專利名稱：一種絕緣柵雙極型晶體管過流保護(hù)點的設(shè)置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種絕緣柵雙極型晶體管過流保護(hù)點的 設(shè)置方法。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管Gnsulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)是由 電力晶體管(GiantTransistor，GTR)和場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxidelemiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，IGBT 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度 大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低，其頻率特性介于MOSFET與功率晶 體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛 的應(yīng)用。由于IGBT具有開關(guān)速度快，導(dǎo)通壓降低，驅(qū)動功率小，工作頻率高，門極控制方便 等特點，在較高頻率的大、中功率變換系統(tǒng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。在IGBT的應(yīng)用中，IGBT的 驅(qū)動、保護(hù)和吸收這三個問題都是至關(guān)重要的，其中過流保護(hù)更是IGBT應(yīng)中的關(guān)鍵技術(shù)。 IGBT通常工作在大功率、環(huán)境多變的環(huán)境下，并且在功率變換中起著核心作用，IGBT可安 全關(guān)斷的電流僅為2倍的器件額定電流，由于IGBT本身容易發(fā)生過流而損毀，因此IGBT的 過流保護(hù)的可靠與否直接關(guān)系著各種產(chǎn)品的安全、可靠運行。目前，IGBT過流檢測主要有兩種方式一是直接檢測集電極電流值I。，根據(jù)該電流 值來判斷是否過流，這種方法比較直觀，但是檢測精度低，抗干擾能力差，很少在工程上使 用；二是采用間接電壓法，間接電壓法就是利用在某一正向柵極電壓下正向?qū)顟B(tài)下，管 壓降Vre與集電極電流I。成比例的特性，通過檢測Vre來判斷I。大小的方法。當(dāng)集電極電 流Ic增加時，飽和壓降ν。ε也隨之增大，當(dāng)IGBT出現(xiàn)過流情況時，Vce飽和壓降也增大至相 應(yīng)數(shù)值，因此通過檢測IGBT導(dǎo)通時Nce飽和壓降與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較就可以判斷是否出 現(xiàn)過流情況，這種檢測方法簡單、方便，在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的利用檢測V。e電壓來判斷IGBT是否出現(xiàn)過流的方法，是建立在假定 Vce電壓與集電極電流I。的對應(yīng)關(guān)系曲線在任何條件下都不變的基礎(chǔ)之上的。然而在實際 測試中，結(jié)溫的變化往往對Vre電壓有影響，現(xiàn)有的IGBT過流檢測方法大多沒有考慮這種影 響，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確檢測到Vre電壓，過流保護(hù)設(shè)置不準(zhǔn)確，進(jìn)而無法實現(xiàn)對IGBT的有效保護(hù)。因此傳統(tǒng)的通過檢測V。e來判斷過流的方法忽略了結(jié)溫因素帶來的影響，容易造 成對過流的判斷不準(zhǔn)確，造成對IGBT的保護(hù)不可靠。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中IGBT的過流保護(hù)方法沒有考慮結(jié)溫因素、對過流判斷不準(zhǔn)確的 缺點，本發(fā)明的目的是提供了一種電路簡單，保護(hù)動作更快，更加可靠的IGBT過流保護(hù)點的設(shè)置方法，該方法得到的過流保護(hù)點考慮了 IGBT結(jié)溫溫度的變化對集電極與發(fā)射極間 電壓V。e的影響，對過流判斷較為準(zhǔn)確，對IGBT發(fā)生過流時保護(hù)的更加及時可靠。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種絕緣柵雙極型晶體管過流保護(hù)點的設(shè)置方法，其改進(jìn)之處在于所述方法采 用將IGBT處在不同結(jié)溫溫度下的關(guān)斷電流都在2倍額定電流內(nèi)，所述IGBT的結(jié)溫溫度范 圍是25°C 150°C，所述方法包括如下步驟(1)分別選取IGBT的結(jié)溫溫度為25°C、125°C和150°C時的Vce與Ic的關(guān)系曲線，
所述Vre與I。的關(guān)系曲線中；(2)選取IGBT結(jié)溫溫度為25°C時ν。ε與I。的關(guān)系曲線，確定2倍額定電流點C，以 C為基點向橫坐標(biāo)軸作一條垂直線，垂直線與橫坐標(biāo)軸相交得到過流保護(hù)點A ；(3)以所述垂直線與IGBT的結(jié)溫溫度為150°C時V。e與I。的關(guān)系曲線的交點向縱 坐標(biāo)軸作一條水平垂直線，水平垂直線與縱坐標(biāo)軸相交，得出IGBT的結(jié)溫溫度為150°C時 可關(guān)斷電流值B;(4)得出IGBT的結(jié)溫溫度在25°C 150°C之間，可以安全關(guān)斷的IGBT電流值為 B C ；(5)主電路中IGBT正常工作的電流峰值只要小于B值，即使IGBT的結(jié)溫溫度為 150°C時發(fā)生過流情況，關(guān)斷電流也在IGBT的2倍額定電流之內(nèi)，關(guān)斷是安全的；(6) IGBT過流保護(hù)點即為A。本發(fā)明的另一優(yōu)選技術(shù)方案為所述方法在驅(qū)動器上實現(xiàn)IGBT過流保護(hù)的過程 為(1)根據(jù)過流保護(hù)點的設(shè)置值，在驅(qū)動器上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，得出保護(hù)門檻電壓值
Vthreshold (2)驅(qū)動器上電，動態(tài)Vce檢測電路測量集電極與發(fā)射極之間電壓Vce ；(3) IGBT開通Tl時間后判斷Vce電壓是否超過保護(hù)門檻電壓；(4)若Vce小于保護(hù)門檻電壓，說明IGBT處于正常工作狀態(tài)，動態(tài)Vce檢測電路繼 續(xù)測量Vce ；(5)若Vce大于保護(hù)門檻電壓，驅(qū)動器檢測到IGBT出現(xiàn)過流情況；驅(qū)動器檢測到 IGBT出現(xiàn)過流后，通過光纖輸出接口迅速回報給控制器，控制器通過驅(qū)動器上光纖輸入接 口發(fā)出封鎖信號；(6)經(jīng)過Δ T時間的延時后，發(fā)生過流的IGBT被關(guān)斷，從而實現(xiàn)了 IGBT的過流保 護(hù)；(7)再經(jīng)過ΔΤ'時間的延時，驅(qū)動器的故障回報會自動復(fù)位并清除故障信號，故 障信號自動清除之后IGBT即可以被再次觸發(fā)。本發(fā)明的再一優(yōu)選技術(shù)方案為所述Tl小于20μ s，ΔΤ小于200ns，所述ΔΤ'為
可設(shè)定值。由于采取了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明帶來的有益效果如下1、方法簡單、實用本發(fā)明根據(jù)IGBT的制作工藝，設(shè)置IGBT的集電極電流I。在2倍額定電流以內(nèi)， 關(guān)斷是安全的；
2、保護(hù)動作更快、更可靠驅(qū)動器通過光纖傳遞信號，延時小；3、保證IGBT的安全本發(fā)明所采取的過流保護(hù)點的設(shè)置方法，可以使IGBT處在不同結(jié)溫下的關(guān)斷電 流都在2倍額定電流內(nèi)，確保IGBT的使用安全。


圖1是驅(qū)動器過流保護(hù)流程2是不同結(jié)溫條件下Vce與Ic的關(guān)系曲線3是3300V/1500AIGBT的Vce與Ic關(guān)系曲線4是驅(qū)動器的基本電路結(jié)構(gòu)圖
具體實施例方式以下通過具體實施例并結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)的描述。實施例1 本發(fā)明所述過流保護(hù)點的設(shè)置方法是基于驅(qū)動器的一種設(shè)置方法，驅(qū)動器的過流 檢測保護(hù)的流程圖如附圖1所示。驅(qū)動器上的動態(tài)V。e電壓檢測電路上電后開始檢測v。e電 壓，判斷集電極與發(fā)射極間電壓Vce與門限電壓之間的大小，若集電極與發(fā)射極間電壓Vce 小于門限電壓，說明IGBT處于正常工作狀態(tài)；若集電極與發(fā)射極間電壓Vce超過門限電壓， 則可判斷IGBT出現(xiàn)過流情況，驅(qū)動器通過光纖回報給控制器，控制器發(fā)封鎖信號，IGBT被 關(guān)斷，從而實現(xiàn)過流保護(hù)目的。實施例2 本發(fā)明中根據(jù)IGBT的制造工藝，經(jīng)過多次實驗證明，當(dāng)IGBT的集電極電流I。在 2倍額定電流以內(nèi)時，關(guān)斷是安全的；當(dāng)IGBT的集電極電流I。在2倍至4倍額定電流范圍 內(nèi)，關(guān)斷存在炸管子的風(fēng)險；當(dāng)IGBT的集電極電流I。超過4倍額定電流時，關(guān)斷也是安全 的。因此，設(shè)置過流保護(hù)時要使IGBT處在不同結(jié)溫下關(guān)斷電流都在2倍額定電流內(nèi)，以確 保IGBT的使用安全。IGBT在不同結(jié)溫溫度下V。e電壓與集電極電流I。的關(guān)系曲線如附圖2所示，可以 看出，在不同的結(jié)溫下，Vce與I。的對應(yīng)關(guān)系是不同的，但Vre與I。成比例的特性是一致的。 在特定的集電極電流Ic下，結(jié)溫越高對應(yīng)的Vre越大。實施例3 以兩只3300V/1500AIGBT并聯(lián)，器件工作額定電流有效值為950Α，最大過載1. 4倍 為例進(jìn)行分析。采用的驅(qū)動器為主從驅(qū)動器，主從驅(qū)動器之間通過并聯(lián)數(shù)據(jù)線連接，分別控 制并聯(lián)使用的IGBT。如附圖3所示，圖中曲線為該IGBT器件Vce與Ic的關(guān)系曲線，橫坐標(biāo)代表導(dǎo)通 管壓降Vce，縱坐標(biāo)代表集電極電流Ic。圖中三條曲線分別代表IGBT的結(jié)溫溫度為25°C、 125°C和150°C時的Vce與Ic的關(guān)系曲線，可以看出，隨著電流的增力Π，導(dǎo)通管壓降也逐步增 大，Vce與Ic基本成正比關(guān)系。過流保護(hù)點的設(shè)置方法為(1)為了保證在不同結(jié)溫條件下IGBT的關(guān)斷電流都在2倍額定電流之內(nèi)，在圖3中，以25°C時Vce與Ic的特性曲線為基準(zhǔn)，2倍額定電流點3000A向橫坐標(biāo)作一條垂直線， 可得出過流保護(hù)點Vce值大概為3. 45V ；(2)該垂直線與150°C時Vce與Ic的特性曲線的交點向縱坐標(biāo)作一條水平垂 直線，水平垂直線與縱坐標(biāo)軸相交，可得出IGBT的結(jié)溫在150°C時可關(guān)斷電流值大概為 1700A ；(3)得出IGBT的結(jié)溫在25V 150°C之間，可以安全關(guān)斷的單只IGBT電流值為 1700 3000A，兩只并聯(lián)IGBT電流值達(dá)到3400 6000A ；(4)在主電路中IGBT的工作電流為950A，考慮1. 4倍過載能力，IGBT工作電流的 峰值為1885A，小于兩只并聯(lián)的IGBT安全關(guān)斷值，即使IGBT的結(jié)溫在150°C時發(fā)生過流情 況，關(guān)斷電流也在2倍額定電流之內(nèi)，因此關(guān)斷是安全的。實施例4 本發(fā)明所述過流保護(hù)點設(shè)置方法，適用于下述驅(qū)動電路，通過驅(qū)動器來實現(xiàn)IGBT 的過流保護(hù)。驅(qū)動器基本電路結(jié)構(gòu)如附圖4所示，該主驅(qū)動器通過電源輸入接口為驅(qū)動器 提供+15V工作電源；光纖輸入輸出接口為驅(qū)動器與控制器之間的接口，控制器將控制信 號通過光纖輸入接口下發(fā)到驅(qū)動器，來控制IGBT器件的開通、關(guān)斷，驅(qū)動器將狀態(tài)信號通 過光纖輸出接口再回報給控制器，以掌握IGBT器件當(dāng)前的工作狀態(tài)；驅(qū)動器輸出驅(qū)動信號 直接接到IGBT器件控制端；主從驅(qū)動器之間通過并聯(lián)數(shù)據(jù)線連接，分別控制并聯(lián)使用的 IGBT。動態(tài)的Vce檢測電路安裝在主驅(qū)動器上，根據(jù)過流保護(hù)點的設(shè)置值3. 45V在驅(qū)動 器上進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，得出保護(hù)門檻電壓值3. 45V，驅(qū)動器中的電路檢測IGBT的集電極 與發(fā)射極之間的電壓Vce，Vce檢測在躲過IGBT的響應(yīng)時間之后啟動，當(dāng)判斷Vce大于保護(hù) 所設(shè)定的門檻電壓值時，驅(qū)動器就可以檢測到IGBT出現(xiàn)了過流情況，同時迅速通過光纖回 報給控制器，控制器發(fā)出封鎖信號，經(jīng)過ΔΤ時間的延時之后，Δ T值小于200ns，發(fā)生過流 的IGBT被關(guān)斷，從而實現(xiàn)了 IGBT的過流保護(hù)；再經(jīng)過一段時間延時，驅(qū)動板的故障回報會 自動復(fù)位并清除故障信號，故障信號自動清除之后IGBT即可以被再次觸發(fā)。其中IGBT被 再次觸發(fā)的時間延時可以設(shè)定，根據(jù)具體情況選擇最佳值。因此，過流保護(hù)點設(shè)置在3. 45V以下，在不同結(jié)溫條件下IGBT發(fā)生過流情況，驅(qū)動 器都可以快速、可靠的關(guān)斷處于過流狀態(tài)的IGBT，確保IGBT的使用安全。此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來 說在不脫離本發(fā)明的范圍下進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅 是例證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1.一種絕緣柵雙極型晶體管過流保護(hù)點的設(shè)置方法，其特征在于所述方法采用將 IGBT處在不同結(jié)溫溫度下的關(guān)斷電流都在2倍額定電流內(nèi)，所述IGBT的結(jié)溫溫度范圍是 25°C 150°C，所述方法包括如下步驟(1)分別選取IGBT的結(jié)溫溫度為25°C、125°C和150°C時的Vce與Ic的關(guān)系曲線；(2)所述Nce與I。的關(guān)系曲線中，選取IGBT結(jié)溫溫度為25°C時Nce與I。的關(guān)系曲線，確 定2倍額定電流點C，以C為基點向橫坐標(biāo)軸作一條垂直線，垂直線與橫坐標(biāo)軸相交得到過 流保護(hù)點A ；(3)以所述垂直線與IGBT的結(jié)溫溫度為150°C時Vee與I。的關(guān)系曲線的交點向縱坐標(biāo) 軸作一條水平垂直線，水平垂直線與縱坐標(biāo)軸相交，得出IGBT的結(jié)溫溫度為150°C時可關(guān) 斷電流值B;(4)得出IGBT的結(jié)溫溫度在25°C 150°C之間，可以安全關(guān)斷的IGBT電流值為B C ；(5)主電路中IGBT正常工作的電流峰值只要小于B值，即使IGBT的結(jié)溫溫度為150°C 時發(fā)生過流情況，關(guān)斷電流也在IGBT的2倍額定電流之內(nèi)，關(guān)斷是安全的；(6)IGBT過流保護(hù)點即為A。
2.如權(quán)利要求1所述的一種絕緣柵雙極型晶體管過流保護(hù)點的設(shè)置方法，其特征在 于所述方法在驅(qū)動器上實現(xiàn)IGBT過流保護(hù)的過程為(1)根據(jù)過流保護(hù)點的設(shè)置值，在驅(qū)動器上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，得出保護(hù)門檻電壓值Vthreshold (2)驅(qū)動器上電，動態(tài)Vce檢測電路測量集電極與發(fā)射極之間電壓Vce；(3)IGBT開通Tl時間后判斷Vce電壓是否超過保護(hù)門檻電壓；(4)若Vce小于保護(hù)門檻電壓，說明IGBT處于正常工作狀態(tài)，動態(tài)Vce檢測電路繼續(xù)測 量 Vce ；(5)若Vce大于保護(hù)門檻電壓，驅(qū)動器檢測到IGBT出現(xiàn)過流情況；驅(qū)動器檢測到IGBT 出現(xiàn)過流后，通過光纖輸出接口迅速回報給控制器，控制器通過驅(qū)動器上光纖輸入接口發(fā) 出封鎖信號；(6)經(jīng)過ΔΤ時間的延時后，發(fā)生過流的IGBT被關(guān)斷，從而實現(xiàn)了IGBT的過流保護(hù)；(7)再經(jīng)過ΔΤ'時間的延時，驅(qū)動器的故障回報會自動復(fù)位并清除故障信號，故障信 號自動清除之后IGBT即可以被再次觸發(fā)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種絕緣柵雙極型晶體管過流保護(hù)點的設(shè)置方法，其特征在 于所述Tl小于20 μ S，Δ T小于200ns，所述Δ T'為可設(shè)定值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種絕緣柵雙極型晶體管過流保護(hù)點的設(shè)置方法，所述方法包括根據(jù)IGBT的制造工藝，設(shè)置過流保護(hù)點，使IGBT處在不同結(jié)溫溫度下的關(guān)斷電流都在2倍額定電流內(nèi)，確保IGBT的使用安全。本發(fā)明提供的過流保護(hù)點的設(shè)置方法，考慮了IGBT的結(jié)溫對過流保護(hù)點的影響，使得檢測精度提高，對IGBT的保護(hù)更加有效，保護(hù)更加及時可靠。
文檔編號H02H7/20GK102082418SQ20111003088
公開日2011年6月1日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者俞旭峰, 武守遠(yuǎn), 王軒, 鄧占鋒, 鄒儉, 韓天緒 申請人:上海市電力公司, 中國電力科學(xué)研究院, 中電普瑞科技有限公司