專(zhuān)利名稱(chēng)：Igbt故障檢測(cè)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種故障檢測(cè)電路，尤其是涉及一種IGBT故障檢測(cè)電路。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor—IGBT)是由功率MOSFET和GTR復(fù)合而成的功率器件，因具有高電壓、大電流、易于驅(qū)動(dòng)、工作頻率廣等特性而被廣泛使用在各種脈沖功率設(shè)備中如雷達(dá)發(fā)射機(jī)、高壓脈沖電場(chǎng)殺菌設(shè)備等。隨著IGBT電壓、電流、頻率等級(jí)的不斷提升，IGBT的價(jià)格也越來(lái)越高。IGBT本身是一種耐過(guò)壓、耐過(guò)流能力較差的器件，在使用過(guò)程中，往往會(huì)因及極短時(shí)間的過(guò)流、過(guò)壓造成損壞。另一方面，目前對(duì)IGBT串聯(lián)技術(shù)的研究越來(lái)越廣泛，但主要集中在①各串聯(lián)IGBT在開(kāi)通和關(guān)斷期間的動(dòng)態(tài)均壓 ’②IGBT驅(qū)動(dòng)電路的傳輸時(shí)間監(jiān)控。這兩種研究的主要目的在于最大限度地確保IGBT串聯(lián)電路中各IGBT都能正常工作。但是任何一個(gè)電路系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，都有可能因個(gè)別元器件出現(xiàn)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。特別是對(duì)于元器件數(shù)量龐大，且又要在高電壓、大電流下工作的IGBT串聯(lián)電路，出現(xiàn)元器件故障的幾率相比與低壓系統(tǒng)更高。在IGBT串聯(lián)電路中，一個(gè)IGBT損壞，會(huì)增加其他IGBT所承受的電壓，進(jìn)而增加其他IGBT損壞的幾率；情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)破壞整個(gè)IGBT串聯(lián)電路的控制系統(tǒng)，從而造成更大的系統(tǒng)損失和安全事故?？梢?jiàn)，研究可靠的、快速響應(yīng)的IGBT故障檢測(cè)電路對(duì)IGBT多級(jí)串聯(lián)電路具有非常重要的作用。IGBT出現(xiàn)故障通常有三種情況損壞、過(guò)流、過(guò)壓。IGBT本身具有一個(gè)很小的通態(tài)電阻(O. 03、. 06 Ω )，即當(dāng)IGBT處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，流過(guò)IGBT集電極-發(fā)射極的電流會(huì)在這個(gè)通態(tài)電阻 兩端產(chǎn)生一個(gè)較小的壓降，該電壓稱(chēng)為IGBT的飽和壓降。在一定的結(jié)溫范圍內(nèi)，飽和壓降與電流呈線(xiàn)性關(guān)系。在絕大部分IGBT的應(yīng)用中，飽和壓降都在f5V之間。在IGBT關(guān)斷時(shí)，因所有IGBT串聯(lián)連接，則理論上，每個(gè)IGBT所分擔(dān)的電壓相等。但由于各IGBT驅(qū)動(dòng)電路傳輸時(shí)間的差異以及IGBT自身開(kāi)關(guān)特性的差異，使得各IGBT很難同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷。當(dāng)其他IGBT已經(jīng)開(kāi)通時(shí)，母線(xiàn)電壓將分擔(dān)到延遲開(kāi)通的IGBT上，使得這些延遲開(kāi)通的IGBT上產(chǎn)生過(guò)壓。在IGBT串聯(lián)電路中，造成IGBT損壞的原因有很多，但不論何種原因造成IGBT損壞，IGBT集電極-發(fā)射極都將被擊穿，其集電極-發(fā)射極電壓變?yōu)镺。因此通過(guò)檢測(cè)IGBT集電極-發(fā)射極電壓是否降到0，可判斷IGBT是否已損壞。當(dāng)IGBT出現(xiàn)過(guò)流(包括短路)時(shí)，集電極-發(fā)射極電流在通態(tài)電阻兩端產(chǎn)生的電壓大于正常工作時(shí)的飽和壓降。因此通過(guò)檢測(cè)IGBT集電極-發(fā)射極電壓是否高于正常工作時(shí)的飽和壓降，可判斷IGBT是否發(fā)生過(guò)流。IGBT過(guò)壓發(fā)生在IGBT關(guān)斷過(guò)程中，同樣，通過(guò)檢測(cè)其集電極-發(fā)射極電壓是否突然增加到IGBT正常工作所允許的電壓以上，可判斷該IGBT是否發(fā)生過(guò)壓。高靈敏度的電壓比較器目前已廣泛應(yīng)用于對(duì)電壓的快速檢測(cè)，因此只要通過(guò)電壓比較器，配合其外圍電路即可實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT集電極-發(fā)射極電壓的快速檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于IGBT多級(jí)串聯(lián)電路的IGBT故障檢測(cè)電路。利用該電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)IGBT串聯(lián)電路中各IGBT是否發(fā)生損壞、過(guò)流和過(guò)壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并輸出
反饋信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明包括IGBT損壞檢測(cè)電路、IGBT過(guò)流檢測(cè)電路、IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路、信號(hào)反饋電路；IGBT損壞檢測(cè)電路的兩個(gè)檢測(cè)端分別與被檢測(cè)的IGBT的集電極和發(fā)射極相連；IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的兩個(gè)檢測(cè)端分別與被檢測(cè)的IGBT的集電極和發(fā)射極相連；IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的兩個(gè)檢測(cè)端分別與被檢測(cè)的IGBT的集電極和發(fā)射極相連；IGBT損壞檢測(cè)電路的過(guò)流檢測(cè)信號(hào)輸出端與信號(hào)反饋電路的第一個(gè)輸入端相連；IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的損壞檢測(cè)信號(hào)輸出端與信號(hào)反饋電路的第二個(gè)輸入端相連，IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的損壞檢測(cè)信號(hào)輸出端與信號(hào)反饋電路的第三個(gè)輸入端相連；IGBT損壞檢測(cè)電路的一端同時(shí)與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的一端相連，IGBT損壞檢測(cè)電路的另一端同時(shí)與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的另一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的另一端相連。所述的IGBT損壞檢測(cè)電路，包括第I 4個(gè)快速恢復(fù)二極管VD1、VD2、VD3、VD4，第I個(gè)鍺二極管D1，第I 3個(gè)穩(wěn)壓二極管VS1、VS2、VS3，第I 3個(gè)電容C1、C2、C3，第I 4個(gè)電阻R1、R2、R3、R4，第I個(gè)電壓比較器U1，15V電源和-15V電源；第2個(gè)快速恢復(fù)二極管VD2的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT集電極相連，同時(shí)與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的一端相連，第4個(gè)快速恢復(fù)二極管VD4的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT發(fā)射極相連，同時(shí)與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的另一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的另一端相連；第I個(gè)電壓比較器Ul的2腳與信號(hào)反饋電路的第一個(gè)輸入端相連。所述的IGBT過(guò)流檢測(cè)電路，包括第5 8個(gè)快速恢復(fù)二極管VD5、VD6、VD7、VD8，第4 5個(gè)穩(wěn)壓二極管VS4、VS5，第4 6個(gè)電容C4、C5、C6，第5 10個(gè)電阻R5、R6、R7、R8、R9、R10，第2 3個(gè)電壓比較器U2、U3，異或非門(mén)U4，第2個(gè)鍺二極管D2，15V電源和-15V電源；第6個(gè)快速恢復(fù)二極管VD6的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT集電極相連，同時(shí)與IGBT損壞檢測(cè)電路的一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的一端相連，第8個(gè)快速恢復(fù)二極管VD8的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT發(fā)射極相連，同時(shí)與IGBT損壞檢測(cè)電路的另一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的另一端相連；異或非門(mén)U4的3腳與信號(hào)反饋電路的第二個(gè)輸入端相連。所述的IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路，包括雪崩二極管VA1，第3個(gè)鍺二極管D3，第6個(gè)穩(wěn)壓二極管VS6，第7 9個(gè)電容C7、C8、C9，第11 14個(gè)電阻Rll、R12、R13、R14，第4個(gè)電壓比較器U5，非門(mén)U6，15V電源和-15V電源；雪崩二極管VAl的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT集電極相連，同時(shí)與IGBT損壞檢測(cè)電路的一端和IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的一端相連，第3個(gè)D3的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT發(fā)射極相連，同時(shí)與IGBT損壞檢測(cè)電路的另一端和IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的另一端相連；非門(mén)U6的2腳與信號(hào)反饋電路的第三個(gè)輸入端相連。所述的信號(hào)反饋電路IGBT，包括第7個(gè)穩(wěn)壓二極管VS7，第10 11個(gè)電容C10、Cll,H 15 20個(gè)電阻R15、R16、R17、R18、R19、R20，三輸入與非門(mén)U7，光纖發(fā)光頭U8，光纖收光頭U9，高速光耦U10，三極管Ql，15V電源和-15V電源；三輸入與非門(mén)U7的I腳為信號(hào)反饋電路的第一個(gè)輸入端，與IGBT損壞檢測(cè)電路的電壓比較器Ul的2腳相連；三輸入與非門(mén)U7的2腳為信號(hào)反饋電路的第二個(gè)輸入端，與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的異或非門(mén)U4的3腳相連；三輸入與非門(mén)U7的13腳為信號(hào)反饋電路的第三個(gè)輸入端，與IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的非門(mén)U6的2腳相連；光纖發(fā)光頭U8和光纖收光頭U9通過(guò)光纖相連；高速光耦UlO的6腳是反饋信號(hào)輸出端。本發(fā)明具有的有益效果是
O實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT是否已經(jīng)損壞。2)實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT是否出現(xiàn)過(guò)流(包括短路)。3)實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT是否出現(xiàn)過(guò)壓。4)當(dāng)IGBT出現(xiàn)損壞、過(guò)流、過(guò)壓中任何一種故障時(shí)，都能快速輸出故障反饋信號(hào)。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明的IGBT損壞檢測(cè)電路圖。圖3是本發(fā)明的IGBT過(guò)流檢測(cè)電路圖。圖4是本發(fā)明的IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路圖。圖5是本發(fā)明的信號(hào)反饋電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。圖1是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)框圖。包括IGBT損壞檢測(cè)電路、IGBT過(guò)流檢測(cè)電路、IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路、信號(hào)反饋電路；IGBT損壞檢測(cè)電路的兩個(gè)檢測(cè)端分別與被檢測(cè)的IGBT的集電極和發(fā)射極相連；IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的兩個(gè)檢測(cè)端分別與被檢測(cè)的IGBT的集電極和發(fā)射極相連；IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的兩個(gè)檢測(cè)端分別與被檢測(cè)的IGBT的集電極和發(fā)射極相連；IGBT損壞檢測(cè)電路的過(guò)流檢測(cè)信號(hào)輸出端與信號(hào)反饋電路的第一個(gè)輸入端相連；IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的損壞檢測(cè)信號(hào)輸出端與信號(hào)反饋電路的第二個(gè)輸入端相連，IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的損壞檢測(cè)信號(hào)輸出端與信號(hào)反饋電路的第三個(gè)輸入端相連；IGBT損壞檢測(cè)電路的一端同時(shí)與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的一端相連，IGBT損壞檢測(cè)電路的另一端同時(shí)與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的另一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的另一端相連。IGBT損壞檢測(cè)電路用于對(duì)IGBT是否損壞的實(shí)時(shí)檢測(cè)，IGBT過(guò)流檢測(cè)電路用于對(duì)IGBT是否發(fā)生過(guò)流的實(shí)時(shí)檢測(cè)，IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路用于對(duì)IGBT是否發(fā)生過(guò)壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)，信號(hào)反饋電路用于將IGBT損壞檢測(cè)信號(hào)、IGBT過(guò)流檢測(cè)信號(hào)、IGBT過(guò)壓檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為反饋信號(hào)輸出。圖2是本發(fā)明的IGBT損壞檢測(cè)電路圖。電壓比較器Ul的5腳為比較電壓輸入端，同時(shí)接電阻Rl和穩(wěn)壓二極管VSl的負(fù)極。Rl的另一端接15V電源的正極，VSl的正極接快速恢復(fù)二極管VDl的正極，VDl的負(fù)極接快速恢復(fù)二極管VD2的正極，VD2的負(fù)極接被檢測(cè)的IGBT的集電極。被檢測(cè)的IGBT的發(fā)射極作為檢測(cè)電路的電壓參考點(diǎn)，并與15V電源的負(fù)極和-15V電源的正極相連。Ul的5腳的輸入電壓為VS1的穩(wěn)壓值、VDl導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、VD2導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、IGBT集電極-發(fā)射極電壓，四者之和，該電壓不能超過(guò)Ul的工作電壓，即小于15V。Ul的4腳為電壓比較器的參考電壓輸入端，同時(shí)接電阻R2的一端和鍺二極管Dl的正極，Dl的負(fù)極接穩(wěn)壓二極管VS2的負(fù)極，VS2的正極接快速恢復(fù)二極管VD3的正極，VD3的負(fù)極接快速恢復(fù)二極管VD4的正極，VD4的負(fù)極接被檢測(cè)的IGBT的發(fā)射極；R2的另一端與15V電源的正極相連。Ul的4腳輸入電壓為VS2的穩(wěn)壓值加上D1、VD3、VD4導(dǎo)通時(shí)三個(gè)二極管的正向壓降之和，該電壓不能超過(guò)Ul的工作電壓，即應(yīng)小于15 V。如圖2所示，Ul的3腳和12腳分別接15V電源正極和-15V電源的負(fù)極，同時(shí)在15V電源和-15V電源的正負(fù)極各并聯(lián)一個(gè)濾波電容C2、C1。Ul的2腳為IGBT損壞檢測(cè)信號(hào)輸出腳，為得到5V的TTL電平，采用由電阻R3、R4，穩(wěn)壓二極管VS3，濾波電容C3以及15V電源組成的限壓電路；其中R3的一端接Ul的2腳，另一端與VS3的負(fù)極和R4的一端相連，R4的另一端接15V電源的正極，C3與VS3并聯(lián)，VS3的正極作為電壓參考點(diǎn)與IGBT發(fā)射極相連。如圖2所示，Ul必須為高靈敏度的電壓比較器，如LM339。如圖2所示，四個(gè)快速恢復(fù)二極管VDl、VD2、VD3、VD4應(yīng)為型號(hào)相同的耐高壓二極管，要求VDl與VD2的耐壓之和高于IGBT集電極-發(fā)射極所能承受的電壓，如可選用HER108 ；D1為正向?qū)▔航到橛贠. 2 O. 4V之間的鍺二極管，如1N60P。如圖2所示，VS1、VS2應(yīng)為型號(hào)相同的穩(wěn)壓二極管，為使輸入電壓比較器Ul的比較電壓波動(dòng)盡可能小，要求VS1、VS2的穩(wěn)壓值浮動(dòng)范圍小，因此需選用穩(wěn)壓值較小的二極管，如3. 3V穩(wěn)壓二極管1N4728 ；VS3必須為5.1V穩(wěn)壓二極管，如1N4733。如圖3所示，是本發(fā)明的IGBT過(guò)流檢測(cè)電路圖。電壓比較器U2的5腳為比較電壓輸入端，接三端可調(diào)電阻R5的可調(diào)端。R5的一個(gè)固定端接電阻R6的一端，R6的另一端與15V電源的正極相連，R5的另一個(gè)固定端接快速恢復(fù)二極管VD5的正極，VD5的負(fù)極接快速恢復(fù)二極管VD6的正極，VD6的負(fù)極接IGBT的集電極。IGBT的發(fā)射極作為檢測(cè)電路的電壓參考點(diǎn)，并與15V電源的負(fù)極和-15V電源的正極相連。U2的5腳的輸入電壓為R5可調(diào)端與接在VD5正極的R5的固定端之間的壓降、VD5導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、VD6導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、IGBT集電極-發(fā)射極電壓，四者之和，該電壓不能超過(guò)U2的工作電壓，即小于15V。U2的4腳為電壓比較器參考電壓輸入端，同時(shí)接電阻R7的一端和穩(wěn)壓二極管VS4的負(fù)極，R7的另一端接15V電源的正極 ，VS4的正極接快速恢復(fù)二極管VD7的正極，VD7的負(fù)極接快速恢復(fù)二極管VD8的正極，VD8的負(fù)極接被檢測(cè)的IGBT的發(fā)射極。U2的4腳的輸入電壓為VS4的穩(wěn)壓值、VD7導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、VD8導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，三者之和，該電壓不能超過(guò)U2的工作電壓，即應(yīng)小于15V。如圖3所示，電壓比較器U3的5腳為比較電壓輸入端，接U2的5腳；U3的4腳為電壓比較器的參考電壓輸入端，接鍺二極管D2的負(fù)極，D2的正極接15V電源的正極。如圖3所示，U2的3腳和12腳分別接15V電源正極和-15V電源的負(fù)極，同時(shí)在15V電源和-15V電源的正負(fù)極各并聯(lián)一個(gè)濾波電容C4、C5，U3的3腳和12腳分別接15V電源正極和-15V電源的負(fù)極。U2和U3的2腳為電壓比較信號(hào)輸出腳，為得到5V的TTL電平，采用由電阻1 8、1 9、1 10，穩(wěn)壓二極管￥55，濾波電容06以及15V電源所組成的限壓電路；其中R8的一端接U2的2腳，另一端同時(shí)與VS5的負(fù)極和R9的一端相連，R9的另一端接15V電源的正極，C6與VS5并聯(lián)，VS5的正極作為電壓參考點(diǎn)與IGBT發(fā)射極相連。VS5的負(fù)極與RlO的一端相連，RlO的另一端與U3的2腳相連。如圖3所示，異或非門(mén)U4的I腳與U3的2腳相連，U4的2腳與U2的2腳相連，U4的14腳與VS5的負(fù)極相連，U4的7腳為電壓參考點(diǎn)，與IGBT的發(fā)射極相連。U4的3腳為IGBT損壞檢測(cè)信號(hào)輸出腳。
如圖3所示，U2、U3必須為高靈敏度的電壓比較器，如LM339，U3必須為異或非門(mén)，如 74LS266。如圖3所示，四個(gè)快速恢復(fù)二極管VD5、VD6、VD7、VD8應(yīng)為型號(hào)相同的耐高壓二極管，要求VD5與VD6的耐壓之和高于IGBT集電極-發(fā)射極所能承受的電壓，如可選用HER108 ；D2為正向?qū)▔航到橛贠. 2 O. 4V之間的鍺二極管，如1N60P。如圖3所示，因IGBT的飽和壓降較小，為更精確的檢測(cè)IGBT的過(guò)流值同時(shí)能有較大的檢測(cè)范圍，要求輸入U(xiǎn)2的4腳的電壓不能太大，也不能太小；太大則難以保證檢測(cè)精度，且有可能超過(guò)U2的供電電壓；太小則檢測(cè)范圍不夠。因此，VS4的穩(wěn)壓值應(yīng)適中，即介于5 IOV之間，如選擇6. 8V穩(wěn)壓二極管1N4736 ；VS5必須為5.1V穩(wěn)壓二極管，如1N4733。如圖4所示，是本發(fā)明的IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路圖。電壓比較器U5的5腳為比較電壓輸入端，同時(shí)接電阻Rll的一端和電阻R12的一端。Rll的另一端接雪崩二極管VAl的正極，VAl的負(fù)極接被檢測(cè)的IGBT的集電極。R12的另一端與被檢測(cè)的IGBT的發(fā)射極相連，IGBT的發(fā)射極作為檢測(cè)電路的電壓參考點(diǎn)，并與15V電源的負(fù)極和-15V電源的正極相連。U5的5腳輸入電壓即為R12兩端的電壓。U5的4腳為電壓比較器的參考電壓輸入端，接鍺二極管D3的正極，D3的負(fù)極接IGBT的發(fā)射極。U5的4腳輸入電壓即為D3的正向壓降。如圖4所示，U5的3腳和12腳分別接15V電源正極和-15V電源的負(fù)極，同時(shí)在15V電源和-15V電源的兩端各并聯(lián)一個(gè)濾波電容C8、C9。U5的2腳為電壓比較器信號(hào)輸出腳，為得到5V的TTL電平，采用由電阻R13、R14，穩(wěn)壓二極管VS6，濾波電容C7以及15V電源所組成的限壓電路；其中R14的一端接U5的2腳，另一端與VS6的負(fù)極和R13的一端相連，Rl3的另一端接15V電源的正極，C7與VS6并聯(lián)，VS6的正極作為電壓參考點(diǎn)與IGBT發(fā)射極相連。U2的2腳U6的I腳相連，U6的14腳與VS6的負(fù)極相連，U6的7腳為電壓參考點(diǎn)與IGBT發(fā)射極相連。U6的2腳為IGBT過(guò)壓檢測(cè)信號(hào)輸出腳。如圖4所示，U5必須為高靈敏度的電壓比較器，如LM339 ；U6必須為非門(mén)，如74LS04。如圖4所示，VAl必須為高耐壓的雪崩二極管，其耐壓值應(yīng)介于IGBT集電極-發(fā)射極電壓的最大工作允許電壓與擊穿電壓之間，例如=IGBT的最大工作允許電壓為800V，IGBT的擊穿電壓為1200V，則可選耐壓為1000V的雪崩二極管BYW56。如圖4所示，當(dāng)IGBT出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)，VAl被反向擊穿，電流從Rll、R12上流過(guò)，為了限制電流大小，Rll應(yīng)選擇阻值較大的電阻，如IOkQ ;R12為采樣電阻，R12上的電壓直接輸入U(xiǎn)5的5腳，該輸入電壓既不能超過(guò)U5的供電電壓也不能太小，若太小，則無(wú)法與U5的4腳電壓進(jìn)行比較，因此R12的阻值可在1(Γ100Ω之間。如圖4所示，VS6必須為5.1V穩(wěn)壓二極管，如1Ν4733。為增加過(guò)壓檢測(cè)精度，要求U5的4腳電壓保持一個(gè)較小的穩(wěn)定電壓，因此D3可選正向?qū)▔航到橛贠. 2^0. 4V之間的鍺二極管，如1Ν60Ρ。 如圖5所示，是本發(fā)明的信號(hào)反饋電路圖。三輸入與非門(mén)U7的I腳與IGBT損壞檢測(cè)電路中電壓比較器Ul的2腳相連，U7的2腳與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路中異或非門(mén)U4的3腳相連，U7的13腳與IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路中非門(mén)U6的2腳相連。U7需要5V供電，采用由電阻R15，穩(wěn)壓二極管VS7，濾波電容ClO以及15V電源所組成的限壓電路；其中R15的一端接VS7的負(fù)極，R15的另一端接15V電源的正極，ClO與VS7并聯(lián)，VS7的正極作為電壓參考點(diǎn)同時(shí)與IGBT發(fā)射極、U7的7腳相連。U7的12腳與電阻R16的一端相連，R16的另一端與三極管Ql的基極相連，Ql的集電極與15V電源的正極相連，Ql的發(fā)射極與R17的一端相連，R17的另一端與光纖發(fā)光頭U8的2腳相連，U8的3腳與U7的7腳相連。如圖5所示，U8和光纖收光頭U9通過(guò)光纖連接，U9的2腳同時(shí)接5V電源的正極和電阻R18的一端；R18的另一端同時(shí)接U9的6腳和高速光耦UlO的2腳；U10的3腳與5V電源的負(fù)極相連，并同時(shí)與U9的3腳和7腳相連。UlO的8腳和7腳相連，并同時(shí)與5V電源和的正極和電阻R19的一端相連；R19的另一端與UlO的6腳相連，該腳為反饋信號(hào)輸出腳。UlO的5腳接5V電源的負(fù)極，5V電源的正負(fù)極之間并聯(lián)濾波電容C11。如圖5所示，U6為三輸入與非門(mén)，可選74LS10 ;U8為光纖發(fā)光頭，可選HFBR-1414 ；U9為光纖收光頭，可選HFBR-2412 ；U10為高速光耦，可選6N137。如圖5所不,5V電源與15V電源時(shí)相互獨(dú)立的兩個(gè)電源,二者的負(fù)極不相連。如圖5所示，VS7必須為5.1V穩(wěn)壓二極管，如1N4733。如圖5所示，Ql必須為輸出電流大于20 mA的高頻三極管，如9014。本發(fā)明的工作過(guò)程如下
IGBT損壞檢測(cè)電路中輸入電壓比較器Ul的5腳的電壓為穩(wěn)壓二極管VSl的穩(wěn)壓值、VDI導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、VD2導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、IGBT集電極-發(fā)射極電壓，四者之和；輸入U(xiǎn)l的4腳的電壓是一個(gè)恒定值，等于VS2的穩(wěn)壓值加上Dl、VD3、VD4導(dǎo)通時(shí)的三個(gè)二極管的正向壓降之和。VS1、VS2的穩(wěn)壓值相等，￥01、￥02、￥03、￥04導(dǎo)通時(shí)的正向壓降相等，因此要判斷IGBT是否發(fā)生損壞只需比較IGBT集電極-發(fā)射極電壓與鍺二極管Dl導(dǎo)通時(shí)的正向壓降的大小即可。若IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，則VDl、VD2反向截止，Ul的5腳輸入電壓拉高為15V，大于Ul的4腳的輸入電壓，則Ul的2腳輸出高電平“I”;若處于導(dǎo)通狀態(tài)，其集電極-發(fā)射極電壓的飽和壓降高于Dl導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，因此Ul的5腳電壓高于Ul的4腳電壓，Ul的2腳輸出高電平“I”。當(dāng)IGBT損壞時(shí)時(shí)，集電極-發(fā)射極被擊穿，其集電極-發(fā)射極為0，低于Dl導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，Ul的5腳的電壓低于則Ul的4腳的電壓，Ul的2腳輸出低電平“O”。因此IGBT正常時(shí)，Ul的2腳輸出“1”；IGBT損壞時(shí)，Ul的2腳輸出“O”。IGBT過(guò)流檢測(cè)電路中輸入U(xiǎn)2的5腳電壓為R5可調(diào)端與接在VD5正極的R5的固定端之間的壓降、VD5導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、VD6導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、IGBT集電極-發(fā)射極電壓，四者之和；輸入U(xiǎn)2的4腳的電壓是一個(gè)恒定值，其大小為VS4的穩(wěn)壓值、VD7導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、VD8導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，三者之和。VD5、VD6、VD7、VD8導(dǎo)通時(shí)的正向壓降相等，因此判斷U2的2腳輸出電平，只需比較R5可調(diào)端與接在VD5正極的R5的固定端之間的壓降加上IGBT集電極-發(fā)射極電壓的值與VS4的穩(wěn)壓值的大小即可。IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，VD5、VD6反向截止，U2的5腳的輸入電壓拉高為15V，大于U2的4腳輸入電壓，則U2的2腳輸出高電平“I”。IGBT導(dǎo)通時(shí)，其集電極-發(fā)射極電壓Uce與流過(guò)集電極和發(fā)射極的電流I。呈線(xiàn)性關(guān)系UCE = Ron · Ic，其中Rm為IGBT集電極-發(fā)射極通態(tài)電阻，其大小可通過(guò)查找各IGBT生產(chǎn)廠家提供的datasheet參數(shù)中，特定電流下的飽和壓降，將該飽和壓降除以對(duì)應(yīng)的集電極電流即可得出；也可以在IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下，使其集電極流過(guò)較小電流(f5A)，用高精度的萬(wàn)用表測(cè)量其集電極-發(fā)射極電壓，并進(jìn)行計(jì)算，或直接測(cè)量其集電極-發(fā)射極電阻。設(shè)IGBT工作中所允許的I。的最大值為1c(max)，則可計(jì)算出此時(shí)Uce的大小，設(shè)為UeE(max)。設(shè)R5可調(diào)端與接在VD5正極的R5的固定端之間的壓降為Uk5，調(diào)整R5可調(diào)端的位置即可改變Ue5的大小。調(diào)節(jié)R5可調(diào)端的位置，使Ur5與UeE(max)之和與VS4的穩(wěn)壓值相等。則IGBT正常工作時(shí)，Uce小于Ura0liax),即U2的5腳的電壓低于U2的4腳的電壓，U2的2腳輸出低電平“O”。當(dāng)IGBT過(guò)流(包括短路)時(shí)，
Uce 大于 Uce (max)， 因此U2的5腳的電壓高于U2的4腳的
電壓，U2的2腳輸出高電平“I”。IGBT過(guò)流檢測(cè)電路中輸入U(xiǎn)3的5腳的電壓與輸入U(xiǎn)2的5腳的電壓相等，U3的4腳的電壓為15V減去D2導(dǎo)通時(shí)的正向壓降。D2導(dǎo)通時(shí)的正向壓降為O. 2^0. 4V，因此U3的4腳電壓略低于15V。以上分析可知，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，U3的5腳的電壓為15V，高于U3的4腳的電壓，U3的2腳輸出高電平“I”。IGBT開(kāi)通時(shí)，若正常工作，U3的5腳的電壓低于U3的4腳的電壓，U3的2腳輸出低電平·“O”。IGBT出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，Uce大于UCE(max)，由IGBT特性可知，IGBT短路時(shí)(極限電流)產(chǎn)生的飽和壓降依然很小，如目前電壓等級(jí)最高的6. 5kV系列IGBT模塊，其最大飽和壓降依然小于5V，因此U3的5腳的電壓低于U3的4腳的電壓，U3的2腳輸出低電平“O”。由此可知，在IGBT關(guān)斷時(shí)U2的2腳和U3的2腳同時(shí)輸出“I”；IGBT正常導(dǎo)通時(shí)，U2的2腳和U3的2腳同時(shí)輸出“0，，;IGBT過(guò)流(包括短路)時(shí)，U2的2腳輸出“1，，，U3的2腳輸出“O”。U2的2腳和U3的2腳同時(shí)輸入異或非門(mén)U4，U4的作用是當(dāng)輸入相同時(shí)輸出“1”，輸入不同時(shí)輸出“O”。因此IGBT正常時(shí)，U4的3腳輸出“1”;IGBT過(guò)流時(shí)，U4的3腳輸出“O”。IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路中，雪崩二極管VAl的擊穿電壓高于IGBT正常工作所允許最大電壓。IGBT正常工作時(shí)，VAl反向截止，R12中無(wú)電流流過(guò)，因此U5的5腳電壓為0，而U5的4腳電壓為鍺二極管D3的正向?qū)▔航?，U5的2腳輸出“O”。當(dāng)IGBT過(guò)壓時(shí)，VAl反向擊穿，R12中流過(guò)一定的電流，該電流在R12兩端產(chǎn)生的電壓大于D3的正向?qū)▔航禃r(shí)，U5的5腳電壓大于U5的4腳電壓，U5的2腳輸出“ I ”。U5的2腳輸出的電平輸入非門(mén)U6的I腳，經(jīng)電平反向后，由U6的2腳輸出。因此IGBT正常時(shí)，U6的2腳輸出“I” ；IGBT過(guò)流時(shí)，U6的2腳輸出“O”。Ul的2腳、U4的3腳、U6的2腳分別輸入信號(hào)反饋電路U7的I腳、2腳和13腳。U7為三輸入與非門(mén)，任何一路輸入“0”，U7的12腳都輸出“I”。由以上分析可知，任何一路檢測(cè)電路出現(xiàn)故障，U6的12腳都輸出“ 1”，此時(shí)三極管Ql導(dǎo)通，光纖發(fā)光頭U8被觸發(fā)發(fā)光。光纖收光頭U9接收到光信號(hào)后，U9的6腳輸出“0”，高速光耦UlO截止，其的6腳輸出高電平“I”。當(dāng)IGBT正常工作時(shí)，三路檢測(cè)信號(hào)均為“1”，U7的12腳輸出“0”，Ql截止，光纖不工作。因此U9的6腳輸出“1”，UlO工作，其的6腳輸出低電平“O”。因此只需判斷UlO的6腳輸出電平的高低即可知道IGBT是否出現(xiàn)故障。
權(quán)利要求
1.一種IGBT故障檢測(cè)電路，其特征在于包括IGBT損壞檢測(cè)電路、IGBT過(guò)流檢測(cè)電路、IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路、信號(hào)反饋電路；IGBT損壞檢測(cè)電路的兩個(gè)檢測(cè)端分別與被檢測(cè)的 IGBT的集電極和發(fā)射極相連；IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的兩個(gè)檢測(cè)端分別與被檢測(cè)的IGBT的集電極和發(fā)射極相連；IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的兩個(gè)檢測(cè)端分別與被檢測(cè)的IGBT的集電極和發(fā)射極相連；IGBT損壞檢測(cè)電路的過(guò)流檢測(cè)信號(hào)輸出端與信號(hào)反饋電路的第一個(gè)輸入端相連；IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的損壞檢測(cè)信號(hào)輸出端與信號(hào)反饋電路的第二個(gè)輸入端相連，IGBT 過(guò)壓檢測(cè)電路的損壞檢測(cè)信號(hào)輸出端與信號(hào)反饋電路的第三個(gè)輸入端相連；IGBT損壞檢測(cè)電路的一端同時(shí)與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的一端相連，IGBT損壞檢測(cè)電路的另一端同時(shí)與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的另一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的另一端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種IGBT故障檢測(cè)電路，其特征在于所述的IGBT損壞檢測(cè)電路，包括第I 4個(gè)快速恢復(fù)二極管VD1、VD2、VD3、VD4，第I個(gè)鍺二極管Dl，第I 3 個(gè)穩(wěn)壓二極管VS1、VS2、VS3，第I 3個(gè)電容C1、C2、C3，第I 4個(gè)電阻R1、R2、R3、R4，第 I個(gè)電壓比較器Ul，15V電源和-15V電源；第2個(gè)快速恢復(fù)二極管VD2的負(fù)極與被檢測(cè)的 IGBT集電極相連，同時(shí)與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的一端相連，第4 個(gè)快速恢復(fù)二極管VD4的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT發(fā)射極相連，同時(shí)與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的另一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的另一端相連;第I個(gè)電壓比較器Ul的2腳與信號(hào)反饋電路的第一個(gè)輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT故障檢測(cè)電路，其特征在于所述的IGBT過(guò)流檢測(cè)電路，包括第5 8個(gè)快速恢復(fù)二極管VD5、VD6、VD7、VD8，第4 5個(gè)穩(wěn)壓二極管VS4、VS5, 第4 6個(gè)電容C4、C5、C6，第5 10個(gè)電阻R5、R6、R7、R8、R9、R10，第2 3個(gè)電壓比較器U2、U3，異或非門(mén)U4，第2個(gè)鍺二極管D2，15V電源和-15V電源；第6個(gè)快速恢復(fù)二極管 VD6的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT集電極相連，同時(shí)與IGBT損壞檢測(cè)電路的一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的一端相連，第8個(gè)快速恢復(fù)二極管VD8的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT發(fā)射極相連，同時(shí)與IGBT損壞檢測(cè)電路的另一端和IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的另一端相連；異或非門(mén)U4的3腳與信號(hào)反饋電路的第二個(gè)輸入端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT故障檢測(cè)電路，其特征在于所述的IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路，包括雪崩二極管VA1，第3個(gè)鍺二極管D3，第6個(gè)穩(wěn)壓二極管VS6，第7 9個(gè)電容C7、C8、 C9，第11 14個(gè)電阻町1、1 12、1 13、1 14，第4個(gè)電壓比較器U5，非門(mén)U6,15V電源和-15V 電源；雪崩二極管VAl的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT集電極相連，同時(shí)與IGBT損壞檢測(cè)電路的一端和IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的一端相連，第3個(gè)D3的負(fù)極與被檢測(cè)的IGBT發(fā)射極相連，同時(shí)與IGBT損壞檢測(cè)電路的另一端和IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的另一端相連；非門(mén)U6的2腳與信號(hào)反饋電路的第三個(gè)輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種IGBT故障檢測(cè)電路，其特征在于所述的信號(hào)反饋電路IGBT，包括第7個(gè)穩(wěn)壓二極管VS7，第10 11個(gè)電容CIO、C11，第15 20個(gè)電阻R15、 R16、R17、R18、R19、R20，三輸入與非門(mén)U7，光纖發(fā)光頭U8，光纖收光頭U9，高速光耦U10，三極管Ql，15V電源和-15V電源；三輸入與非門(mén)U7的I腳為信號(hào)反饋電路的第一個(gè)輸入端， 與IGBT損壞檢測(cè)電路的電壓比較器Ul的2腳相連；三輸入與非門(mén)U7的2腳為信號(hào)反饋電路的第二個(gè)輸入端，與IGBT過(guò)流檢測(cè)電路的異或非門(mén)U4的3腳相連；三輸入與非門(mén)U7的13腳為信號(hào)反饋電路的第三個(gè)輸入端，與IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路的非門(mén)U6的2腳相連；光纖發(fā)光頭U8和光纖收光頭U9通過(guò)光纖相連；高速光 耦UlO的6腳是反饋信號(hào)輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種IGBT故障檢測(cè)電路。包括IGBT損壞檢測(cè)電路、IGBT過(guò)流檢測(cè)電路、IGBT過(guò)壓檢測(cè)電路、信號(hào)反饋電路。三個(gè)檢測(cè)電路均通過(guò)高靈敏度的電壓比較器檢測(cè)IGBT集電極-發(fā)射極的電壓，并與各電壓比較器所設(shè)定的參考電壓進(jìn)行比較。各個(gè)檢測(cè)電路將檢測(cè)結(jié)果以TTL電平的形式輸入信號(hào)反饋電路，當(dāng)IGBT損壞、過(guò)流以及過(guò)壓中任何一種故障發(fā)生時(shí)，反饋電路中的光纖發(fā)光頭都將被觸發(fā)，得到的故障反饋信號(hào)通過(guò)光纖隔離傳輸后，由高速光耦輸出。本發(fā)明能實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT是否已經(jīng)損壞；實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT是否出現(xiàn)過(guò)流；實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT是否出現(xiàn)過(guò)壓；當(dāng)其任何一種故障時(shí)，都能快速輸出故障反饋信號(hào)。
文檔編號(hào)G01R31/26GK103033732SQ201210446218
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者王劍平, 余琳, 江婷婷, 黃康, 王海軍, 蓋玲 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)