退飽和檢測電路以及包含該退飽和檢測電路的電路的製作方法

2023-07-29 02:20:01 2

退飽和檢測電路以及包含該退飽和檢測電路的電路的製作方法
【專利摘要】公開了退飽和檢測電路以及包含該退飽和檢測電路的電路，該退飽和檢測電路包括一個具有輸入端和輸出端的閾值設定元件，所述輸入端通過一個或多個二極體連接到功率開關器件的輸出端，其中所述閾值設定元件用於在所述輸入端設定閾值電壓，當輸入電壓過高時所述閾值電壓設定元件將在其輸出端提供一個輸出信號；所述退飽和檢測電路還包括一個具有輸入端和輸出端的檢測器，所述檢測器的輸入端連接到所述閾值設定元件的輸出端，所述檢測器的輸出端能夠連接到所述光耦合器的退飽和檢測輸入，所述檢測器用於檢測所述閾值設定元件的輸出端的輸出並作出響應以在所述檢測器的輸出端向所述退飽和檢測輸入提供一個控制信號，以觸發所述光耦合器的退飽和動作。
【專利說明】退飽和檢測電路以及包含該退飽和檢測電路的電路
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種具有退飽和檢測輸入和軟關斷能力的功率電晶體(如絕緣柵極雙極電晶體(IGBT))柵極驅動光耦集成電路(IC)的可靠的Vce檢測接口，特別地，涉及一種退飽和檢測電路以及包含該退飽和檢測電路的電路。
【背景技術】
[0002]逆變器功率電路的短路故障會造成絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的集電極電流上升到一個非正常的高水平電流值，從而引起絕緣柵雙極電晶體(IGBT)退出飽和狀態。
[0003]具有退飽和檢測和軟關斷功能的商用化柵極驅動光耦集成電路(1C)，例如AvagoACPL331J、HCPL-316J和Renesas PS9402等，但它們的缺點是內部有一個固定的退飽和輸入閾值，在一些設計中該數值最低達到6.0V。
[0004]圖1給出了現有技術中一種具有退飽和故障檢測的柵極驅動光耦產品，AvagoACPL-331J10。Avago ACPL-331J具有軟關斷功能。柵極驅動光耦集成電路10的DESAT插腳(插腳14)監控絕緣柵極雙極電晶體(IGBT) 20的集電極一發射極電壓Vce。當短路發生並且絕緣柵極雙極電晶體(IGBT) 20流過的電流非常大時，絕緣柵極雙極電晶體(IGBT)將進入退飽和模式並且其集電極一發射極電壓Vce將會上升。一旦電壓Vce超出集成電路(IC)的內部退飽和故障檢測閾值電壓時，柵極驅動光耦集成電路10將檢測到故障。當DESAT插腳(插腳14)檢測到故障時，將接通在輸出驅動階段的一個弱下拉裝置以「軟」關斷絕緣柵極雙極電晶體(IGBT)從而可防止大的di/dt感應電壓。 [0005]在如圖1所示的傳統設計中，二極體Dl和D2 (即為人所知的Vce檢測二極體或DESAT 二極體)通過電阻R2直接連接到柵極驅動光耦集成電路(IC) 10的DESAT輸入(插腳14)，電阻R2的典型/建議值為100 Ω。由電阻Rl和電容Cl組成的間隔時間濾波器，典型數值為Ik到4.7kΩ及In到4.7nF，並分別提供幾個微秒的間隔時間。在一些方案中，電容Cl可能被設置為低至IOOpF並且省略R1，但這種方法會引起設計的抗噪能力問題。
[0006]Ve是電源軌GD_V+和GD_V_的公共電壓(一般為0V)，而Ve連接到IC (插腳16)，並連接到IGBT20的發射極E。
[0007]絕緣柵雙極電晶體IGBT模塊工作時的典型Vce飽和電壓為如1.5倍至2倍的額定電流並當工作在最大額定工作溫度時，典型的Vce飽和電壓可能超過3V。考慮到模塊構造，若產品擴展並且內部電壓下降，則飽和電壓會更高。
[0008]Desat輸入的設計裕量可以由以下公式計算:
,++ ^CE SIt)
[0009]In =-=——，、
Λ1 + Λ2( I )
[0010]Voh是柵極驅動光耦集成電路(IC) 10的輸出高壓。Vdi (和Vd2)是退飽和(DESAT)二極體Dl (和第二退飽和二極體D2 (若提供的話))開通狀態下的正向電壓。一般選擇具有至少1000V反向額定電壓的二極體，然而這些二極體的正向額定電壓通常比標準的低壓裝置高。退飽和二極體可能包括一個或多個二極體。可能提供多個串聯的DESAT 二極體或提供單個的DESAT 二極體。
[0011]若柵極驅動光耦集成電路(IC)輸出高電壓，Voh為15V，VCE_sat電壓為3V且選擇阻值為IkQ的電阻Rl，Desat輸入的設計裕量可由以下公式計算:
[0012]iD =15-(0-8+0.8+3-0) = 9,45mA
D 1000+100
[0013]退飽和電壓Vdesat可由以下公式計算:
[0014]Vdesat = Voh-RI X Id (2)
[0015]Vdesat = 15-lkX9.45 = 5.55V
[001 6] ^Desat Headroom "^DESAT—Threshold—Min ^DESAT (3)
[0017]其中Vdesat ThMstold Min為固定在柵極驅動光耦集成電路(IC)內的、最小內部閾值電壓。
[0018]VDesat Headroom = 6-5.55 = 0.45V
[0019]通過這些計算表明，設計裕量小於0.5V，或如果絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的最大Vce飽和電壓高達3.5V時，則設計裕量可以更低。這會導致柵極驅動光耦集成電路(IC)的誤動作並引起逆變器功率電路設計的可靠性問題。
[0020]通常情況下，Vc e閾值電壓的可行的設計數值在7V到13V之間。
[0021]在實際設計中，當實施如圖1所示的傳統電路時，需要採取額外的預防措施。例如，絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的反並聯續流二極體30的反向恢復會引起Desat插腳電壓被瞬間拉低到地電壓以下(低於Ve的電位)，因此會正向偏置柵極驅動光耦集成電路(IC)的基板二極體。這種影響會造成柵極驅動光耦集成電路(IC)的插腳3產生錯誤的故障信號。
[0022]為使幹擾最小化，需要通過權衡噪音抑制和間隔時間仔細考慮Cl的設計值。
[0023]另外，Vce檢測二極體Dl和D2需要具有快恢復特性並具有小的反向電容以使柵極驅動光耦集成電路(IC)上的幹擾最小化。可將肖特基二極體D3連接在Desat插腳(插腳14)和Ve (插腳16)之間以防止基板二極體在功率電路開關瞬態過程中的正向偏壓。
[0024]具有約8V嵌位電壓的齊納二極體D4也可以和D3並聯以防止正向瞬態影響Desat插腳(插腳14)。
[0025]反並聯續流二極體30可以具有一個大的、超出其正常額定正向電壓的瞬態正向電壓。這會在Desat輸入(插腳14)造成負瞬態，進而引起電流從柵極驅動光耦集成電路(IC)中抽走。為限制電流消耗，提供電阻R2並與Dl及D2串聯，該電阻典型阻值大約為100 Ω。
實用新型內容
[0026]一方面，本實用新型提供了一種退飽和檢測電路，用於光耦合器的退飽和檢測輸入和功率開關器件輸出之間，該退飽和檢測電路包括:一個具有輸入端和輸出端的閾值設定元件，所述輸入端通過一個或多個二極體連接到功率開關器件的輸出端，其中所述閾值設定元件用在所述輸入端設定閾值電壓，當輸入電壓過高時所述閾值設定元件將在其輸出端提供一個輸出；還包括一個具有輸入端和輸出端的檢測器，所述檢測器的輸入端連接到所述閾值設定元件的輸出端，所述檢測器的輸出端能夠連接到所述光耦合器的退飽和檢測輸入，所述檢測器用於檢測閾值設定元件的輸出端的輸出並作出響應以在所述檢測器的輸出端向所述退飽和檢測輸入提供一個控制信號以觸發所述光耦合器的退飽和動作。
[0027]第二方面，還提供了一種電路，包括:一個功率開關器件，光耦合器及如上所述的退飽和檢測電路，所述光耦合器具有可檢測退飽和的退飽和檢測輸入和輸出，該輸出耦合到所述功率開關器件以便為所述功率開關器件提供控制信號。
[0028]本實用新型的其它方面和特點在從屬權利要求中給出。
[0029]在其中一種實施方案中，提供一種退飽和檢測電路，用於光耦合器的退飽和檢測輸入和功率開關器件輸出之間，該退飽和檢測電路包括:一個具有輸入端和輸出端的閾值設定元件，所述輸入端通過一個或多個二極體連接到所述功率開關器件輸出端，其中所述閾值設定元件用來設定輸入端的閾值電壓，當輸入電壓過高時所述閾值設定元件將在其輸出端提供一個輸出；還包括一個具有輸入端和輸出端的檢測器，所述檢測器的輸入端連接到所述閾值設定元件輸出的輸入端，所述檢測器的輸出端能夠連接到所述光耦合器的退飽和檢測輸入，所述檢測器用於檢測閾值設定元件的輸出端的輸出並作出響應以在所述檢測器的輸出端向所述退飽和檢測輸入提供一個控制信號以觸發所述光耦合器的退飽和動作。
[0030]在其中一種實施例中，上述檢測器的輸出電壓保持在低於一定電壓水平之下，在該電壓水平下，若檢測到所述閾值設定元件的輸出，則觸發所述光耦合器的退飽和動作。例如，所述檢測器的輸出保持在所述電路的公共電壓水平直到檢測到閾值設定元件產生輸出為止，或例如，所述檢測器的輸出保持在公共電壓和預定電壓水平之間，在該電壓水平下，若檢測到閾值設定元件的輸出，則觸發光耦合器的退飽和動作。
[0031]上述閾值設定元件可能包括第一開關元件，該元件在所述功率開關器件的退飽和動作期間處於開通狀態，直到所述功率開關器件的輸出達到閾值電壓為止；該檢測器可能包括第二開關元件，所述第二開關元件在所述閾值設定元件產生輸出時，處於關閉狀態並向所述退飽和檢測電路的退飽和輸入提供控制信號。
[0032]可能向所述退飽和檢測電路提供第一電阻網絡以通過至少一個二極體將所述第一開關元件耦合到所述功率開關器件的輸出，以及可能提供第二電阻網絡以將所述第二開關元件耦合到所述光耦合器，所述第一開關元件和所述第二開關元件保持退飽和檢測電路的輸出電壓低於所述光耦合器的退飽和檢測輸入電壓直到所述功率開關器件的輸出電壓達到閾值電壓為止。
[0033]上述第一開關元件和所述第二開關元件在所述功率開關器件工作在正常飽和模式時處於開通狀態，並當所述功率開關器件退出飽和或處於關閉狀態時，所述第一開關元件和所述第二開關元件處於關閉狀態。
[0034]所述功率開關器件可能是具有集電極、發射極和柵極的絕緣柵極雙極電晶體，所述閾值設定元件的輸入通過至少一個二極體連接至所述絕緣柵極雙極電晶體的集電極。所述光耦合器的輸出連接到所述絕緣柵極雙極電晶體的柵極。
[0035]本實用新型也提供一種電路，包括:一個功率開關器件，光耦合器及如上所述的退飽和檢測電路，所述光耦合器具有可檢測退飽和的退飽和檢測輸入和輸出，所述輸出耦合到所述功率開關器件以便為所述功率開關器件提供控制信號。
[0036]上述功率開關器件為具有集電極、發射極和柵極的絕緣柵極雙極電晶體，所述退飽和檢測電路的閾值設定元件的輸入通過至少一個二極體連接至所述絕緣柵極雙極電晶體的集電極，所述光耦合器的輸出連接到所述絕緣柵極雙極電晶體的柵極。【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]通過以下對附圖的描述，本實用新型實施方式的特徵和優點將變得更加容易理解，其中:
[0038]圖1顯示了現有技術中光耦合器的退飽和保護電路；
[0039]圖2顯示了本實用新型公開的一個實施例。
【具體實施方式】
[0040]下面對優選實施方式的描述僅僅是示範性的，而絕不是對本實用新型及其應用或用法的限制。在各個附圖中採用相同的附圖標記來表示相同的部件，因此相同部件的構造將不再重複描述。
[0041]以下結合附圖以及【具體實施方式】對本實用新型的技術方案做進一步說明。
[0042]圖2顯示了一個電路的實施例，包括改進的Vce檢測接口電路200。Dl和D2組成Vce檢測二極體串(DESAT 二極體)，該二極體串通過退飽和檢測電路200連接至柵極驅動光耦集成電路(1C)，而非通過R2 (如圖1所示)直接連接到柵極驅動光耦集成電路(IC) 10的Desat輸入。退飽和檢測電路200位於柵極驅動光耦集成電路10的退飽和檢測輸入和具有集電極C、發射極E和柵極G的功率電晶體20 (即一 IGBT)的集電極之間。該集電極連接到待驅動的負載上，例如電機負載或制動斬波電阻器。
[0043]退飽和檢測電路200包括閾值設定元件202和檢測器元件206。閾值設定元件202具有輸入208和輸出210。輸入208通過Vce檢測二極體Dl和D2連接到功率電晶體20 (即IGBT的集電極)的輸出。閾值設定元件202設定輸入208處的下述電壓:在該電壓處，退飽和檢測電路200將向柵極驅動光耦集成電路的退飽和檢測輸入提供輸出控制信號以觸發退飽和動作。當輸入電壓過高時，閾值設定元件202在其輸出210處提供一個輸出。
[0044]檢測器元件206具有輸入218和輸入220，輸入218連接到閾值設定元件202的輸出210，輸入220連接到柵極驅動光耦集成電路10的退飽和檢測輸入。檢測器元件206用於檢測閾值設定元件202的輸出210的輸出電壓並在檢測器的輸出220處為柵極驅動光耦集成電路10的退飽和檢測輸入提供一個輸出電壓以觸發退飽和動作。閾值設定元件202因此用於確定正常工作所需的一個或多個條件是否得以滿足，若不滿足，則向檢測器206產生一個輸出電壓。
[0045]閾值設定元件202包括第一開關元件Ql (即雙極電晶體)。在本實施例中，開關元件Ql的基極通過由電阻R2、R6、R7和R8組成的電阻網絡連接到退飽和檢測電路的輸入208 (以及Vce檢測二極體串(Dl和D2))。檢測器元件206包括第二開關元件Q2 (即雙極電晶體)。在本實施例中，開關元件Q2的集電極通過電阻R3連接到退飽和檢測電路200的輸出220。
[0046]開關元件Ql的集電極通過由電阻R4、R5和R9組成的電阻網絡連接到開關元件Q2的基極。開關Ql將根據絕緣柵雙極電晶體IGBT集電極的電壓水平進行開關動作。當絕緣柵雙極電晶體IGBT在正常的開狀態並飽和時，Ql和Q2也會處於開通狀態，Q2(退飽和檢測電路200的輸出220)的集電極通過R3控制柵極驅動光耦集成電路IC (插腳14)的Desat輸入，並保持其電壓水平低於VE，即低於柵極驅動光耦集成電路IC的常用電壓。當絕緣柵雙極電晶體IGBT處於斷開狀態、退出飽和狀態或處於退飽和過程中時，Q2都將會進入斷開狀態。
[0047]儘管主調節通過改變R8完成，閾值設定元件202用於改變狀態的閾值電壓由電阻R2、R6、R7和R8確定。和圖1中的傳統電路類似，R2阻值選擇在100 Ω左右。R6、R7和R8的典型阻值分別在820 Ω、470 Ω和5k6 Ω左右。
[0048]應該明白，電阻R2可能和退飽和檢測電路200 (如圖所示)集成在一起或者可能是在退飽和檢測電路200之外的單獨部件。
[0049]通過部件D5、R7的組合可防止Ql的飽和開關動作，且通過部件D4、R4的組合可防止Q2的飽和開關動作，因此，當檢測到絕緣柵雙極電晶體IGBT的退飽和條件時，可迅速斷開開關元件Ql和Q2。電容C2跨接在Ql的基極和發射極之間，作為噪音濾波器以防止來自逆變器功率電路的幹擾。二極體D6的陽極連接到GD_V+導線，可分流來自Dl和D2的反向恢復電流瞬態以防止其進入檢測電路。
[0050]選擇電阻R4、R5和R9以在Ql接通時提供足夠的基極電流來控制Q2，並在Ql斷開時提供抗飽和條件以確保Q2能夠快速斷開。當\處於高電平狀態並且Q2導通時，R3的阻值選擇在能夠保持柵極驅動光耦集成電路IC的Desat插腳的電壓低於Ve並導通D3。R3的阻值取決於Rl的阻值選擇，並和Cl 一起設置間隔時間。
[0051 ] 圖2將對退飽和檢測電路200的工作原理進行進一步描述。
[0052]柵極驅動電路開始處於斷開狀態，柵極驅動光耦集成電路IC的Vtj插腳(插腳11)處於低電平狀態並且保持在接近Vee的電位，其典型值在-5和-1OV之間，相對於Ve取決於GD_V-的電壓值。絕緣柵雙極電晶體IGBT的柵極G也在此電位，保持功率模塊關閉。柵極驅動光耦集成電路IC的Desat輸入(插腳14)通過二極體D3的正向壓降被保持在稍微低於Ve的電壓水平，並且若忽略半導體壓降，則流經D3的近似電流可由以下公式計算:
【權利要求】
1.一種退飽和檢測電路，用於光耦合器的退飽和檢測輸入和功率開關器件的輸出之間，所述退飽和檢測電路包括: 具有輸入端和輸出端的閾值設定元件，所述輸入端通過一個或多個二極體連接到所述功率開關器件的輸出端，所述閾值設定元件用於在所述輸入端設定閾值電壓，當輸入電壓過高時所述閾值設定元件將在其輸出端提供一個輸出，以及 具有輸入端和輸出端的檢測器，所述檢測器的輸入端連接到所述閾值設定元件的輸出端，所述檢測器的輸出端能夠連接到所述光耦合器的退飽和檢測輸入，所述檢測器用於檢測所述閾值設定元件的輸出端的輸出並作出響應以在所述檢測器的輸出端提供控制信號，以便所述退飽和檢測輸入觸發所述光耦合器的退飽和動作。
2.根據權利要求1所述的退飽和檢測電路，其特徵在於，所述檢測器的輸出電壓保持在低於預定電壓水平之下，在所述預定電壓水平下，若檢測到所述閾值設定元件的輸出，則觸發所述光耦合器的退飽和動作。
3.根據權利要求1所述的退飽和檢測電路，其特徵在於，所述檢測器的輸出保持在電路的常用電壓水平，直到檢測到所述閾值設定元件的輸出為止。
4.根據權利要求1所述的退飽和檢測電路，其特徵在於，所述檢測器的輸出保持在常用電壓和預定電壓水平之間，在所述預定電壓水平下，若檢測到所述閾值設定元件的輸出，則觸發所述光耦合器的退飽和動作。
5.根據權利要求1所述的退飽和檢測電路，其特徵在於， 所述閾值設定元件包括第一開關元件，所述第一開關元件在所述功率開關器件的退飽和動作期間處於開通狀態，直到所述功率開關器件的輸出達到閾值電壓為止，及 所述檢測器包括第二開關元件，當所述閾值設定元件產生輸出時，所述第二開關元件處於關閉狀態，並向所述退飽和檢測電路的退飽和輸入提供控制信號。
6.根據權利要求5所述的退飽和檢測電路，其特徵在於，所述退飽和檢測電路還包括第一電阻網絡和第二電阻網絡，所述第一電阻網絡用於通過至少一個二極體將所述第一開關元件耦合到所述功率開關器件的輸出，所述第二電阻網絡用於將所述第二開關元件耦合到所述光耦合器，所述第一開關元件和所述第二開關元件保持所述退飽和檢測電路的輸出電壓低於所述光耦合器的退飽和檢測輸入電壓，直到所述功率開關器件的輸出電壓達到閾值電壓為止。
7.根據權利要求5或6所述的退飽和檢測電路，其特徵在於，當所述功率開關器件工作在正常飽和模式時，所述第一開關元件和所述第二開關元件處於開通狀態；當所述功率開關器件工作在非飽和狀態或處於關閉狀態時，所述第一開關元件和所述第二開關元件處於關閉狀態。
8.根據權利要求1所述的退飽和檢測電路，其特徵在於，所述功率開關器件為具有集電極、發射極和柵極的絕緣柵極雙極電晶體，所述閾值設定元件的輸入通過至少一個二極體連接至所述絕緣柵極雙極電晶體的集電極。
9.一種電路，其特徵在於，所述電路包括: 功率開關器件， 光耦合器，所述光耦合器具有可檢測退飽和的退飽和檢測輸入和輸出，所述輸出耦合到所述功率開關器件以向所述功率開關器件提供控制信號；及如權利要求1至8中任一項所述的退飽和檢測電路。
10.根據權利要求9所述的電路，其特徵在於，所述功率開關器件為具有集電極、發射極和柵極的絕緣柵極雙極電晶體，所述退飽和檢測電 路的閾值設定元件的輸入通過至少一個二極體連接至所述絕緣柵極雙極電晶體的集電極，所述光耦合器的輸出連接到所述絕緣柵極雙極電晶體的柵極。
【文檔編號】H02M1/092GK203747637SQ201420039139
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年1月21日 優先權日:2013年1月22日
【發明者】羅伯特·安東尼·卡特爾 申請人:控制技術有限公司