CN117092549A - 功率模块短路检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率模块短路检测装置，包括检测单元串联在IGBT的发射极和地之间；驱动单元根据检测单元电压和预设门槛电压比较结果输出电平至驱动开关执行导通或关断，其发送电压信号至驱动芯片；驱动芯片预存有保护逻辑，根据驱动单元电压信号执行对应的保护逻辑；电容连接在驱动芯片故障引脚和地之间。本发明没有采用VCE退饱和检测的方案，而是通过量测指定电感值的检测单元，通过量测的电压获得电流变化率检测IGBT短路状态的实用方法。短路时的电流变化速度比正常应用时的变化速度快几倍，所以仅有在短路时本发明才会输出高电平，并且由于电流变化速度很快，本发明在10ns时间内就可以检测出短路状态。因此，相对现有技术可以大幅缩短短路检测时间。

Description

功率模块短路检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及汽车芯片领域，特别是涉及一种功率模块短路检测装置及检测方法。

背景技术

IGBT是一种先进的功率开关器件，兼有GTR高电流密度、低饱和电压和高耐压的优点以及MOSFET高输入阻抗、高开关频率、单极型电压驱动和低驱动功率的优点(现有技术1)。

近年来，IGBT已经新能源等各个领域获得广泛的应用。由于大功率IGBT模块通常工作在高压大电流的条件下，在系统运行的过程中，IGBT模块会出现短路损坏、炸管的问题，严重影响其应用。因此，IGBT短路检测与保护是其中的一项关键技术。

电机驱动器的工作环境相对恶劣，可能出现高温、交流线路瞬变、机械过载、接线错误以及其它突发情况。其中有些事件可能会导致较大的过流流入电机驱动器的功率电路中。图1显示了三种典型的短路事件。

附图标记1所示为逆变器直通。这可能是由于不正确开启其中一条逆变器桥臂的两个IGBT所导致的，而这种情况又可能是因为遭受了电磁干扰或控制器故障。它也可能是因为臂上的其中一个IGBT磨损/故障导致的，而正常的IGBT保持开关动作。

附图标记2所示为相对相短路。这可能是因为性能下降、温度过高或过压事件导致电机绕组之间发生绝缘击穿所引起的。

附图标记3所示为相线对地短路。这同样可能是因为性能下降、温度过高或过压事件导致电机绕组和电机外壳之间发生绝缘击穿所引起的。一般而言，电机可在相对较长的时间内(毫秒到秒，具体取决于电机尺寸和类型)吸收极高的电流；然而，IGBT——工业电机驱动逆变器级的主要部分——短路耐受时间为微秒级。

功率器件短路耐受时间与其跨导或增益以及功率器件芯片热容量有关。更高的增益导致功率器件内的短路电流更高，因此显然增益较低的功率器件具有较低的短路电平。然而，较高增益同样会导致较低的通态导通损耗，因而必须作出权衡取舍。功率器件技术的发展正在促成增加短路电流电平，但降低短路耐受时间这一趋势。此外，技术的进步导致使用芯片尺寸更小，缩小了模块尺寸，但降低了热容量，以至耐受时间进一步缩短。另外，还与功率器件集电极-发射极电压有很大关系，因而工业驱动趋向更高直流总线电压电平的并行趋势进一步缩减了短路耐受时间。过去，这一时间范围是10μs，但近年来的技术发展趋势是在短路保护相应时间需要答复降低，短路保护时间降低到5μs、3μs以及某些条件下低至1μs，现在的短路保护机制已经不能满足功率器件短路时间越来越短的要求。

现在技术使用带有短路保护功能的驱动芯片，通过检测功率器件的导通压降判断器件是否短路，如下图2所示，OUT引脚输出导通信号，此信号一般为15～16V的电平，功率器件导通后，如果系统出现短路现象其导通压降会变大，使二极管D1截至，Desat引脚内部恒流源向C1充电，当C1电压上大于Desat引脚的阈值电压后，触发芯片关断逻辑，OUT脚输出低电平，关断功率器件。即采用VCE退饱和检测，再配合适当的软关断电路(例如短路保护时序控制开关)进行保护(现有技术2和现有技术3)。

但使用VCE退饱和检测时，则需要较长时间(1～8μs)的检测盲区和较高的集电极-发射极电压检测阈值。较长时间的检测盲区是为了防止IGBT在正常开通时进行误检测，但当IGBT发生一类短路时，集电极电流迅速上升，IGBT一直工作在线性区，较长的短路检测盲区时间不仅不利于限制IGBT的短路电流和功耗，而且可能导致IGBT短路超过其10μs的安全工作时间而损坏。

现有技术1：周志敏，周纪海，纪爱华.IGBT和IPM及其应用电路[M].北京：人民邮电出版社，2006。

现有技术2：范立荣，张凯强.一种适合中频感应加热电源的IGBT驱动技术[J].微型机与应用，2014，33(8)：22-25。

现有技术3：白娅梅，李钰玺，张亚军.基于2SC0108T的IGBT驱动器设计[J].电子技术应用，2011，37(2)：67-70。

中国专利CN202111672823.5公开了一种IGBT短路检测、保护电路及其短路检测、保护方法。其中，IGBT短路检测电路包括采样电路、比较电路和计时电路；计时电路连接于比较电路，比较电路连接于采样电路，采样电路用于连接待测IGBT中辅助射极与功率射极之间的杂散电感；采样电路用于对杂散电感的电压进行采集；比较电路用于将杂散电感的电压与预设的基准电压进行比较，并根据比较结果输出第一信号；计时电路用于根据第一信号处于预设电平状态的时长，输出指示待测IGBT是否发生短路的第二信号，且第一信号处于预设电平状态的时长为流过杂散电感的电流的上升沿的持续时长。本申请提升了对IGBT进行短路检测时的响应速度，从而减小了IGBT在短路时的损坏风险，同时也提升了IGBT的安全性。该在需要通过计时电路根据第一信号处于预设电平状态的时长，输出指示待测IGBT是否发生短路。虽然能快速检测IGBT短路，但检测所需时间仍有待缩短。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明要解决的技术问题是提供一种相对现有技术能缩短功率模块短路检测所需时间，避免功率模块短路损坏的功率模块短路检测装置及方法。

所述功率模块包括,单管模块、半桥模块、全桥模块、三相桥模块或7in1模块。

7in1模块也称CBI模块(Converter-Brake-Inverter Module，整流-刹车-逆变)模块，日系厂商则习惯称其为PIM模块。

为解决上述技术问题，本发明提供的功率模块短路检测装置，包括：

检测单元，其串联在IGBT的发射极和地之间，其能提供指定电感值并能被量测电压；

驱动单元，其根据检测单元电压和预设门槛电压比较结果输出电平至驱动开关执行导通或关断，其发送电压信号至驱动芯片；

驱动芯片，其预存有保护逻辑，其根据驱动单元电压信号执行对应的保护逻辑；

电容，其连接在驱动芯片故障引脚和地之间。

可选择的，进一步改进所述的功率模块短路检测装置，所述检测单元包括：

电感和用于测量所述检测单元电压的测试针脚。

可选择的，进一步改进所述的功率模块短路检测装置，所述电感是铜箔层。

可选择的，进一步改进所述的功率模块短路检测装置，通过改变所述铜箔层能形成检测所需的不同电感值。

可选择的，进一步改进所述的功率模块短路检测装置，所述电感是封装的绑定线。

可选择的，进一步改进所述的功率模块短路检测装置，每个桥臂电路的检测单元所提供的电感值相等。

可选择的，进一步改进所述的功率模块短路检测装置，驱动单元包括：

比较器或比较电路，其负向输入端连接预设门槛电压REF，其正向输入端连接IGBT模块发射极；

驱动开关，其第一端连接驱动电压，其控制端连接比较器或比较电路输出端，其第二端连接驱动芯片短路故障引脚；

电阻，其第一端连接所述驱动芯片短路故障引脚，其第二端经第一二极管连接IGBT集电极；

IGBT，其门极连接驱动芯片输出引脚OUT，其发射极经检测单元连接地。

可选择的，进一步改进所述的功率模块短路检测装置，驱动开关是PMOS，IGBT模块发射极量测电压V1大于预设门槛电压REF时，比较器或比较电路输出低电平，否则输出高电平；

比较器或比较电路输出低电平时，驱动开关导通，驱动芯片短路故障引脚为高电平触发驱动芯片短路保护逻辑，驱动芯片输出引脚输出低电平，关断功率模块；

比较器或比较电路输出高电平，驱动单元关断，驱动单元正常工作。

可选择的，进一步改进所述的功率模块短路检测装置，驱动单元包括：

比较器或比较电路，其正向输入端连接预设门槛电压REF，其负向输入端连接IGBT模块发射极；

驱动开关，其第一端连接驱动电压，其控制端连接比较器或比较电路输出端，其第二端连接驱动芯片输出侧电源引脚VCC2；

第二二极管，其负极连接驱动芯片输出侧电源引脚VCC2，其正极做为输出端；

电阻，其第一端连接所述驱动芯片短路故障引脚，其第二端经第一二极管连接IGBT集电极；

IGBT，其门极连接驱动芯片输出引脚OUT，其发射极经检测单元连接地。

可选择的，进一步改进所述的功率模块短路检测装置，驱动开关是PMOS，IGBT模块发射极量测电压大于预设门槛电压时，比较器或比较电路输出高电平，否则输出低电平；

比较器或比较电路输出高电平，驱动开关导通，驱动单元正常工作，驱动芯片输出引脚OUT输出为驱动电压；

比较器或比较电路输出低电平，驱动开关关断，驱动芯片输出引脚OUT输出电平为第一电平REF2电压，驱动芯片短路执行保护逻辑。

为解决上述技术问题，本发明提供一种利用上述任意一项所述功率模块短路检测装置的功率模块短路检测方法，包括以下步骤:

S1，在IGBT的发射极和地之间串联提供指定电感值的电气元件；

S2，根据量测的电气元件电压与预设预设门槛电压比较结果，控制驱动芯片执行短路保护逻辑。

本发明的工作原理如下：

本发明在IGBT发射极主回路中串联一个已知感量的电感(通过绑定线或者铜箔层实现)当主回路短路時，瞬时会产生巨大的电流变化，di/dt为电流与时间的变化值，已知公式瞬时外接回路的电压V＝L*didt，可以检测外接回路的电压，进而得到电流变化率，通过外部逻辑电路对短路情况进行判断。

本发明主要设计思路在于，没有采用VCE退饱和检测的方案，而是通过量测指定电感值的检测单元，通过量测的电压获得电流变化率，采用di/dt检测IGBT短路状态的实用方法。功率器件的电流变化会在电感上感应出电压,感应出电压的值与电流变速速度di/dt成正比，由于短路时的电流变化速度比正常应用时的变化速度快几倍，所以仅有在短路时此电路才会输出高电平，并且由于电流变化速度很快，在10ns时间内就可以检测出短路状态。因此，相对现有技术可以大幅缩短短路检测时间。

以及，如果检测到短路状态，可以输出信号至电源电压调整电路，将电源电压调整电路的输出幅值降低为预设电压，预设电压接到驱动输出信号上，降低输出信号的电压幅值，输出信号电压幅值降低，功率器件的短路损耗会下降，同是短路耐受时间也可以延长，参考图3所示。

本发明能解决现有技术IGBT短路时间有较长的短路盲区(1～8us)，短路过程中IGBT工作在线性区，短路盲区无法限制IGBT功耗，较长的短路检测盲区时间有可能导致超过IGBT安全工作时间而损坏的技术问题，能有效减小IGBT短路工作时间，限制IGBT的短路电流和功耗，为IGBT模块提供有效保护。

附图说明

本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是三种典型的短路事件原理示意图。

图2是带有短路保护功能的驱动芯片应用结构示意图。

图3是栅极电压与短路耐受时间关系示意图。

图4是本发明第一实施例结构示意图。

图5是检测单元结构示意图。

图6是本发明第二实施例结构示意图。

图7是本发明第三实施例结构示意图。

附图标记说明

C是IGBT的集电极

E、E’表示检测单元的测量点

G是IGBT的门极

Q1是IGBT

R1是电阻

C1是电容

U1B是比较器或比较电路

N1是驱动开关

D1是第一二极管

D2是第二二极管

IC1是驱动芯片

OUT是驱动芯片输出引脚

DESAT是驱动芯片短路故障引脚。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。应当理解的是，当元件被称作“连接”或“结合”到另一元件时，该元件可以直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。不同的是，当元件被称作“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。在全部附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。

第一实施例；

参考图4所示，本发明提供一种功率模块短路检测装置，示例性的每个功率模块中具有三个结构完全相同的桥臂电路，分别对应驱动电机的U、V、W三相；

检测单元，其串联在IGBT的发射极和地之间，其能提供指定电感值并能被量测电压，参考图5所示；

驱动单元，其根据检测单元电压和预设门槛电压比较结果输出电平至驱动开关执行导通或关断，其发送电压信号至驱动芯片；

驱动芯片，其预存有保护逻辑，其根据驱动单元电压信号执行对应的保护逻辑；

电容，其连接在驱动芯片故障引脚和地之间。

可选择的，所述检测单元包括：

电感和用于测量所述检测单元电压的测试针脚。

可选择的，所述电感是铜箔层，能通过改变所述铜箔层能形成检测所需的不同电感值。

可选择的，所述电感是封装的绑定线。

可选择的，每个桥臂电路的检测单元所提供的电感值相等。

第二实施例；

参考图6所示，本发明提供一种功率模块短路检测装置，其为在上述第一实施例基础上进行的进一步改进，相同部分不再赘述，驱动单元包括：

比较器或比较电路，其负向输入端连接预设门槛电压REF，其正向输入端连接IGBT模块发射极；

驱动开关，其第一端连接驱动电压，其控制端连接比较器或比较电路输出端，其第二端连接驱动芯片短路故障引脚；

电阻，其第一端连接所述驱动芯片短路故障引脚，其第二端经第一二极管连接IGBT集电极；

IGBT，其门极连接驱动芯片输出引脚OUT，其发射极经检测单元连接地。

进一步的说明上述第二实施例如下；

驱动开关是PMOS，第一端为源极，第二端为漏极，控制端为栅极；IGBT模块发射极量测电压大于预设门槛电压REF时，比较器或比较电路输出低电平，否则输出高电平，响应时间为10ns以内；

比较器或比较电路输出低电平时，驱动开关导通，驱动芯片短路故障引脚为高电平触发驱动芯片短路保护逻辑(保护逻辑可以是现有技术任意一种)，驱动芯片输出引脚输出低电平，触发驱动芯片的短路保护逻辑，驱动芯片的输出引脚输出低电平，关断功率器件，相应时间为100ns以内；

判断单元输出高电平驱动单元关断，驱动单元正常工作。

第三实施例；

参考图7所示，本发明提供一种功率模块短路检测装置，其为在上述第一实施例基础上进行的进一步改进，相同部分不再赘述，驱动单元包括：

比较器或比较电路，其正向输入端连接预设门槛电压REF，其负向输入端连接IGBT模块发射极；

驱动开关，其第一端连接驱动电压，其控制端连接比较器或比较电路输出端，其第二端连接驱动芯片输出侧电源引脚VCC2；

第二二极管，其负极连接驱动芯片输出侧电源引脚VCC2，其正极做为输出端；

电阻，其第一端连接所述驱动芯片短路故障引脚，其第二端经第一二极管连接IGBT集电极；

IGBT，其门极连接驱动芯片输出引脚OUT，其发射极经检测单元连接地。

进一步的说明上述第三实施例如下；

驱动开关是PMOS，第一端为源极，第二端为漏极，控制端为栅极；IGBT模块发射极量测电压大于预设门槛电压时，比较器或比较电路输出高电平，否则输出低电平，响应时间为10ns以内；

比较器或比较电路输出高电平，驱动开关导通，驱动单元正常工作，驱动芯片输出引脚OUT输出为驱动电压+15V_UB；

比较器或比较电路输出低电平，驱动开关关断，驱动芯片输出引脚OUT输出电平为第一电平REF2电压，REF2比驱动电压+15V_UB要低，由于降低栅极电压，可以提高短路耐受时间，例如REF2为13V，此器件的短路耐受时间可以达到3us，延长了短路保护时间，驱动芯片IC1的正常保护逻辑就可以完成短路保护。

第四实施例；

本发明提供一种功率模块短路检测方法，其能利用上述第一实施例～第三实施例任意一项所述功率模块短路检测装置实现，包括以下步骤:

S1，在IGBT的发射极和地之间串联提供指定电感值的电气元件；

S2，根据量测的电气元件电压与预设预设门槛电压比较结果，控制驱动芯片执行短路保护逻辑。

除非另有定义，否则这里所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种功率模块短路检测装置，其特征在于，包括：

检测单元，其串联在IGBT的发射极和地之间，其能提供指定电感值并能被量测电压；

驱动单元，其根据检测单元电压和预设门槛电压比较结果输出电平至驱动开关执行导通或关断，其发送电压信号至驱动芯片；

驱动芯片，其预存有保护逻辑，其根据驱动单元电压信号执行对应的保护逻辑；

电容，其连接在驱动芯片故障引脚和地之间。

2.如权利要求1所述的功率模块短路检测装置，其特征在于，所述检测单元包括：

电感和用于测量所述检测单元电压的测试针脚。

3.如权利要求2所述的功率模块短路检测装置，其特征在于：所述电感是铜箔层。

4.如权利要求3所述的功率模块短路检测装置，其特征在于：通过改变所述铜箔层能形成检测所需的不同电感值。

5.如权利要求2所述的功率模块短路检测装置，其特征在于：所述电感是封装的绑定线。

6.如权利要求2所述的功率模块短路检测装置，其特征在于：每个桥臂电路的检测单元所提供的电感值相等。

7.如权利要求1所述的功率模块短路检测装置，其特征在于，驱动单元包括：

比较器或比较电路，其负向输入端连接预设门槛电压REF，其正向输入端连接IGBT模块发射极；

驱动开关，其第一端连接驱动电压，其控制端连接比较器或比较电路输出端，其第二端连接驱动芯片短路故障引脚；

电阻，其第一端连接所述驱动芯片短路故障引脚，其第二端经第一二极管连接IGBT集电极；

IGBT，其门极连接驱动芯片输出引脚OUT，其发射极经检测单元连接地。

8.如权利要求7所述的功率模块短路检测装置，其特征在于：

驱动开关是PMOS，IGBT模块发射极量测电压V1大于预设门槛电压REF时，比较器或比较电路输出低电平，否则输出高电平；

比较器或比较电路输出低电平时，驱动开关导通，驱动芯片短路故障引脚为高电平触发驱动芯片短路保护逻辑，驱动芯片输出引脚输出低电平，关断功率模块；

比较器或比较电路输出高电平，驱动单元关断，驱动单元正常工作。

9.如权利要求1所述的功率模块短路检测装置，其特征在于，驱动单元包括：

比较器或比较电路，其正向输入端连接预设门槛电压REF，其负向输入端连接IGBT模块发射极；

驱动开关，其第一端连接驱动电压，其控制端连接比较器或比较电路输出端，其第二端连接驱动芯片输出侧电源引脚VCC2；

第二二极管，其负极连接驱动芯片输出侧电源引脚VCC2，其正极做为输出端；

电阻，其第一端连接所述驱动芯片短路故障引脚，其第二端经第一二极管连接IGBT集电极；

IGBT，其门极连接驱动芯片输出引脚OUT，其发射极经检测单元连接地。

10.如权利要求9所述的功率模块短路检测装置，其特征在于：

驱动开关是PMOS，IGBT模块发射极量测电压大于预设门槛电压时，比较器或比较电路输出高电平，否则输出低电平；

比较器或比较电路输出高电平，驱动开关导通，驱动单元正常工作，驱动芯片输出引脚OUT输出为驱动电压；

比较器或比较电路输出低电平，驱动开关关断，驱动芯片输出引脚OUT输出电平为第一电平REF2电压，驱动芯片短路执行保护逻辑。

11.一种利用权利要求1-10任意一项所述功率模块短路检测装置的功率模块短路检测方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1，在IGBT的发射极和地之间串联提供指定电感值的电气元件；

S2，根据量测的电气元件电压与预设预设门槛电压比较结果，控制驱动芯片执行短路保护逻辑。