本实用新型涉及的是一种电机驱动控制领域的技术，具体是一种igbt过流和短路的保护电路。
背景技术：
igbt是电机控制器不可或缺的一部分，当igbt发生短路时，如果回路电感较小，则电流上升较快，igbt会出现退饱和现象，一旦igbt退出饱和区，耗损会成百倍的上升，允许持续这种状态的时间会非常苛刻；如果回路电感较大，电流爬升很慢，igbt不会发生退饱和现象，但是由于电流比正常工况高很多，因此经过若干个开关周期后，igbt的损耗会很高，结温也会迅速上升，从而导致失效。上述两种情况，均需通过驱动器发现并及时关掉门极。
高性能的igbt驱动电路能减小开关延时，降低开关损耗，使igbt获得较好的开通和关断性能，在发生过流或短路故障时，迅速做出保护动作，避免超过热极限，发生擎住效应以及超出器件耐压的情况，保证igbt安全可靠地关断。现有技术主要采用两种方法改善驱动电路开关特性，其一是采用单一寄存器进行两级关断，但产生的vce电压尖峰较大；其二是直接采用软关断的方式，但是这种方式得到的vce值比第一种方式更大。
技术实现要素：
本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种igbt过流和短路的保护电路，通过动态设定两级关断电平和软关断相结合的方式，利用硬件电路灵活控制两级关断的平台电压和持续时间，然后通过软关断的方式控制两次vge电压突变时的速率和时间，进而控制电流下降的速率，抑制vce电压的峰值，保护igbt。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
本实用新型包括：带电流采样装置的igbt、退饱和检测电路、过流检测电路、逻辑门控制电路、两级关断电路和软关断电路，其中：igbt与并联的退饱和检测电路和过流检测电路相连，再依次与逻辑门控制电路、两级关断电路和软关断电路串联，利用逻辑门控制电路在发生短路或过流时，均进行vge电压控制，进而对igbt进行了短路保护和过流保护。
技术效果
与现有技术相比，本实用新型相较传统的驱动电路方案，优化了标定方式的两级关断，采用纯硬件方式，动态调节两级关断的参数，并且结合了软关断方式，控制vge的最大电压到第二级关断电压，以及第二级关断电压到最低电压的下降速率和时间。这种结合方式，有效规避了传统两级关断和软关断的不足，依据ic的实际值智能控制vge的大小，降低vce的电压尖峰，保证igbt正常工作。
附图说明
图1驱动模块原理图；
图2为退饱和检测电路；
图3为过流检测电路；
图4为两级关断电路；
图5为软关断电路；
图6为保护状态下门极电压关断情况示意图；
图7为实施例效果示意图；
图中：退饱和检测电路a、过流检测电路b、逻辑门控制电路c、两级关断电路d、软关断电路e、第一至第二二极管1～2、第一至第五比较器3～7、第一至第八三极管8～15、第一至第四逻辑门16～19、第一至第三电容器20～22、第一至第十五电阻23～37、第一至第八引脚a～h。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：带电流采样装置的igbt、退饱和检测电路a、过流检测电路b、逻辑门控制电路c、两级关断电路d和软关断电路e，其中：igbt与并联的退饱和检测电路a和过流检测电路b相连，再依次与逻辑门控制电路c、两级关断电路d和软关断电路e串联。
如图2所示，所述的退饱和检测电路a，包括：第一二极管1、第一电阻23和第一比较器3，其中：第一二极管1与igbt的c端口相连并依次连接第一电阻23和第一比较器3的第三引脚c。
所述的第一比较器3的第一引脚a传输短路故障信号，其第四引脚d设有第一电容器20，其第三引脚c与第一电阻23之间设有第一三极管8，其第八引脚h接地。
所述的第一三极管8的第一引脚a与逻辑门控制电路c相连。
如图3所示，所述的过流检测电路b，包括：第二至第四电阻24～26、第二电容器21和第二比较器4，其中：第二至第四电阻24～26串联，第二电容器21的两端分别与第四电阻26的一端以及第二比较器4的第三引脚c相连。
所述的第二比较器4的第一引脚a传输过流故障信号，其第四引脚d设有电容器，其第八引脚h接地。
如图4所示，所述的两级关断电路d，包括：与第一电源vcc1串联的第五至第八电阻27～30、与第二电源vcc2串联的第九至第十二电阻31～34、第三至第五比较器5～7和第二至第四三极管9～11，其中：第五至第八电阻27～30每相邻两个电阻之间为一挡电流阈值共三挡，以i1、i2和i3表示，第九至第十二电阻31～34每相邻两个电阻之间为一挡的vge第二级关断电压值，以v1、v2和v3表示，第三比较器5的第一引脚a和第七引脚g与第二三极管9的第三引脚c连接，第二三极管9的第一引脚a与逻辑门控制电路c连接，第四比较器6的第一引脚a和第七引脚g与第三三极管10的第三引脚c连接，第三三极管10的第一引脚a与逻辑门控制电路c连接，第五比较器7的第一引脚a与第四三极管11的第三引脚c连接，第四三极管11的第一引脚a与逻辑门控制电路c连接。
所述的第三比较器5的第三引脚c输入i1，其第二引脚b和第五引脚e输入ic，其第六引脚f输入i2。
所述的第四比较器6的第三引脚c输入i2，其第二引脚b和第五引脚e输入ic，其第六引脚f输入i3。
所述的第五比较器7的第三引脚c输入i3，其第二引脚b输入ic。
如图2和图4所示，所述的逻辑门控制电路c，包括：第一至第四逻辑门16～19，其中：第一逻辑门16的第四引脚d与第一三极管8的第一引脚a相连，其第一引脚a和第二引脚b与脉宽调制器pwm相连，第二至第四逻辑门17～19的第四引脚d分别与对应的第二至第四三极管9～11的第一引脚a相连，其第一引脚a均传输短路故障信号，其第二引脚b均传输过流故障信号，其第三引脚c均接地，其第五引脚e均与第一电源vcc1相连。
如图5所示，所述的软关断电路e，包括：第五至第八三极管12～15、第二二极管2和第十三至十五电阻35～37，其中：第八三极管15的第一引脚a接收两级关断电路d传来的过流故障信号或短路故障信号，其第二引脚b接-8v电压，其第三引脚c接15v电压，第十三至第十五电阻35～37并联并均分别与对应的第五至第七三极管12～14的第二引脚b相连，第七三极管14的第一引脚a与第八三极管15的第三引脚c相连，第五三极管12和第六三极管13的第一引脚a均与脉宽调制器pwm相连，第二二极管2的一端连在第七三极管14和第八三极管15之间，另一端连在第五三极管12的第一引脚a。
所述的第五三极管12的第三引脚c设有15v电压。
所述的第六三极管13的第三引脚c设有-8v电压。
所述的第七三极管14的第三引脚c设有v1、v2或v3。
上述电路各自的工作过程具体为：
退饱和检测电路a：当igbt关断时，脉宽调制器pwm输入为负，第一逻辑门16输出为负，mos管的第一三极管8导通，没有短路故障信号输出；当igbt发生短路故障时，第一二极管1截止，第一电源vcc1给第一电容22充电，第一比较器3的第三引脚c电压大于其第二引脚b电压的阈值，输出高电平的短路故障信号。
过流检测电路b：igbt的电流检测引脚将igbt的集电极电流ic转化为第三电阻25上的电压，通过第二电阻24和第二电容器21的滤波后，传入第二比较器4的第三引脚c，当其第三引脚c的电压值大于其第二引脚b设置的过流阈值，输出高电平的过流故障信号。
两级关断电路d：当过流检测电路b采集到ic信号后，当ic值介于i1和i2之间，则第三比较器5的第一引脚a输出高电平，在逻辑门控制电路c中，短路故障信号或者过流故障信号只要有一个发生，经过第二逻辑门17后会输出低电平，第二三极管9导通，输出电压v1；当ic介于i2和i3之间，则第四比较器6的第一引脚a输出高电平，第三三极管10导通，输出电压v2；当ic高于i3，则第五比较器7的第一引脚a输出高电平，第四三极管11导通，输出电压v3。
软关断电路e：当igbt发生了过流故障或短路故障，则第八三极管15的第一引脚a输入高电平，第八三极管15导通，第二二极管2将第五三极管12钳位在-8v，第五三极管12关断；因为脉宽调制器pwm此时为高电平，则第六三极管13关断；因为第八三极管15导通，此时第七三极管14导通；igbt的门极通过驱动第十五电阻37由15v放电到第一逻辑门16或第二逻辑门17或第三逻辑门18的电压，通过合理调节驱动第十五电阻37，来调节igbt关断的时间，这部分的调节过程为图6中第一次软关断中电压15v下降到第一逻辑门16或第二逻辑门17或第三逻辑门18的电压的过程。当igbt从短路故障中恢复过来，则过流故障信号或者短路故障信号为低电平，则第八三极管15关断，因为脉宽调制器pwm此时为低电平，则第六三极管13导通，驱动第十四电阻36控制igbt的门极从第一逻辑门16或第二逻辑门17或第三逻辑门18的电压放电到-8v，通过合理调节驱动第十四电阻36，来调节igbt的关断时间，这部分的调节过程为图6中第二次软关断从第一逻辑门16或第二逻辑门17或第三逻辑门18的电压下降到-8v的过程。
如图7所示，为二级关断和软关断相结合的实施效果图，从图中可以发现，集电极和发射极的电压vce出现两级关断的效果，并且vce电压尖峰减小。
本装置克服了单独两级关断中需要通过标定选择单一的vge的关断平台电压和持续时间，实时根据ic值选择三种不同的vge的第二级关断平台电压值和持续时间，减小了vce在第一次关断时的尖峰；同时，还结合软关断的方式，保证了vge的峰值电压到第二级关断电压平台的下降斜率以及第二级关断电压平台到最低电压的下降斜率，进而减小了vce在第二次关断时的尖峰。
本装置可以根据实际的集电极电流ic值，实时地选择vge的第二级关断平台电压和持续时间，克服了现在主流的采用标定的方式选择单一的vge的关断平台电压和持续时间。同时，本装置将二级关断与软关断结合在一起，通过搭建硬件电路，快速反应短路和过流故障，减缓了从vge的峰值电压到第二级关断电压平台的下降斜率以及第二级关断电压平台到最低电压的下降斜率，更有利于减小vce的尖峰电压。
当发生短路故障时，退饱和检测电路a会检测到故障，通过第一比较器3的引脚a输出高电平的短路故障信号。当发生过流故障时，过流检测电路b会检测到故障，通过第二比较器4的引脚a输出高电平的过流故障信号。接着，短路故障信号或者过流故障信号通过逻辑门控制电路c控制第二三极管9、第三三极管10、第四三极管11导通。然后，两级关断电路d中，根据集电极电流ic大小，判断vge两级关断电压的大小，当ic值介于i1和i2之间，则vge两级关断电压为v1，当ic值介于i2和i3之间，则vge两级关断电压为v2，当ic值高于i3，则vge两级关断电压为v3。最后，通过软关断电路e，当igbt发生了过流故障或短路故障时，vge从15v软关断到两级关断的平台电压v1/v2/v3中任一电压；此时集电极电流ic下降，igbt从短路故障中恢复过来，vge电压再从两级关断的平台电压v1/v2/v3中任一电压软关断到-8v，实现vge电压依据ic电流的大小实时调节，控制两级关断电压大小、持续时长以及电压下降的时间，从而达到降低vce电压尖峰的目的，进而起到过流和短路保护的作用。
搭建igbt第一类短路的实验，用来模拟igbt短路和过流故障，该实用新型相对于传统的vge关断方式而言，可以根据不同的ic值实时调节vge的大小，进而使得vce出现两级较小的关断电压，降低了vce的尖峰电压以及ic的电流，具体的效果图如图7所示。
本装置可以根据ic的大小实时调节vge的关断电压大小，将硬件电路搭建的两级关断和软关断的方式相结合，控制vce的关断电压尖峰，保证igbt的安全性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
1.一种igbt过流和短路的保护电路，其特征在于，包括：带电流采样装置的igbt、退饱和检测电路、过流检测电路、逻辑门控制电路、两级关断电路和软关断电路，其中：igbt与并联的退饱和检测电路和过流检测电路相连，再依次与逻辑门控制电路、两级关断电路和软关断电路串联，利用逻辑门控制电路在发生短路或过流时，均进行vge电压控制，进而对igbt进行了短路保护和过流保护。
2.根据权利要求1所述的igbt过流和短路的保护电路，其特征是，所述的退饱和检测电路，包括：第一二极管、第一电阻和第一比较器，其中：第一二极管与的端口相连并依次连接第一电阻和第一比较器的第三引脚；
所述的第一比较器的第四引脚设有第一电容器，其第三引脚与第一电阻之间设有第一三极管，其第八引脚接地；
所述的第一三极管的第一引脚与逻辑门控制电路相连。
3.根据权利要求1所述的igbt过流和短路的保护电路，其特征是，所述的过流检测电路，包括：第二至第四电阻、第二电容器和第二比较器，其中：第二至第四电阻串联，第二电容器与第二电阻和第三电阻并联并与第二比较器的第三引脚相连；
所述的第二比较器的第四引脚设有电容器，其第八引脚接地。
4.根据权利要求1所述的igbt过流和短路的保护电路，其特征是，所述的两级关断电路，包括：与第一电源串联的第五至第八电阻、与第二电源串联的第九至第十二电阻、第三至第五比较器和第二至第四三极管，其中：第三比较器的第一引脚和第七引脚与第二三极管的第三引脚连接，第二三极管的第一引脚与逻辑门控制电路连接，第四比较器的第一引脚和第七引脚与第三三极管的第三引脚连接，第三三极管的第一引脚与逻辑门控制电路连接，第五比较器的第一引脚与第四三极管的第三引脚连接，第四三极管的第一引脚与逻辑门控制电路连接。
5.根据权利要求1所述的igbt过流和短路的保护电路，其特征是，所述的逻辑门控制电路，包括：第一至第四逻辑门，其中：第一逻辑门的第四引脚与第一三极管的第一引脚相连，其第一引脚和第二引脚与脉宽调制器相连，第二至第四逻辑门的第四引脚分别与对应的第二至第四三极管的第一引脚相连，其第一引脚均传输短路故障信号，其第二引脚均传输过流故障信号，其第三引脚均接地，其第五引脚均与第一电源相连。
6.根据权利要求1所述的igbt过流和短路的保护电路，其特征是，所述的软关断电路，包括：第五至第八三极管、第二二极管和第十三至十五电阻，其中：第八三极管的第一引脚接收两级关断电路传来的过流故障信号或短路故障信号，其第二引脚接-电压，其第三引脚接电压，第十三至第十五电阻并联并均分别与对应的第五至第七三极管的第二引脚相连，第七三极管的第一引脚与第八三极管的第三引脚相连，第五三极管和第六三极管的第一引脚均与脉宽调制器相连，第二二极管的一端连在第七三极管和第八三极管之间，另一端连在第五三极管的第一引脚。
技术总结