[發(fā)明專利]一種退飽和檢測電路、包含其的電路及其操作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410028258.2
• 申請日: 2014-01-21
• 公開（公告）號: CN103944367B
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅伯特·安東尼·卡特爾
• 申請（專利權(quán)）人: 尼得科控制技術(shù)有限公司
• 主分類號: H02M1/32
• 分類號: H02M1/32;H02M1/092
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11227
• 代理人: 陳煒,李德山

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有退飽和檢測輸入和軟關(guān)斷能力的功率晶體管（如絕緣柵極雙極晶體管（IGBT））柵極驅(qū)動光耦集成電路（IC）的可靠的Vce檢測接口，特別地，涉及一種退飽和檢測電路、包含其的電路及其操作方法。

背景技術(shù)

逆變器功率電路的短路故障會造成絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的集電極電流上升到一個非正常的高水平電流值，從而引起絕緣柵雙極晶體管（IGBT）退出飽和狀態(tài)。

具有退飽和檢測和軟關(guān)斷功能的商用化柵極驅(qū)動光耦集成電路（IC），例如Avago ACPL331J、HCPL-316J和Renesas PS9402等，但它們的缺點是內(nèi)部有一個固定的退飽和輸入閾值，在一些設(shè)計中該數(shù)值最低達到6.0V。

圖1給出了現(xiàn)有技術(shù)中一種具有退飽和故障檢測的柵極驅(qū)動光耦產(chǎn)品，Avago ACPL-331J10。Avago ACPL-331J具有軟關(guān)斷功能。柵極驅(qū)動光耦集成電路10的DESAT插腳（插腳14）監(jiān)控絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）20的集電極－發(fā)射極電壓Vce。當(dāng)短路發(fā)生并且絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）20流過的電流非常大時，絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）將進入退飽和模式并且其集電極－發(fā)射極電壓Vce將會上升。一旦電壓Vce超出集成電路（IC）的內(nèi)部退飽和故障檢測閾值電壓時，柵極驅(qū)動光耦集成電路10將檢測到故障。當(dāng)DESAT插腳（插腳14）檢測到故障時，將接通在輸出驅(qū)動階段的一個弱下拉裝置以“軟”關(guān)斷絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）從而可防止大的di/dt感應(yīng)電壓。

在如圖1所示的傳統(tǒng)設(shè)計中，二極管D1和D2（即為人所知的Vce檢測二極管或DESAT二極管）通過電阻R2直接連接到柵極驅(qū)動光耦集成電路（IC）10的DESAT輸入（插腳14），電阻R2的典型/建議值為100Ω。由電阻R1和電容C1組成的間隔時間濾波器，典型數(shù)值為1k到4.7kΩ及1n到4.7nF，并分別提供幾個微秒的間隔時間。在一些方案中，電容C1可能被設(shè)置為低至100pF并且省略R1，但這種方法會引起設(shè)計的抗噪能力問題。

V_E是電源軌GD_V+和GD_V-的公共電壓（一般為0V），而V_E連接到IC（插腳16），并連接到IGBT20的發(fā)射極E。

絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊工作時的典型Vce飽和電壓為如1.5倍至2倍的額定電流并當(dāng)工作在最大額定工作溫度時，典型的Vce飽和電壓可能超過3V。考慮到模塊構(gòu)造，若產(chǎn)品擴展并且內(nèi)部電壓下降，則飽和電壓會更高。

Desat輸入的設(shè)計裕量可以由以下公式計算:

V_OH是柵極驅(qū)動光耦集成電路（IC）10的輸出高壓。V_D1（和V_D2）是退飽和（DESAT）二極管D1（和第二退飽和二極管D2（若提供的話））開通狀態(tài)下的正向電壓。一般選擇具有至少1000V反向額定電壓的二極管，然而這些二極管的正向額定電壓通常比標(biāo)準(zhǔn)的低壓裝置高。退飽和二極管可能包括一個或多個二極管。可能提供多個串聯(lián)的DESAT二極管或提供單個的DESAT二極管。

若柵極驅(qū)動光耦集成電路（IC）輸出高電壓，V_OH為15V，V_{CE_sat}電壓為3V且選擇阻值為1kΩ的電阻R1，Desat輸入的設(shè)計裕量可由以下公式計算:

退飽和電壓V_DESAT可由以下公式計算:

V_DESAT＝V_OH-R1×I_D（2）

V_DESAT＝15-1k×9.45＝5.55V

V_{Desat_Headroom}＝V_{DESAT_Threshold_Min}-V_DESAT （3）

其中V_{DESAT_Threshold_Min}為固定在柵極驅(qū)動光耦集成電路（IC）內(nèi)的、最小內(nèi)部閾值電壓。

V_{Desat_Headroom}＝6-5.55＝0.45V

通過這些計算表明，設(shè)計裕量小于0.5V，或如果絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的最大Vce飽和電壓高達3.5V時，則設(shè)計裕量可以更低。這會導(dǎo)致柵極驅(qū)動光耦集成電路（IC）的誤動作并引起逆變器功率電路設(shè)計的可靠性問題。

通常情況下，Vce閾值電壓的可行的設(shè)計數(shù)值在7V到13V之間。