方法，其特征在于在步驟I)中，還包括對電壓測量結果進行濾波，將所述電壓測量結果中存在振蕩的部分進行過濾。
8.如權利要求6所述的短路保護方法，其特征在于在測量主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的電壓的同時，還包括測量IGBT模塊的集電極電流，并生成電流測量結果。
9.如權利要求8所述的短路保護方法，其特征在于進一步地，將所述電流測量結果與IGBT模塊的最大工作電流進行比較，如果電流測量結果小于該最大工作電流，則延遲進行步驟3);如果電流測量結果大于該最大工作電流，則進行步驟3)。
全文摘要
一種IGBT模塊的短路保護模塊，包括電壓檢測模塊、比較模塊和控制模塊，該電壓模塊通過測量IGBT模塊主發(fā)射極和輔助發(fā)射極之間的感生電壓來判定IGBT模塊短路狀態(tài)，降低了IGBT模塊運行中由于短路造成的損壞、提高IGBT模塊應用中的安全性以及提高用戶整個應用系統(tǒng)的安全性。同時本發(fā)明還提出了IGBT模塊的短路保護方法。
文檔編號H02H7/20GK102868149SQ20121037105
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權日2012年9月28日
發(fā)明者張強 申請人:西安永電電氣有限責任公司