[发明专利]一种IGBT功率开关器件的短路保护方法及其电路

摘要

一种IGBT功率开关器件的短路保护方法及其电路，包括IGBT驱动电路、栅极驱动电阻RG、短路检测电路和短路处理电路。其中IGBT驱动电路用来给IGBT的栅极提供工作电压，IGBT驱动电路还包括一个控制端口，用来接受来自短路检测电路的短路控制信号，对IGBT驱动电路的输出信号进行锁定；短路检测电路包括硬开关短路故障(HSF)检测电路和带载短路故障(FUL)检测电路两个部分，分别对IGBT的两种短路行为进行检测，共同构成IGBT的短路检测电路；短路处理电路则是当短路故障发生时，对短路故障进行安全可靠的处理。本发明通过对IGBT栅极瞬态行为进行短路检测，电路简单，检测时间短，能够可靠地检测IGBT短路故障，从而对IGBT进行有效的保护。

主权项

一种IGBT功率开关器件的短路保护方法，其特征在于：通过对IGBT功率开关器件的栅极驱动电路输出端串联的栅极驱动电阻RG两端的电压，即IGBT功率开关器件的栅极驱动电压VGG及栅极电压VGE进行检测，判断IGBT功率开关器件是否短路，包括硬开关短路故障HSF检测和带载短路故障FUL检测两部分，分别对IGBT功率开关器件进行HSF短路故障检测和FUL短路故障检测，硬开关短路故障HSF检测的输出电压为VSC1，带载短路故障FUL检测的输出电压为VSC2，VSC1和VSC2经过两输入逻辑或门OR1输出短路控制信号VSC，若检测电压VSC1为高，则说明IGBT发生HSF短路故障，若检测电压VSC2为高，则说明IGBT发生FUL短路故障，将此时的短路控制信号VSC反馈给栅极驱动电路的控制端口，锁定栅极驱动电路的输出信号，屏蔽其对IGBT功率开关器件栅极电压的影响，同时也将短路控制信号VSC经过短路处理后控制IGBT功率开关器件的栅极，对IGBT功率开关器件进行软关断处理，防止过电压对IGBT功率开关器件造成损坏；上述方法中的IGBT功率开关器件的短路保护电路，包括IGBT功率开关器件的栅极驱动电路和栅极驱动电阻RG，栅极驱动电路的输出连接驱动电阻RG的输入端即栅极驱动电压VGG，驱动电阻RG的输出端即栅极电压VGE连接IGBT功率开关器件的栅极，设置硬开关短路故障HSF检测电路、带载短路故障FUL检测电路、两输入逻辑或门OR1以及短路处理电路，其中：栅极驱动电路包括PMOS管MP2、PMOS管MP3和PMOS管MP4，NMOS管MN2、NMOS管MN3、NMOS管MN4和NMOS管MN5，电阻R3、电阻R4和电阻R5，电容C3，反相器INV3和反相器INV4，两输入逻辑与非门NAND1和两输入逻辑与非门NAND2，PMOS管MP2的栅极与NMOS管MN2的栅极互连作为栅极驱动电路的输入端与前级驱动芯片的输出信号连接，PMOS管MP2的源极、PMOS管MP3的源极、PMOS管MP4的源极以及电阻R5的一端均连接电源电压VCC，PMOS管MP2的漏极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电阻R4的一端、电容C3的一端以及PMOS管MP3的栅极和NMOS管MN3的栅极，电阻R4的另一端连接NMOS管MN2的漏极，PMOS管MP3的漏极与NMOS管MN3的漏极、反相器INV3的输入端以及两输入逻辑与非门NAND1的一个输入端连接在一起，反相器INV3的输出端连接两输入逻辑与非门NAND2的一个输入端，两输入逻辑与非门NAND2的另一个输入端与NMOS管MN4的漏极、电阻R5的另一端以及两输入逻辑与非门NAND1的另一个输入端连接在一起，两输入逻辑与非门NAND1的输出端连接PMOS管MP4的栅极，两输入逻辑与非门NAND2的输出端经过反相器INV4连接NMOS管MN5的栅极，NMOS管MN5的源极与NMOS管MN4的源极、NMOS管MN3的源极、NMOS管MN2的源极以及电容C3的另一端连接在一起并接地GND，PMOS管MP4的漏极与NMOS管MN5的漏极互连，作为栅极驱动电路的输出端，输出栅极驱动电压VGG，NMOS管MN4的栅极为栅极驱动电路的控制端口连接逻辑或门OR1输出的短路控制信号VSC；硬开关短路故障HSF检测电路包括平台充电电路、比较器CMP1和比较器CMP2、反相器INV1、两输入逻辑与门AND1和RS触发器，其中平台充电电路包括由两级反相器串联构成的缓冲器以及电阻R1和电容C1，缓冲器输入端连接驱动电阻RG的输入端即栅极驱动电压VGG，缓冲器输出端连接电阻R1的一端，电阻R1另一端连接电容C1的一端和比较器CMP2的反相输入端，电容C1的另一端接地GND，比较器CMP2的同相输入端连接设定的固定电平VREF2，比较器CMP1的同相输入端连接驱动电阻RG的输出端即栅极电压VGE，比较器CMP1的反相输入端连接设定的固定电平VREF1，比较器CMP1的输出VCMP1连接反相器INV1的输入端和逻辑与门AND1的一个输入端，反相器INV1的输出连接RS触发器的复位端R，比较器CMP2的输出VCMP2连接逻辑与门AND1的另一个输入端，逻辑与门AND1的输出连接RS触发器的置位端S，RS触发器Q端输出硬开关短路故障HSF检测电路的控制信号VSC1；带载短路故障FUL检测电路包括由PMOS管MP1、电阻R2和电容C2构成的短路检测充电电路、由反相器INV2和NMOS管MN1构成的电容放电电路以及比较器CMP3，PMOS管MP1的栅极连接电源电压VCC，PMOS管MP1的源极连接驱动电阻RG的输出端即栅极电压VGE，PMOS管MP1的漏极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电容C2的一端以及NMOS管MN1的漏极和比较器CMP3的同相输入端，电容C2的另一端连接NMOS管MN1的源极并接地GND，NMOS管MN1的栅极连接反相器INV2的输出端，反相器INV2的输入端连接驱动电阻RG的输入端即栅极驱动电压VGG，比较器CMP3的反相输入端连接设定的固定电平VREF3，比较器CMP3输出带载短路故障FUL检测电路的控制信号VSC2；硬开关短路故障HSF检测电路的控制信号VSC1和带载短路故障FUL检测电路的控制信号VSC2分别连接两输入逻辑或门OR1的两个输入端，两输入逻辑或门OR1的输出VSC连接短路处理电路并反馈连接至栅极驱动电路的控制端口；短路处理电路包括PMOS管MP5和PMOS管MP6，NMOS管MN6、NMOS管MN7、NMOS管MN8和NMOS管MN9，电阻R6、电阻R7和电阻R8，电容C4，齐纳二极管D1、齐纳二极管D2、齐纳二极管D3、齐纳二极管D4和齐纳二极管D5，其中PMOS管MP5、PMOS管MP6，NMOS管MN7、NMOS管MN8，电阻R6、电阻R7和电容C4构成延时电路，PMOS管MP5的源极和PMOS管MP6的源极均连接电源电压VCC，PMOS管MP5的漏极连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接电阻R7的一端、电容C4的一端以及PMOS管MP6的栅极和NMOS管MN8的栅极，电阻R7的另一端连接NMOS管MN7的漏极，NMOS管MN7的源极接地GND，PMOS管MP5的栅极与NMOS管MN7的栅极互连为延时电路的输入端与NMOS管MN6的栅极连接，该连接端也是短路处理电路的输入端并与两输入逻辑或门OR1的输出VSC连接，PMOS管MP6的漏极与NMOS管MN8的漏极互连并连接NMOS管MN9的栅极，NMOS管MN9的源极、NMOS管MN8的源极、NMOS管MN7的源极、NMOS管MN6的源极以及电容C4的另一端均接地GND并连接齐纳二极管D5的阴极，齐纳二极管D5的阳极连接齐纳二极管D4的阳极，齐纳二极管D4的阴极连接齐纳二极管D3的阳极，齐纳二极管D3的阴极连接齐纳二极管D2的阳极，NMOS管MN6的漏极连接齐纳二极管D1的阳极，NMOS管MN9的漏极连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端与齐纳二极管D2的阴极和齐纳二极管D1的阴极连接在一起，作为短路处理电路的输出端连接IGBT功率开关器件的栅极电压VGE。