檢測igbt母線電容電流的裝置和igbt保護電路的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本實用新型涉及中、大功率電子電路，特別涉及一種檢測IGBT母線電容電流的裝 置和IGBT保護電路。
【背景技術】
[0002] IGBT作為一種常見的電力電子開關器件，目前很廣泛地應用在各種功率等級的電 力變換設備中。當IGBT在某些情形下發(fā)生短路時，過大的短路電流可能會使IGBT結(jié)溫上升 到最高容許結(jié)溫以上，導致本體燒毀甚至設備中的其他部件連帶受損。為避免上述現(xiàn)象的 發(fā)生，增強設備的可靠性，對IGBT進行短路保護是很有必要的。短路保護的基本流程是快速 檢測到短路現(xiàn)象并關斷相應的IGBT驅(qū)動從而起到保護的作用。
[0003] 對于中小功率電力電子電路，目前主流的技術是通過檢測短路狀態(tài)下IGBT的Vce 飽和電壓，在短路時，通過檢測Vce退飽和來判斷短路現(xiàn)象的發(fā)生，該做法主要缺點是必須 為單個或一組并聯(lián)IGBT都要設置單獨的短路保護電路來檢查IGBT的Vce電壓、而且檢測電 路受主電路中的布線寄生電感等因素影響，準確性較低。對于大、中功率IGBT模塊的電流檢 測與過流保護常采用電流傳感器。但需注意要選擇滿足響應速度要求的電流傳感器，價格 和體積成為其應用的主要制約因素。
[0004] 現(xiàn)有技術中，通過檢測IGBT的Vce飽和電壓判斷短路技術的基本原理為當短路發(fā) 生時流過IGBT的電流Ice急劇增大，Vce隨之增大，當檢測到的Vce大于正常工況下的設定值 時，可判斷短路發(fā)生。該方法需將Vce引入驅(qū)動板卡上，而IGBT的C極和E極通常和母線電壓 或橋臂中點輸出相連，因此帶來安規(guī)的風險。
[0005] 隨著平面變壓器在電力電子電路中的應用，可利用PCB的平面變壓器原理形成電 流互感器檢測母線電容電流。傳統(tǒng)方法一、二次側(cè)電流需平行于板面，電容電流對應的一次 側(cè)走線多為單匝，二次側(cè)根據(jù)需要繞成類似渦流形式的N匝走線。由于一次側(cè)直接與母線電 壓相連，對安規(guī)提出了嚴格的要求，同時其電流很大，帶來了PCB板散熱問題。另外，傳統(tǒng)平 面變壓器多需要加裝磁芯將所需的磁通量限于PCB板內(nèi)，以便提供足夠大的檢測電流。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種檢測IGBT母線電容電流的裝置， 包括印刷電路板、采樣電阻和電壓檢測元件，所述印刷電路板上開設有通孔，所述印刷電路 板包括第一走線層和第二走線層，待測的IGBT母線電容的一個引腳進入所述通孔且穿過第 一走線層和第二走線層所在的平面，所述第一走線層和第二走線層之間開設有多個過孔， 所述第一走線層和第二走線層上均設置有多個導線，多個所述導線與所述過孔連接形成空 心線圈，所述空心線圈環(huán)繞在所述通孔周圍，所述空心線圈與所述采樣電阻串聯(lián)，用于檢測 所述采樣電阻上電壓的所述電壓檢測元件與所述采樣電阻連接。
[0007] 進一步地，所述多個過孔分布于同心的第一圓周和第二圓周上，所述第一圓周和 第二圓周以所述通孔的中心為圓心。
[0008] 進一步地，所述印刷電路板為雙層電路板，所述第一走線層為所述雙層電路板的 頂層，所述第二走線層為所述雙層電路板的底層。
[0009] 可替換的，所述印刷電路板上的走線層多于兩層，所述第一走線層和第二走線層 位于所述底層之上。
[0010] 優(yōu)選的，所述電壓檢測元件為電壓比較器。
[0011] 可替換的，所述電壓檢測元件為其他用于測量電壓的模擬器件。
[0012] 相應地，本實用新型提供了一種IGBT保護電路，包括印刷電路板、IGBT母線電容、 采樣電阻、電壓檢測元件、電源、IGBT模塊，IGBT驅(qū)動電路，
[0013]所述印刷電路板上開設有通孔，所述印刷電路板包括第一走線層和第二走線層， 所述IGBT母線電容的一個引腳穿過所述通孔，所述第一走線層和第二走線層之間開設有多 個過孔，所述第一走線層和第二走線層上均設置有多個導線，多個所述導線與所述過孔連 接形成空心線圈，所述空心線圈環(huán)繞在所述通孔周圍，所述空心線圈與所述采樣電阻串聯(lián)， 用于檢測所述采樣電阻上電壓的所述電壓檢測元件與所述采樣電阻連接；
[0014]所述IGBT模塊與所述電源連接，所述IGBT驅(qū)動電路分別與所述電壓檢測元件和 IGBT模塊連接，所述IGBT母線電容與所述電源串聯(lián)。
[0015]進一步地，所述IGBT模塊的數(shù)目為兩個，所述兩個IGBT模塊形成半橋拓撲結(jié)構(gòu)，所 述IGBT母線電容的數(shù)目為兩個，所述兩個IGBT母線電容串聯(lián)。
[0016]可替換地，所述IGBT模塊的數(shù)目為四個，所述四個IGBT模塊形成全橋拓撲結(jié)構(gòu)。 [0017] 進一步地，所述電壓檢測元件為電壓比較器，所述電壓比較器與所述IGBT驅(qū)動電 路連接。
[0018] 進一步地，所述電源為直流電源。
[0019] 實施本實用新型，具有如下有益效果：
[0020] (1)本實用新型采用的檢測母線電容電流方式為將電容的引腳穿過加工好的印刷 電路板，在印刷電路板上設置空心線圈形成電流互感器，通過測量空心線圈產(chǎn)生的感應電 壓來測量IGBT母線電容電流。與傳統(tǒng)平面變壓器不同，本專利一次側(cè)電流垂直于板面，僅需 考量相應焊接引腳處安規(guī)絕緣，不需額外加裝磁芯，結(jié)構(gòu)簡單，且不涉及一次側(cè)發(fā)熱問題， 提尚了電路的安全性。
[0021] (2)雖然由于印刷電路板的板厚較小，磁力線穿過的平面磁通量較小，但本實用新 型設置的N匝繞線串聯(lián)的方式大大提高了該磁通量。另外，由于短路發(fā)生時母線電容電流急 劇變化，di/dt很高，因此會有足夠大的磁通變化率形成感應電動勢用于短路檢測。本實用 新型通過檢測電流變化率來檢測母線電容上的電流，不同于傳統(tǒng)電流互感器檢測電流峰值 的方法，響應速度快。
[0022] (3)本專利的優(yōu)勢在于安裝簡單、通用性強，價格優(yōu)勢明顯，安規(guī)設計簡易，且可以 檢測到與IGBT無關的母線直接短路現(xiàn)象(比如母線連接線纜直接短路）。特別是在中大功率 電力電子電路中，本專利基于無磁平面互感器結(jié)構(gòu)的檢測方法響應速度快，保證系統(tǒng)在 IGBT短路故障發(fā)生時及時切斷驅(qū)動，避免電力電子器件或電路中其他元件損壞。
【附圖說明】
[0023] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案和優(yōu)點，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的介紹，顯而易見地，下面描述中的附 圖僅僅是本實用新型的一些實施例，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)這些附圖獲得其它附圖。
[0024]圖1是本實用新型提供的檢測IGBT母線電容電流的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是本實用新型提供的檢測IGBT母線電容電流的裝置的俯視圖；
[0026]圖3是本實用新型提供的IGBT保護電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0027]圖4是本實用新型提供的IGBT電路半橋拓撲結(jié)構(gòu)的電路不意圖；
[0028]圖5是本實用新型提供的IGBT電路全橋拓撲結(jié)構(gòu)的電路不意圖；
[0029] 圖中：1_印刷電路板，11-第一走線層，12-第二走線層，13-導線，14-過孔，15-通 孔，16-空心線圈，2-IGBT母線電容，21-引腳，3-采樣電阻，4-電壓檢測元件，5-電源，6-IGBT 模塊，7-IGBT驅(qū)動電路。
【具體實施方式】
[0030] 下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的 實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提 下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0031] 實施例一:
[0032]本實用新型提供了一種檢測IGBT母線電容電流的裝置，通過檢測母線電容的電流 判斷IGBT是否發(fā)生短路。由于短路發(fā)生時，緊靠著IGBT或半橋或全橋的母線電容電荷因被 快速抽取而形成快速增大的瞬時電流，當電流變化率超過設定閾值時判定短路發(fā)生，封鎖 IGBT驅(qū)動。
[0033]本實用新型采用的檢測母線電容電流方式為將電容的引腳穿過加工好的印刷電 路板，印刷電路板也叫印制電路板或PCB板，利用PCB板的雙層走線和相應的過孔形成類似 于平面變壓器的N匝繞線形成的空心線圈。雖然由于PCB板板厚較小，磁力線穿過的平面磁 通量較小，但N匝繞線串聯(lián)的方式大大提高了該磁通量。另外，由于短路發(fā)生時母線電容電 流急劇變化，di/dt很高，因此會有足夠大的磁通變化率形成感應電動勢用于短路檢測。本 實用新型通過檢測電流變化率來檢測母線電容上的電流，不同于傳統(tǒng)電流互感器檢測電流 峰值的方法。
[0034]請參見圖1、圖2,本實用新型實施例提供了一種檢測IGBT母線電容電流的裝置，包 括印刷電路板1、采樣電阻3和電壓檢測元件4,所述印刷電路板1上開設有通孔15,所述印刷 電路板1包括第一走線層11和第二走線層12,所述第一走線層11和第二走線層12之間為絕 緣層，所述第一走線層11和第二走線層12均為由金屬導線構(gòu)成的導電層，待測的IGBT母線 電容2的一個引腳21穿過所述通孔15,所述第一走線層11和第二走線層12之間開設有多個 過孔14,所述過孔14內(nèi)壁覆蓋有導電材料，用于導通第一走線層11和第二走線層12之間的 電路，所述第一走線層11和第二走線層12上均設置有多個導線13,多個所述導線13與所述 過孔14連接形成空心線圈16,所述空