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一种功率器件的退饱和保护电路

  • 国知局
  • 2024-12-06 12:16:37

本发明涉及电路保护,特别涉及一种功率器件的退饱和保护电路。

背景技术:

1、功率器件作为电力电子设备的核心,其可靠运行与电力电子设备的可靠运行密切相关。功率器件有多种故障原因,其中,短路故障对功率器件危害巨大。短路故障电流可在数微秒内达到功率器件额定电流的数十倍,并释放大量能量,造成功率器件高温失效,为设备可靠运行带来挑战,严重时可能导致爆炸、火灾等安全事故,因此,对功率器件进行短路保护至关重要。

2、针对功率器件的短路保护方法有退饱和保护法、基于栅极电压的检测方法、基于寄生电感电压的检测方法、基于电流传感器的保护方法等。其中退饱和保护法由于原理简单、成本低、效果显著以及理论应用成熟被广泛使用。退饱和保护基于集电极电压检测,开通后,退饱和保护被使能,在故障期间,集电极电压上升并被退饱和保护电路检测到,发出故障信号。在退饱和保护电路的开通瞬间,集电极电压从母线电压下降需要一段时间,如果保护电路检测到下降前的电压,将导致保护误触发。因此,为避免保护误触发,退饱和保护应在集电极电压下降、开通过程基本结束后被使能,即需要消隐时间。

3、传统退饱和电路由消隐电容设置消隐时间,检测到集电极电压处于高电压状态后,消隐电容在消隐时间内被充电直到电容两端电压达到动作阈值,故障保护动作被触发。然而,该退饱和电路存在以下缺陷:

4、一是在负载工况发生变化后,集电极电流上升时间随负载电流变化而变化,集电极电压的下降时间随母线电压变化而变化,导致退饱和保护电路的开通时间随工况变化而变化,消隐时间由消隐电容充电设定,消隐时间为固定值,消隐时间相比开通时间过短将导致保护误动作,消隐时间过长将导致开通过程后检测出现过长盲区,为功率器件的有效保护带来风险;二是退饱和保护电路在开通瞬间结束后,误动作风险消除,但消隐电路在开通期间始终被使能,导致故障发生时保护动作被延时,功率器件将承受长时间短路电流,可靠性下降甚至损坏。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种功率器件的退饱和保护电路,可以对功率器件进行有效的短路保护。

2、为解决上述技术问题,本发明的实施例提供了一种功率器件的退饱和保护电路,包括:

3、第一比较器,所述第一比较器的同相输入端连接功率器件的栅极,反相输入端的输入为第一预设电压,用于检测功率器件的栅极电压是否大于第一预设电压;

4、第二比较器,所述第二比较器的同相输入端连接功率器件的发射极,反相输入端的输入为第二预设电压,用于检测由功率器件的发射极自感和集电极电流的变化而产生的发射极寄生电感电压是否大于第二预设电压;

5、其中,第一预设电压根据第二比较器检测到发射极寄生电感电压大于第二预设电压的时刻设置,使第一比较器检测到检测到栅极电压大于第一预设电压的时刻早于第二比较器检测到发射极寄生电感电压大于第二预设电压的时刻;

6、退饱和检测模块,所述退饱和检测模块通过一个与门与第一比较器和第二比较器的输出端连接;

7、所述退饱和检测模块包括第三比较器,第三比较器的反相输入端连接功率器件的集电极和与门的输出端,同相输入端的输入为第三预设电压,输出端连接功率器件,用于在栅极电压大于第一预设电压且发射极寄生电感电压大于第二预设电压的情况下,检测功率器件的集电极电压是否大于第三预设电压,并在集电极电压大于第三预设电压的情况下,确定功率器件发生短路故障,以通过控制功率器件关断,完成功率器件的退饱和保护。

8、在一些可选的实施例中,所述退饱和保护电路还包括复位电路,所述复位电路包括第四比较器和一个或门;

9、所述第四比较器的同相输入端连接退饱和检测模块的desat节点,反相输入端的输入为第四预设电压,用于检测退饱和检测模块的desat电压是否大于第四预设电压;

10、所述或门的输入端连接第四比较器的输出端和与门的输出端,输出端连接退饱和检测模块;

11、所述退饱和检测模块,还用于在栅极电压大于第一预设电压且发射极寄生电感电压大于第二预设电压的情况下,或者在desat电压大于第四预设电压的情况下,检测功率器件的集电极电压是否大于第三预设电压,并在集电极电压大于第三预设电压的情况下,确定功率器件发生短路故障,以通过控制功率器件关断,完成功率器件的退饱和保护。

12、在一些可选的实施例中,所述第一比较器的同相输入端通过第一电阻与功率器件的栅极连接,所述第一电阻用于对输入第一比较器的栅极电压进行分压;

13、所述第二比较器的同相输入端通过第二电阻与功率器件的发射极连接,所述第二电阻用于对输入第二比较器的发射极寄生电感电压进行分压;

14、所述第三比较器的反相输入端通过第三电阻与功率器件的集电极连接,所述第三电阻用于对输入第三比较器的集电极电压进行分压;

15、所述第四比较器的同相输入端通过第四电阻与退饱和检测模块的desat节点连接,所述第四电阻用于对输入第四比较器的desat电压进行分压。

16、在一些可选的实施例中,所述退饱和保护电路还包括滤波模块,所述滤波模块的包括第一滤波电路和第二滤波电路;

17、所述第一滤波电路与功率器件的栅极和第一比较器的同相输入端连接,用于对输入第一比较器的栅极电压中的振荡信号进行滤波;

18、所述第二滤波电路与功率器件的发射极和第二比较器的同相输入端连接,用于对输入第二比较器的发射极寄生电感电压中的振荡信号进行滤波。

19、在一些可选的实施例中,所述第一滤波电路和所述第二滤波电路均为rc滤波电路。

20、在一些可选的实施例中,第一滤波电路和所述第二滤波所采用的滤波参数相同。

21、在一些可选的实施例中,所述功率器件的短路故障包括一类短路和二类短路。

22、本发明所提供的功率器件的退饱和保护电路,至少具有以下有益效果:

23、由于在功率器件开通过程中,集电极电压下降过程中,栅极电压会缓慢上升,在集电极电压下降过程结束后,栅极电压上升超过某一阈值,因此通过检测栅极电压的大小可以确定集电极电压的下降时间,在栅极电压上升至某一值(即第一预设电压)时,可以确定功率器件的开通过程基本结束,此时再使能退饱和检测模块检测功率器件的集电极电压是否大于第三预设电压,并在集电极电压大于第三预设电压的情况下,确定功率器件发生短路故障,以通过控制功率器件关断,完成功率器件的退饱和保护。本发明中无需通过消隐电容来实现消隐时间的设置,而是直接在集电极电压下降后检测其状态,此时可以确保功率器件的开通过程已经结束,因此不会出现消隐时间相比开通时间过短将导致退饱和保护误动作、消隐时间过长导致无法及时保护功率器件、以及消隐电路未禁用导致保护延时等问题,有效实现了功率器件的短路保护,解决了现有技术中退饱和保护存在的技术问题。

24、并且,本发明中考虑到了由功率器件的发射极自感和集电极电流的变化而产生的发射极寄生电感电压在功率器件开通过程中会上升,使得栅极电压的检测受到影响,因此设置了第二预设电压,使得第一比较器检测到检测到栅极电压大于第一预设电压的时刻早于第二比较器检测到发射极寄生电感电压大于第二预设电压的时刻,从而排除发射极寄生电感电压对栅极电压的检测带来的影响,进一步保证了后续退饱和检测模块对功率器件执行的保护操作。

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