一種兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路的製作方法

2023-08-03 10:07:01 1

專利名稱：一種兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及絕緣柵雙極型器件的短路自保護技術領域，更具體的說，是關於一種用於逆變器、PDP驅動晶片中的絕緣柵雙極型器件免於高壓大電流損壞的短路自保護電路設計，為一種兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路。
背景技術：
隨著人們對現代化生活需求的日益增強，功率集成電路產品的性能越來越受到關注，其中功率集成電路處理高電壓、大電流的能力越來越成為最為主要的性能指標之一。決定功率集成電路處理高電壓、大電流能力大小的因素除了功率集成電路本身電路結構、設計以及電路所採用的製造工藝之外，相同面積的單個器件能承受的電流能力也是衡量功率集成電路性能和成本的關鍵。絕緣柵雙極型器件綜合了雙極型電晶體和絕緣柵場效應管器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低，非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。然而由於絕緣柵雙極型電晶體高壓大電流的屬性，造成它在短路時的漏源電流極大，因而其只能承受很短時間的短路電流，能承受短路電流的時間與該器件的導通飽和壓降有關，隨著飽和導通壓降的增加而延長。如飽和壓降小於2V的絕緣柵雙極型器件允許承受的短路時間小於5 μ s，而飽和壓降3V的絕緣柵雙極型器件允許承受的短路時間可達15 μ s，4 5V時可達30 μ s以上。存在以上關係是由於隨著飽和導通壓降的降低，絕緣柵雙極型器件的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時間迅速減小。為在承受時間之內關斷絕緣柵雙極型器件，人們在絕緣柵雙極型器件驅動電路中提出各種短路自保護方法。絕緣柵雙極型器件短路自保護電路可採取的探測原理有檢測短路時漏源極之間電壓Vds增大的原理、檢測短路時漏源電流Ids增大的原理，檢測短路時電流變化的原理。從而實現短路保護、降柵壓軟關斷及降低工作頻率的綜合短路保護。上述方法中，簡單、易實現的方法是檢測短路時，漏極與源極之間的電壓Vds實現短路探測，又稱退飽和法，此方法採用的是間接電壓法。因為絕緣柵雙極型器件過流時漏極與源極間電壓Vds增大且基本上為線性關係，故檢測過流時的漏源電壓Vds並與設定電壓進行比較。比較器輸出控制驅動電路的關斷也是一個很好的方法。但這種方法中普遍採用絕緣柵雙極型器件專用驅動器如 ΕΧΒ841，價格昂貴，在中小功率的生產應用中會使得成本增加。無論是上面所述的漏源電流探測電路，還是漏源電流變化探測電路，他們都有缺點，漏源電流變化探測電路過於敏感可能對正常開啟時的電流上升造成誤探測，而且反饋電壓的維持也需要專門電路；漏源電流探測電路由於與被保護絕緣柵雙極型器件並聯的電流感測絕緣柵雙極型器件需要常開，因此為了降低功耗需要將器件面積做的極小，工藝實現複雜。
發明內容[0006]本實用新型要解決的問題是絕緣柵雙極型器件需要短路保護，現有的保護方式存在需要專門電路，價格昂貴，工藝複雜等缺點，不能滿足使用需求。本實用新型的技術方案為一種兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路，包括電流變化探測電路、電流探測電路和軟關斷保護電路，被保護絕緣柵雙極型器件的輸出端依次連接電流變化探測電路、電流探測電路和軟關斷保護電路，軟關斷保護電路的輸出端連接所述被保護絕緣柵雙極型器件的輸入端。所述的電流變化探測電路由一個電感L、電壓維持電路和兩個齊納二極體Z3、TA 構成，電感L接在被保護絕緣柵雙極型器件源極與GND之間，電壓維持電路與電感L並聯， 齊納二極體Z3、Z4串聯後也與電感L並聯；電流探測電路包括電流感測絕緣柵雙極型器件以及分壓電阻Rl和R2，電流感測絕緣柵雙極型器件的柵極接電流變化探測電路輸出，電流探測電路的輸出信號從電流感測絕緣柵雙極型器件的源極以及分壓電阻Rl、R2之間引出； 軟關斷保護電路由一 MOS管Ml構成，MOS管Ml柵極為軟關斷保護電路的輸入端，漏極接被保護絕緣柵雙極型器件柵控信號，源極接GND。進一步的，還設有降柵壓保護電路，所述降柵壓電路連接在電流探測電路的輸出端與被保護絕緣柵雙極型器件的輸入端之間，所述降柵壓電路由一MOS管M2與齊納二極體 Zl組成，M2柵極接輸入信號，漏極接Zl陽極，源極接GND，Zl陰極接驅動信號。電流探測電路電流感測絕緣柵雙極型器件在電路正常工作時關閉，電流感測絕緣柵雙極型器件與被保護絕緣柵雙極型器件面積比為1 N，N的值為30至50。上述兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路的保護方法，當被保護絕緣柵雙極型器件從正常工作狀態進入短路狀態時，其漏源電流快速上升，電流變化探測電路的電感L上產生足夠大的壓降，齊納二極體Z3、Z4箝位壓降在15V並反饋至電流探測電路的電流感測絕緣柵雙極型器件柵極，電壓維持電路維持15V的壓降，啟動電流探測電路；電流探測電路啟動後，當短路電流使分壓電阻R2上的壓差超過軟關斷電路的MOS 管Ml的死區電壓Vth時，MOS管Ml開啟，拉低被保護絕緣柵雙極型器件的柵壓，關斷被保護絕緣柵雙極型器件。進一步的，電流探測電路啟動後，當短路電流使分壓電阻Rl、R2上的總壓差超過降柵壓電路的MOS管M2的死區電壓Vth時，MOS管M2開啟，將被保護絕緣柵雙極型器件柵壓拉低，實現降柵壓保護；當降柵壓電路啟動後，若被保護絕緣柵雙極型器件漏源短路電流繼續增大，當短路電流使分壓電阻R2上的壓差超過軟關斷電路的MOS管Ml的死區電壓Vth 時，MOS管Ml開啟，拉低被保護絕緣柵雙極型器件的柵壓，關斷被保護絕緣柵雙極型器件； 其中通過分壓電阻Rl、R2阻值的比值來調整降柵壓保護電路與軟關斷保護電路的開啟的時間差。本實用新型提供一種絕緣柵雙極型器件短路自保護電路，它即能夠在探測短路時的電流變化之後，啟動電流探測電路探測電流值是否超過設置值，最終實現絕緣柵雙極型器件全面的短路自保護。本實用新型電流變化探測電路，探測被保護絕緣柵雙極型器件漏源電流變化並反饋給電流探測電路，由電流探測電路探測是否進行短路保護。電流感測絕緣柵雙極型器件(IGBT Sensor)在電路正常工作時關閉，只有在電流變化探測電路反饋15V的柵壓信號後才會開啟，啟動電流探測電路。由於電流感測絕緣柵雙極型器件(IGBT Sensor)不再是常開器件，故不需要擔心功耗問題，面積比N可以設置的較小，從1 1000降到1 30至 1 50。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點(1)實現電流變化探測與電流探測兩步探測。通過電流變化探測電路啟動電流探測電路，通過圖3我們可以看出，未保護的絕緣柵雙極型器件( 在硬開啟短路失效後達到穩態時漏源電流Ids可以達到7或8倍的額定電流值，通過我們的新型短路保護電路，短路電流降低至原短路電流的一半，即約4至5倍額定電流。(2)保護電路分為軟關斷與降柵壓兩步進行，根據電流感測絕緣柵雙極型器件 (IGBT Sensor)電流的大小判斷實施哪種保護，比起單個軟關斷電路大大增強了抗幹擾性能。(3)工藝實現簡單，由於電流感測絕緣柵雙極型器件(IGBT Sensor)由以前的常開狀態變成有電流辯護探測電路啟動，因而可以不必考慮功率的因素，電流感測絕緣柵雙極型器件(IGBT Sensor)相對於不必做的非常小，即面積比1 N中的N可以小一些，從以前的1 1000降到1 30至1 50。(4)本實用新型不影響電路正常工作，沒有引入工藝複雜的器件，可以通過高低壓兼容工藝與主電路集成在一塊晶片上。不必採用額外的專用驅動晶片封鎖輸出，大大節約了成本。

圖1是本實用新型的電路結構框圖。圖2是本實用新型自保護電路的具體電路圖。圖3是被保護絕緣柵雙極型器件處於硬開啟短路後，短路自保護電路啟動時的絕緣柵雙極型器件電壓、電流波形，以及無短路自保護電路保護時絕緣柵雙極型器件電壓電流波形圖的對比。
具體實施方式
如圖1，本實用新型的自保護電路包括電流變化探測電路1、電流探測電路2和軟關斷保護電路3，被保護絕緣柵雙極型器件5的輸出端依次連接電流變化探測電路1、電流探測電路2和軟關斷保護電路3，軟關斷保護電路3的輸出端連接所述被保護絕緣柵雙極型器件5的輸入端。還設有降柵壓保護電路4，所述降柵壓電路4連接在電流探測電路2的輸出端與被保護絕緣柵雙極型器件5的輸入端之間。降柵壓保護電路4，用於提高保護電路的抗幹擾能力。電流變化探測電路1與電流探測電路2用於探測被保護絕緣柵雙極型器件5 的短路信號，軟關斷電路3與降柵壓電路4在接受到反饋信號後，採取兩步關斷的方式保護所述被保護絕緣柵雙極型器件5。本實用新型電流探測電路2並不常開，採用電流變化探測電路1反饋信號來啟動電流探測電路2，避免了不必要的功耗；電流探測電路2有兩路反饋信號，分別反饋至軟關斷電路3與降柵壓電路4，只需要簡單的電阻、電感、場效應管、二極體、齊納管就能實現，使的短路保護結構非常簡單，且不引入工藝複雜的器件，響應及時、可靠，大大降低了成本，便於集成。
以下結合附圖對本實用新型進行一步描述，參照圖2，電流變化探測電路1由電感L，電壓維持電路，齊納二極體Z3、Z4構成。用來探測被保護絕緣柵雙極型器件5短路時電流的微小變化，當漏源電流上升速度超過某一預設值時，將15V的箝位信號反饋到電流探測電路。電流探測電路2由電流感測絕緣柵雙極型器件IGBT Sensor，以及分壓電阻R1、R2 構成。電流感測絕緣柵雙極型器件IGBT knsor與被保護絕緣柵雙極型器件5漏電流成正比關係。當被保護絕緣柵雙極型器件5經歷短路狀態而漏源電流增大時，電流感測絕緣柵雙極型器件IGBT Sensor同樣進入短路狀態，漏源電流增大，將漏源電流增大時，通過分壓電阻R1、R2轉換為電壓信號反饋至軟關斷電路3與降柵壓電路4。軟關斷電路3由MOS管 Ml構成，Ml漏極接被保護絕緣柵雙極型器件5柵極，源極接地，柵極接電流探測電路的反饋信號，當反饋信號拉高柵極時Ml開啟將被保護絕緣柵雙極型器件5的柵極電壓拉低至0V， 徹底關斷被保護絕緣柵雙極型器件5，實現軟關斷短路保護功能。降柵壓電路4由MOS管 M2與齊納二極體Z1、Z2構成。MOS管M2漏極經一反偏齊納二極體Zl接至被保護絕緣柵雙極型器件5柵極，源極接地。柵極接電流感測絕緣柵雙極型器件IGBT knsor源極接收電流探測電路的反饋信號，並通過另一反偏齊納二極體Z2箝位至8V防止柵擊穿。當電壓探測電路或者過流探測電路的反饋信號拉高M2的柵極時，M2開啟，將被保護絕緣柵雙極型器件5的柵極電壓拉低至反偏齊納二極體Zl的箝位電壓8V。實現降柵壓短路保護功能。其中通過分壓電阻R1、R2阻值的比值來調整降柵壓保護電路4與軟關斷保護電路 3的開啟的時間差，時間差過小則容易產生誤動作，使降柵壓保護電路4作用減弱。時間差過大將使軟關斷保護電路3開啟延緩，被保護絕緣柵雙極型器件5燒毀。本實用新型電流探測電路2的電流感測絕緣柵雙極型器件在電路正常工作時關閉，電流感測絕緣柵雙極型器件與被保護絕緣柵雙極型器件面積比為1 N，N的值為30至 50。如圖3是被保護絕緣柵雙極型器件5處於硬開啟短路後，本實用新型短路自保護電路啟動時的絕緣柵雙極型器件電壓、電流波形，以及無短路自保護電路保護時絕緣柵雙極型器件電壓電流波形圖的對比，其中Ids是無短路自保護電路保護時絕緣柵雙極型器件漏源電流，1^是採用短路自保護電路後短路時漏源電流。可以看出，在啟動短路保護之後漏源電流大幅降低，從額定電流的7至8倍降低到4至5倍。
權利要求1.一種兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路，其特徵是包括電流變化探測電路 (1)、電流探測電路(2)和軟關斷保護電路(3)，被保護絕緣柵雙極型器件(5)的輸出端依次連接電流變化探測電路(1)、電流探測電路⑵和軟關斷保護電路(3)，軟關斷保護電路 (3)的輸出端連接所述被保護絕緣柵雙極型器件(5)的輸入端。
2.根據權利要求1所述的一種兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路，其特徵是所述的電流變化探測電路(1)由一個電感L、電壓維持電路和兩個齊納二極體D、Z4構成， 電感L接在被保護絕緣柵雙極型器件( 源極與GND之間，電壓維持電路與電感L並聯，齊納二極體Z3、Z4串聯後也與電感L並聯；電流探測電路( 包括電流感測絕緣柵雙極型器件以及分壓電阻Rl和R2，電流感測絕緣柵雙極型器件的柵極接電流變化探測電路(1)輸出，電流探測電路O)的輸出信號從電流感測絕緣柵雙極型器件的源極以及分壓電阻R1、 R2之間引出；軟關斷保護電路(3)由一 MOS管Ml構成，MOS管Ml柵極為軟關斷保護電路 (3)的輸入端，漏極接被保護絕緣柵雙極型器件( 柵控信號，源極接GND。
3.根據權利要求1或2所述的一種兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路，其特徵是還設有降柵壓保護電路，所述降柵壓電路(4)連接在電流探測電路( 的輸出端與被保護絕緣柵雙極型器件(5)的輸入端之間，所述降柵壓電路由一 MOS管M2與齊納二極體Zl組成，M2柵極接輸入信號，漏極接Zl陽極，源極接GND，Zl陰極接驅動信號。
4.根據權利要求1或2所述的一種兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路，其特徵是電流探測電路O)電流感測絕緣柵雙極型器件在電路正常工作時關閉，電流感測絕緣柵雙極型器件與被保護絕緣柵雙極型器件( 面積比為1 N，N的值為30至50。
5.根據權利要求3所述的一種兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路，其特徵是電流探測電路O)的電流感測絕緣柵雙極型器件在電路正常工作時關閉，電流感測絕緣柵雙極型器件與被保護絕緣柵雙極型器件( 面積比為1 N，N的值為30至50。
專利摘要一種兩步探測絕緣柵雙極型器件短路自保護電路，包括電流變化探測電路，電流探測電路，軟關斷保護電路和降柵壓保護電路，電流變化探測電路與電流探測電路用於探測絕緣柵雙極型器件短路信號，軟關斷保護電路與降柵壓保護電路在接受到反饋信號後，採取兩步關斷的方式保護絕緣柵雙極型器件。本實用新型電流探測電路並不常開，採用電流變化探測電路反饋信號來啟動電流探測電路，避免了不必要的功耗；電流探測電路有兩路反饋信號，分別反饋至軟關斷電路與降柵壓電路，只需要簡單的電阻、電感、場效應管、二極體、齊納管就能實現，使得短路保護結構非常簡單，且不引入工藝複雜的器件，響應及時、可靠，大大降低了成本，便於集成。
文檔編號H02H7/20GK202103414SQ201120178250
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者劉斯揚, 孫偉鋒, 崔其暉, 時龍興, 錢欽松, 陸生禮 申請人:東南大學