CN110707665B - 基于瞬时功率损耗保护中高压igbt模块短路的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法，包括采集IGBT模块的瞬时集电极电流、瞬时集电极‑发射极电压，对采集的集电极电流和集电极‑发射极电压进行乘法运算，得到IGBT模块的瞬时功率损耗P(t)，将瞬时功率损耗P(t)与IGBT模块能正常工作的最高瞬时功率损耗P_max进行比较，当P(t)>2P_max时，对IGBT模块进行短路保护。本发明保护中高压IGBT模块短路的方法测试误差小，外界干扰小，能提高了IGBT模块的使用寿命。

Description

基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法

技术领域

本发明属于IGBT模块保护技术领域，涉及一种基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法。

背景技术

IGBT模块由绝缘栅双极型晶体管和续流二极管通过特定的电路桥接封装而成的半导体模块，封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。IGBT作为功率开关元件兼有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。IGBT以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动的一种非常理想的电力电子器件。

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的问题，严重影响其应用。因此，IGBT模块短路检测与保护是其中的一项关键技术。目前IGBT驱动板都没有设计过瞬时功率损耗预警功能，IGBT短路保护一般有以下几种：

(1)使用VCE退饱和检测，再配合适当的软关断电路进行保护。使用VCE退饱和检测时，需要较长的时间(1～8μs)检测盲区和较高的集电极-发射极电压检测阈值。但当IGBT模块发生一类短路时，集电极电流迅速上升，IGBT模块一直工作在线性区，较长的短路检测盲区时间不仅不利于限制IGBT模块的短路电流和功耗，而且可能导致IGBT模块短路超过其10μs的安全工作时间而损坏。

(2)使用电流传感器对IGBT模块集电极电流或母线电流进行检测，制作霍尔传感器的材料会影响其性能，导致其产生磁阻效应、温漂和不等电势等。罗氏线圈骨架会因温度发生变形，线圈绕制的不均匀会产生很大的测量误差，外界磁场会干扰输出的信号。

(3)di/dt检测法实现动态监测，没有盲区，且相应的保护电路成本低，容易集成，但是大功率IGBT模块中，寄生电感LeE的值比较小，其值也难以确定。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法，解决了现有方法导致IGBT模块短路检测有检测盲区和较高功率损耗的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法，包括以下步骤：

步骤1，采集IGBT模块的瞬时集电极电流Ic(t)；

步骤2，采集IGBT模块的瞬时集电极-发射极电压Uce(t)；

步骤3，对采集的集电极电流和集电极-发射极电压进行乘法运算，得到IGBT模块的瞬时功率损耗P(t)，

P(t)＝Uce(t)×Ic(t)；

步骤4，将瞬时功率损耗P(t)与IGBT模块能正常工作的最高瞬时功率损耗P_max进行比较，当P(t)>2P_max时，对IGBT模块进行短路保护。

本发明的技术特征还在于，

其中，IGBT模块包括两个桥接的绝缘栅双极型晶体管和一个分流器，分流器与绝缘栅双极型晶体管相互串联。

步骤1的具体方法是，用电压采样电路采集IGBT模块的瞬时分流器两端的电压U_V1+V1-，则集电极电流Ic(t)为：

式中，R为分流器的电阻值。

步骤2中，通过差分探头采集IGBT模块的瞬时集电极-发射极电压Uce(t)。

IGBT模块能正常工作的最高瞬时功率损耗P_max为：

式中，t₁为IGBT模块中集电极电流上升至10％Ie的时刻，t₂为IGBT模块中集电极-发射极电压降至5％Ue的时刻，Ie为IGBT模块的额定工作电流，Ue为IGBT模块的额定工作电压，E₁为IGBT模块工作到t₁时的能量损耗，E₂为IGBT模块工作到t₂时的能量损耗。

本发明的有益效果是，通过采集集电极电流Ic和集电极-发射极电压Uce，计算瞬时功率损耗P，再将瞬时功率损耗P(t)与IGBT模块能正常工作的最高瞬时功率损耗P_max进行比较，对IGBT模块进行短路保护，克服了退饱和短路保护的盲区检测，而且功率保护相对过流保护，他的阈值更明显，可以提前保护，对IGBT的寿命起到了很好的保护作用，功率损耗较低；另外，集电极电流Ic和集电极-发射极电压Uce值容易确定，出现二类短路也可以快速保护，并且测试误差小，外界干扰小，使测量结果精度较高。

附图说明

图1是本发明实施例中驱动器的电路结构示意图；

图2是本发明基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法中IGBT模块的电路拓扑示意图；

图3是本发明实施中IGBT模块瞬时集电极电流随时间变化的趋势图；

图4是本发明实施中IGBT模块瞬时集电极-发射极电压随时间变化的趋势图；

图5是本发明实施中IGBT模块的功率损耗趋势图；

图6是本发明实施中IGBT模块的能量损耗趋势图。

图中，1.IGBT模块，2.比较器，3.乘法器，4.主控单元FPGA，5.驱动结构，6.控制信号，7.光纤隔离器，8.短脉冲抑制电路，9.驱动与保护抑制电路，10.Uce电压采集电路，11.Ic电流采集电路，12.绝缘栅双极型晶体管，13.分流器，14.退饱和保护电路，15.di/dt保护电路，16.Uce过压保护器，17.Uge过压保护器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法，具体包括以下步骤：

步骤1，采集IGBT模块1的瞬时集电极电流Ic(t)；

具体方法是，用电压表采集IGBT模块1工作时分流器13两端的电压U_V1+V1-，

式中，R为分流器13的电阻值；

步骤2，通过差分探头采集IGBT模块1的瞬时集电极-发射极电压Uce(t)；

步骤3，对采集的集电极电流和集电极-发射极电压进行乘法运算，得到IGBT模块1的瞬时功率损耗P(t)，

P(t)＝Uce(t)×Ic(t)；

步骤4，将瞬时功率损耗P(t)与IGBT模块1能正常工作的最高瞬时功率损耗P_max进行比较，当P(t)>2P_max时，对IGBT模块1进行短路保护。

IGBT模块1能正常工作的最高瞬时功率损耗P_max为：

式中，t₁为IGBT模块1中集电极电流开始上升的时刻，t₂为IGBT模块1中集电极-发射极电压降至5％Ue的时刻，Ue为IGBT模块1的额定工作电压。

实施例

以驱动器用IGBT模块为例，参照图1和2，该驱动器包括主控制单元FPGA4，控制信号6通过光纤隔离器7输送至主控制单元FPGA4的输入端；主控制单元FPGA4分别双向电连接有短脉冲抑制电路8、驱动与保护抑制电路9；主控制单元FPGA4的输出端通过驱动结构5连接有IGBT模块1输入端；IGBT模块1包括两个桥接的绝缘栅双极型晶体管12和一个分流器13，分流器13与绝缘栅双极型晶体管12相互串联。

分流器13连接有电流采集电路11和电压采集电路10，电流采集电路11用于采集分流器的实时电流值，电压采集电路10用于采集分流器两端的实时电压值，电压采集电路10的输出端和电流采集电路11输出端分别与乘法器3输入端连接，乘法器3计算分流器的电流值与电压值乘积，即IGBT模块1的瞬时功率损耗P(t)；乘法器3输出端连接有功率比较器2，主控制单元FPGA4的输入端具有CAP捕获接口，CAP捕获接口与功率比较器2输出端通信连接。

IGBT模块1输出端分别连接有退饱和保护电路14、di/dt保护电路15、Uce过压保护器16和Vge过压保护器17。

功率比较器2可将瞬时功率损耗P(t)与IGBT模块1能正常工作的最高瞬时功率损耗P_max进行比较，当主控制单元FPGA接收到P(t)>2P_max的信息时，主控制单元FPGA通过驱动结构5对IGBT模块进行短路保护。

IGBT模块1能正常工作的最高瞬时功率损耗P_max为：

式中，t₁为IGBT模块1中集电极电流开始上升的时刻，即IGBT模块中瞬时集电极电流为10％Ie的时刻，t₂为IGBT模块1中瞬时集电极-发射极电压降至5％Ue的时刻，Ie为IGBT模块的额定工作电流，Ue为IGBT模块1的额定工作电压；E₁为IGBT模块工作到t₁时的能量损耗，E₂为IGBT模块工作到t₂时的能量损耗。

使用IGBT模块的过程中，其瞬时集电极电流Ic(t)随时间的变化规律如图3所示，其瞬时集电极-发射极电压Uce(t)随时间的变化规律如图4所示，其瞬时功率损耗P随时间的变化规律如图5所示，其能量损耗E随时间的变化规律如图6所示。从图3-6中可看出，在IGBT模块没有开通时，其集电极-发射极电压Uce是高电平，Ic是低电平，功率损耗P和能量损耗E都几乎为零；在IGBT模块开通时，集电极电流Ic达到10％Ie后开始上升，即t₁时，集电极-发射极电压Uce开始下降；当集电极-发射极电压Uce下降到5％Ue时，即t₂时，IGBT正常开通完成；在IGBT模块正常开通以后，集电极-发射极电压Uce几乎为零，集电极电流Ic较高，功率损耗P几乎为零，能量损耗E趋于平缓。

Claims (5)

1.一种基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集IGBT模块(1)的瞬时集电极电流Ic(t)；

步骤2，采集IGBT模块(1)的瞬时集电极-发射极电压Uce(t)；

步骤3，对采集的瞬时集电极电流Ic(t)和瞬时集电极-发射极电压Uce(t)进行乘法运算，得到IGBT模块(1)的瞬时功率损耗P(t)，

P(t)＝Uce(t)×Ic(t)；

式中，t表示时间；

步骤4，将瞬时功率损耗P(t)与IGBT模块(1)能正常工作的最高瞬时功率损耗P_max进行比较，当P(t)>2P_max时，对IGBT模块(1)进行短路保护。

2.根据权利要求1所述的基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法，其特征在于，所述IGBT模块(1)包括两个桥接的绝缘栅双极型晶体管(12)和一个分流器(13)，分流器(13)与绝缘栅双极型晶体管(12)相互串联。

3.根据权利要求2所述的基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法是，用电压采样电路采集IGBT模块(1)工作时分流器(13)两端的电压U_V1+V1-，则集电极电流Ic(t)为：

式中，R为分流器(13)的电阻值。

4.根据权利要求1所述的基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法，其特征在于，所述步骤2中，通过差分探头采集IGBT模块(1)的瞬时集电极-发射极电压Uce(t)。

5.根据权利要求1所述的基于瞬时功率损耗保护中高压IGBT模块短路的方法，其特征在于，所述IGBT模块(1)能正常工作的最高瞬时功率损耗P_max为：

式中，t₁为IGBT模块(1)中集电极电流上升至10％Ie的时刻，t₂为IGBT模块(1)中集电极-发射极电压降至5％Ue的时刻，Ie为IGBT模块的额定工作电流，Ue为IGBT模块(1)的额定工作电压，E₁为IGBT模块工作到t₁时的能量损耗，E₂为IGBT模块工作到t₂时的能量损耗。

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