[发明专利]一种退饱和检测电路、包含其的电路及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有退饱和检测输入和软关断能力的功率晶体管（如绝缘栅极双极晶体管（IGBT））栅极驱动光耦集成电路（IC）的可靠的Vce检测接口，特别地，涉及一种退饱和检测电路、包含其的电路及其操作方法。

背景技术

逆变器功率电路的短路故障会造成绝缘栅双极晶体管（IGBT）的集电极电流上升到一个非正常的高水平电流值，从而引起绝缘栅双极晶体管（IGBT）退出饱和状态。

具有退饱和检测和软关断功能的商用化栅极驱动光耦集成电路（IC），例如Avago ACPL331J、HCPL-316J和Renesas PS9402等，但它们的缺点是内部有一个固定的退饱和输入阈值，在一些设计中该数值最低达到6.0V。

图1给出了现有技术中一种具有退饱和故障检测的栅极驱动光耦产品，Avago ACPL-331J10。Avago ACPL-331J具有软关断功能。栅极驱动光耦集成电路10的DESAT插脚（插脚14）监控绝缘栅极双极晶体管（IGBT）20的集电极－发射极电压Vce。当短路发生并且绝缘栅极双极晶体管（IGBT）20流过的电流非常大时，绝缘栅极双极晶体管（IGBT）将进入退饱和模式并且其集电极－发射极电压Vce将会上升。一旦电压Vce超出集成电路（IC）的内部退饱和故障检测阈值电压时，栅极驱动光耦集成电路10将检测到故障。当DESAT插脚（插脚14）检测到故障时，将接通在输出驱动阶段的一个弱下拉装置以“软”关断绝缘栅极双极晶体管（IGBT）从而可防止大的di/dt感应电压。

在如图1所示的传统设计中，二极管D1和D2（即为人所知的Vce检测二极管或DESAT二极管）通过电阻R2直接连接到栅极驱动光耦集成电路（IC）10的DESAT输入（插脚14），电阻R2的典型/建议值为100Ω。由电阻R1和电容C1组成的间隔时间滤波器，典型数值为1k到4.7kΩ及1n到4.7nF，并分别提供几个微秒的间隔时间。在一些方案中，电容C1可能被设置为低至100pF并且省略R1，但这种方法会引起设计的抗噪能力问题。

V_E是电源轨GD_V+和GD_V-的公共电压（一般为0V），而V_E连接到IC（插脚16），并连接到IGBT20的发射极E。

绝缘栅双极晶体管IGBT模块工作时的典型Vce饱和电压为如1.5倍至2倍的额定电流并当工作在最大额定工作温度时，典型的Vce饱和电压可能超过3V。考虑到模块构造，若产品扩展并且内部电压下降，则饱和电压会更高。

Desat输入的设计裕量可以由以下公式计算:

V_OH是栅极驱动光耦集成电路（IC）10的输出高压。V_D1（和V_D2）是退饱和（DESAT）二极管D1（和第二退饱和二极管D2（若提供的话））开通状态下的正向电压。一般选择具有至少1000V反向额定电压的二极管，然而这些二极管的正向额定电压通常比标准的低压装置高。退饱和二极管可能包括一个或多个二极管。可能提供多个串联的DESAT二极管或提供单个的DESAT二极管。

若栅极驱动光耦集成电路（IC）输出高电压，V_OH为15V，V_{CE_sat}电压为3V且选择阻值为1kΩ的电阻R1，Desat输入的设计裕量可由以下公式计算:

退饱和电压V_DESAT可由以下公式计算:

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}为固定在栅极驱动光耦集成电路（IC）内的、最小内部阈值电压。

V_{Desat_Headroom}＝6-5.55＝0.45V

通过这些计算表明，设计裕量小于0.5V，或如果绝缘栅双极晶体管（IGBT）的最大Vce饱和电压高达3.5V时，则设计裕量可以更低。这会导致栅极驱动光耦集成电路（IC）的误动作并引起逆变器功率电路设计的可靠性问题。

通常情况下，Vce阈值电压的可行的设计数值在7V到13V之间。