CN102122881B

CN102122881B - 一种应用于风力发电的大功率igbt驱动保护电路

Info

Publication number: CN102122881B
Application number: CN 201110041732
Authority: CN
Inventors: 林资旭; 赵懿
Original assignee: Beijing Corona Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Corona Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: CN102122881A

Abstract

一种应用于风力发电的大功率IGBT驱动保护电路，包括电源电路(1)、驱动电路(2)、过流保护电路(3)。电源电路(1)与驱动电路(2)和过流保护电路(3)相连接，输出导通、关断IGBT(4)所需的正负偏压。驱动电路(2)输出驱动信号至IGBT(4)的栅极，控制IGBT(4)导通与关断。过流保护电路(3)与IGBT(4)集电极、发射极相连接，通过检测集电极与发射极之间电压，判断IGBT(4)是否过流，在过流情况下控制驱动电路的驱动点，控制IGBT(4)关断，并利用电源电路(1)中的脉冲变压器实现故障信号的传递。

Description

一种应用于风力发电的大功率IGBT驱动保护电路

技术领域

本发明涉及一种大功率IGBT驱动保护电路，特别涉及风力发电系统变流器所用大功率IGBT驱动保护电路。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)因其具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点在电力电子装置中广泛应用。但是，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。因此，IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键关节。

风能作为一种清洁无污染、具有大规模开发利用前景的可再生能源，已受到世界各国的普遍重视。随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风力发电机组的运行效率、安全性和稳定性就更加重要。目前兆瓦级风力发电机组已经成为国际上的主流机型，兆瓦级变流器中所采用的IGBT功率等级较高，对IGBT的驱动保护技术也提出了更高的要求：在大功率运行条件下保证IGBT可靠的导通、关断，减小IGBT的损耗、在过流、过压等故障情况下保证IGBT可靠的关断，从而保证机组的安全。为解决IGBT的可靠驱动问题，国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出了众多的IGBT驱动集成电路或模块。我国风电机组所用IGBT驱动模块处于被国外产品垄断状态。国外IGBT驱动产品不仅价格昂贵且订货周期较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用分立元件构成的大功率IGBT驱动保护电路。本发明采用二极管、三极管、脉冲变压器、电阻、电容等分立元件实现了对大功率IGBT可靠的导通、关断与过流保护功能，按照此电路制成的驱动电路板体积小、结构紧凑、可根据所驱动的IGBT灵活制作电路板形状。在国内风力发电迅速增长的形式下，该驱动保护电路的应用可以大大节约成本。本发明可应用于兆瓦级风力发电变流器。

本发明驱动保护电路主要由电源电路、驱动电路和过流保护电路构成：电源电路通过对输入的+15V电源信号进行转换，输出驱动电路和过流保护电路所需的电源信号及控制IGBT导通关断所需的电源信号，电源电路与驱动电路和过流保护电路相连接；过流保护电路通过故障信号识别点与驱动电路驱动点相连接，当有故障发生时，故障信号识别点识别，控制驱动电路驱动点输出关断信号，从而控制IGBT在故障时可靠关断；过流保护电路与电源电路的脉冲变压器部分电路相连接，利用电源电路的脉冲变压器实现故障信号的传递与输出。

（1）电源电路

电源电路向驱动电路和过流保护电路提供所需供电电压及元器件所需的供电电压。

电源电路采用DC-AC-DC结构，输入+15VDC，经过由4个三极管组成的桥式逆变电路将直流电转变为交流电，再由脉冲变压器升压，升压后的交流电经过二极管整流桥整流、电容滤波，再由稳压管分压后，输出各回路所需的电压等级。

（2）驱动电路

驱动电路采用光耦进行控制回路与主回路强弱电的隔离，光耦副边采用三级推挽电路提高驱动能力，输出IGBT导通与关断所需的正、负偏压，其中第二级推挽电路与保护电路相关联，当发生过流保护时，第二级推挽电路的输出电平被强制改变，驱动电路输出负偏压，IGBT被硬件关断。

（3）过流保护电路

过流保护电路的触发利用IGBT集电极电流与发射极与集电极之间电压的近似比例关系，通过检测集电极与发射极之间电压，即可判断出IGBT的集电极电流。在过流保护电路中采用了三极管作为过流保护触发器件，当集电极电流增大，集电极与发射极之间电压也随之增大，当增大到设定的保护阈值时，三极管导通，过流保护电路被触发。

过流故障信号的传递巧妙利用电源电路部分的脉冲变压器，过流保护电路与脉冲变压器副边相连接，当过流保护电路被触发后，脉冲变压器副边电流增加，原边电流相应增加，脉冲变压器原边电路中的三极管基极电流增加，三极管导通，三极管的集电极输出为低电平，输出故障信号。利用电源电路脉冲变压器不仅有效、可靠传递了故障信号，且实现了控制回路与主回路强弱电的隔离，无需再单独设计故障信号传递电路，减小了过流保护电路的元器件及电路复杂程度。

过流保护电路软关断电路的设计避免了过流时极高的电流下降率在主电路的分布电感上感应出较高的过电压。当发生过流故障时，过流保护电路被触发，在正常状态下被旁路的电阻投入到IGBT关断回路中，增加IGBT的关断电阻，减小关断时电流变化率。

本发明的有益效果是，用分立元件构成的大功率IGBT驱动保护电路，不仅可以安全可靠的驱动大功率IGBT，且大大降低了成本。其中，利用电源电路中的脉冲变压器传递故障信号，实现了控制回路与主回路强弱电的隔离，无需再单独设计故障信号传递电路，减小了过流保护电路的元器件及电路复杂程度。

附图说明

图1本发明电路结构框图；

图2本发明电源电路的原理图；

图3本发明驱动电路的原理图；

图4本发明过流保护电路的原理图。

图中：1电源电路，2驱动电路，3过流保护电路，4大功率IGBT。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明主要由电源电路1、驱动电路2与过流保护电路3构成。由这三部分组成的电路控制IGBT4正常导通关断及在过流情况下对IGBT4的保护。电源电路1输出导通、关断IGBT4所需的正负偏压及其他元器件工作所需电源。驱动电路2由外部输入控制信号，由电源电路1提供正负偏压，驱动电路2输出驱动信号至IGBT4的栅极，控制IGBT4导通与关断。过流保护电路3与IGBT 4的集电极、发射极相连接，通过检测集电极与发射极之间电压，判断IGBT4是否过流，在过流情况下控制驱动电路的驱动点，控制IGBT4关断，并且利用电源电路中的脉冲变压器实现故障信号的传递。

图2为本发明电源电路1。如图2所示，由端子J1输入+15V电源VCC1+与之相应的地VCC-,电源电路1中多谐振荡器HEF4047B工作于非稳态自由模式下，因此多谐振荡器HEF4047B的引脚4、5、6、14接VCC1+，引脚7、8、9、12接VCC-，引脚13悬空。多谐振荡器HEF4047B的引脚1接振荡电容C2的一端、引脚2接振荡电阻R3的一端，引脚3接R3及C2的另一端，通过R3、C2不同的匹配值，得到输出方波信号不同的周期。多谐振荡器HEF4047B的引脚10、11输出两路互补的占空比为50%的高频方波信号，控制一组桥式三极管的导通与关断。引脚10与NPN型三极管U3及PNP型三极管U5的基极相连接，控制U3与U5的导通与截止；引脚11与NPN型三极管U2及PNP型三极管U4的基极相连接，控制U2与U4的导通与截止。三极管U2的发射极与三极管U4的发射极相连接，同时又与隔直电容C6的一端相连接，C6的另一端与脉冲变压器T1原边的一端相连接；三极管U3与三极管U5的发射极相连接，同时又与脉冲变压器T1原边的另一端相连接。当多谐振荡器HEF4047B的引脚10为高电平时，引脚11为低电平，U3、U4导通，U2、U5截止，脉冲变压器T1的原边输入正向脉冲；当引脚10为低电平时，引脚11为高电平，U2、U5导通，U3、U4截止，脉冲变压器的原边输入反向脉冲。通过控制U2，U3，U4，U5的导通与关断，将直流电压逆变为交流电压施加到脉冲变压器T1的原边。二极管D30的正极与二极管D31的负极相连接，二极管D32的正极与二极管D33的负极相连接，二极管D30的负极与二极管D32的负极相连接，二极管D31正极与二极管D33的正极相连接，二极管D30、D31、D32、D33共同组成了整流桥。由脉冲变压器副边输出的交流电压经过由二极管D30、D31、D32、D33组成的整流桥整流，得到脉动的直流电压，再经电容C11滤波，得到波形平滑的直流电压，由此构成了电源VCC3+，为+24V。VCC3+经过稳压二极管D3分压，得到VCC2+作为其它部分电路的电源,VCC2+为+18V；VCC3+经过稳压二极管D10、D11分出+9V电压接到IGBT的发射极E，来提供IGBT导通、关断所需的正负偏压。

图3为本发明驱动电路2。如图3所示，在驱动电路2中，由图1中端子J1输入的控制信号(Control)输出至三极管U6的基极，三极管U6的集电极通过二极管D1与由端子J1输入的+15V电源VCC1+相连接，三极管U6的发射极通过串联的电阻R11、稳压管D2与光耦HCPL4504U8的引脚2相连接，光耦HCPL4504U8的引脚3与由J1输入的地VCC-相连接，光耦HCPL4504U8的引脚1、4悬空，引脚5接地、引脚6悬空，引脚7输出经过光耦隔离的驱动信号与P-MOS管U24和N-MOS管U25的栅极相连接，控制U24与U25的导通与关断，光耦HCPL4504 U8的引脚8接电源VCC2+。U24的源极与电阻R33的一端相连接，U25的漏极与电阻R32的一端相连接，电阻R33的另一端与电阻R32的另一端相连接，连接点标记为A点。连接点A与电阻R31的一端相连接，电阻R31另一端的连接点标记为B点，连接点B与NPN型三极管U22和PNP型三极管U21的基极相连接，控制U21与U22的导通与关断。U21与U22的发射极相连接，连接点标记为D。连接点D与稳压管D7正极相连，D7又与电容C17并联，D7的负极与稳压管D17正极相连，D17又与电阻R28并联，D17的负极与P-MOS管U26的栅极相连接，控制U26的导通与关断。连接点D同时还与稳压管D6的负极相连接，D6与电阻R27相并联，D6的正极与电阻R30的一端相连接，电阻R30的另一端接地，D6的正极同时还与N-MOS管U27的栅极相连接，控制U27的导通与关断。当外部输入的控制信号(Control)为高电平时，三极管U6导通，稳压管D2被击穿，光耦HCPL4504的引脚3、4流过大约10mA的电流，光耦原边的发光二极管导通，光耦HCPL4504的引脚7输出高电平，P-MOS管U24截止，N-MOS管U25导通，U25的源极接地，因此连接点A为低电平，连接点B为低电平，NPN型三极管U22截止，PNP型三极管U21导通，连接点D为低电平，稳压管D6不被击穿，D7、D17被击穿，P-MOS管U26导通，NMOS管U27截止，VCC3+通过U26及图4中的栅极驱动电阻R36施加到IGBT4的栅极G，发射极E的电压为+9V，IGBT4栅极G与发射极E之间的电压UGE为VCC3+与+9V的差值，UGE为正偏压+15V，IGBT4导通。当控制信号(Control)为低电平，三极管U6截止，光耦HCPL4504的原边没有电流流入，其引脚7输出低电平，U24导通，U25截止，连接点A为高电平，连接点B为高电平，U22导通，U21截止，连接点D为高电平，稳压管D6被击穿，D7，D17不被击穿，U27导通，U26截止，IGBT4的栅极G电压为0，而IGBT4的发射极E电压为+9V，IGBT4的UGE为负偏压-9V，IGBT4关断。

图4为本发明过流保护电路。如图4所示，连接点C、G、E通过端子J2与IGBT4连接，其中连接点C与IGBT4的集电极相连接，连接点G与IGBT4的栅极相连接，连接点E与IGBT4的发射极相连接。二极管D22的负极与IGBT4的集电极C相连接，D22的正极与电阻R22的一端相连接，R22的另一端与二极管D37的正极相连接，D37的负极与稳压管D4的负极相连接，D4的正极与三极管U13的基极相连接，连接点标记为F，U13的发射极与三极管U10的基极相连接，D22、R22、D37、D4、U13、U10共同组成了过流保护电路3的触发电路。IGBT4在正常工作状态下，其集电极发射极间电压UCE的值在正常工作区域，三极管U13与三极管U10的基极电压小于导通阈值处于截止状态；当IGBT4集电极电流超过设定的保护阈值时，IGBT集电极发射极间电压UCE的值增加，三极管U13与U10的基极电压大于导通阈值，U13与U10导通，过流保护电路被触发。稳压管D4稳压值的选取依据过流保护阈值的设定。

三极管U13的集电极与电阻R17的一端相连接，R17的另一端与三极管U12的基极相连接，R16并联在U12的基极与发射极，U12的发射极接VCC2+，U12的集电极与二极管D5的正极相连接，D5的负极与连接点B相接，三极管U12、电阻R16、R17与二极管D5组成了硬件关断回路。当过流保护电路触发后，三极管U13、U10导通，电阻R16、R17与三极管U13、U10构成回路，与三极管U12并联的电阻R16两端的压降使得U12导通，二极管D5正向导通，连接点B为高电平，使得驱动电路3输出负偏压，关断IGBT4，实现过流时硬件可靠关断IGBT4。

电阻R14的一端与VCC2+相接，另一端与N-MOS管U14的漏极及N-MOS管U15的栅极相连接，U14的栅极与电阻R15及电容C9的一端相连接，R15与C9并联，R15、C9的另一端与三极管U12的集电极相连接，NMOS管U15的漏极与连接点M相接，连接点M同时与图3中电阻R23的一端相连接，而且U15的源极与电阻R23的另一端都与地GND相连接，因此电阻R23并联在N-MOS管U15的源极与漏极之间。MOS管U14、U15，三极管U12，电阻R14、R15，电容C9及图3中的电阻R23共同构成了软关断回路。当过流保护电路触发后，U12导通，U14栅极及源极之间电压大于导通阈值，U14导通，U14导通后，U15栅极及源极之间电压小于导通阈值，U15关断，与U15并联的电阻R23不再被旁路，投入到IGBT4关断回路中，增加了关断电阻，减小了IGBT4集电极电流下降率，避免极高的电流下降率在主电路的分布电感上感应出较高的过电压而造成IGBT4损坏，即实现了IGBT4在过流时软关断。

二极管D35正极与图2中脉冲变压器T1的6脚相连接，即连接点T1.6，二极管D36正极与T1的5脚相连接，即连接点T1.5，二极管D35的负极与D36的负极相连接，同时又与电阻R25、R26的一端相连接，R26的另一端与电容C20的一端相连接，R25的另一端与C20的另一端相连接，同时又与三极管U10的集电极相连接。二极管D35、D36，电阻R25、R26，电容C20，三极管U10构成的电路与图2中的脉冲变压器T1及电阻R4、R5、R8，电容C3、C7、C8，三极管U7共同构成了故障信号传递回路。当过流故障电路触发后，三极管U10导通，R26的阻值较小，R26流过较大电流，因此脉冲变压器T1副边流过较大电流，T1原边也流过较大电流，在图2所示电阻R5上产生较大压降，使得三极管U7基极与发射级电压大于导通阈值而导通，故障信号Fault为低电平，表示IGBT发生过流故障，由图2所示端子J1输出。

本发明巧妙地利用了图2所示的电源部分的脉冲变压器T1传递故障信号，既满足了故障信号隔离传递的要求，也无须单独设计故障信号传递电路。

本发明可以根据需要应用于不同的场合。例如，可以应用于大功率变频器，也可以应用于大功率开关电源。

Claims

1.一种应用于风力发电的大功率IGBT驱动保护电路，所述的驱动保护电路包括电源电路（1）、驱动电路（2）、过流保护电路（3）；电源电路（1）与驱动电路（2）和过流保护电路（3）相连接，输出导通、关断IGBT（4）所需的正负偏压；驱动电路（2）输出驱动信号至IGBT（4）的栅极，控制IGBT（4）导通与关断；过流保护电路（3）与IGBT（4）集电极、发射极相连接，通过检测集电极与发射极之间电压，判断IGBT（4）是否过流，在过流情况下控制驱动电路的驱动点，控制IGBT（4）关断，并利用电源电路（1）中的脉冲变压器实现故障信号的传递，

其特征在于所述的电源电路（1）中，多谐振荡器HEF4047B的4、5、6、14引脚连接由端子J1输入的+15V电源VCC1+，7、8、9、12引脚连接由端子J1输入的+15V电源VCC1+相对应的地VCC-，13引脚悬空；多谐振荡器HEF4047B的1引脚接振荡电容C2的一端、2引脚接振荡电阻R3的一端，3引脚接振荡电阻R3及振荡电容C2的另一端；多谐振荡器HEF4047B的10引脚与NPN型三极管U3及PNP型三极管U5的基极相连接，11引脚与NPN型三极管U2及PNP型三极管U4的基极相连接；三极管U2的发射极与三极管U4的发射极相连接，同时又与隔直电容C6的一端相连接，隔直电容C6的另一端与脉冲变压器T1原边的一端相连接；三极管U3与三极管U5的发射极相连接，同时又与脉冲变压器T1原边的另一端相连接

所述的驱动电路（2）中，由端子J1输入的控制信号输出至三极管U6的基极，三极管U6的集电极通过二极管D1与由端子J1输入的+15V电源VCC1+相连接，三极管U6的发射极通过串联的电阻R11、稳压管D2与光耦HCPL4504的2引脚相连接，光耦HCPL4504的3引脚与由J1输入的地VCC-相连接，光耦HCPL4504的1、4引脚悬空，光耦HCPL4504的5引脚接地、6引脚悬空，光耦HCPL4504的7引脚输出经过光耦隔离的驱动信号与PMOS管U24和N-MOS管U25的栅极相连接，控制U24与U25的导通与关断；光耦HCPL4504的引脚8接由+24V电源经过稳压二极管D3分压得到的电源VCC2+；P-MOS管U24的源极与电阻R33的一端相连接，N-MOS管U25的漏极与电阻R32的一端相连接，电阻R33的另一端与电阻R32的另一端相连接，连接点标记为A点；连接点A与电阻R31的一端相连接，电阻R31的另一端与三极管U22和三极管U21的基极相连接，控制三极管U21与U22的导通与关断；三极管U21与U22的发射极相连接，连接点标记为D，连接点D与稳压管D7正极相连，稳压管D7与电容C17并联，稳压管D7的负极与稳压管D17正极相连，稳压管D17与电阻R28并联，稳压管D17的负极与P-MOS管U26的栅极相连接，控制U26的导通与关断；连接点D同时还与稳压管D6的负极相连接，稳压管D6与电阻R27相并联，稳压管D6的正极与电阻R30的一端相连接，电阻 R30的另一端接地，稳压管D6的正极同时与N-MOS管U27的栅极相连接，控制U27的导通与关断

所述的过流保护电路（3）由保护电路的触发、硬件关断回路、软关断回路及故障信号传递电路组成；保护电路触发电路中，二极管D22的负极与IGBT（4）的集电极C相连接，二极管D22的正极与电阻R22的一端相连接，电阻R22的另一端与二极管D37的正极相连接，二极管D37的负极与稳压管D4的负极相连接，稳压管D4的正极与三极管U13的基极相连接，三极管U13的发射极与三极管U10的基极相连接；硬件关断回路中：三极管U13的集电极与电阻R17的一端相连接，电阻R17的另一端与三极管U12的基极相连接，电阻R16并联在三极管U12的基极与发射极之间，三极管U12的发射极接由+24V电源经过稳压二极管D3分压得到的VCC2+，三极管U12的集电极与二极管D5的正极相连接，二极管D5的负极与连接点B相接；软关断回路中：电阻R14的一端与所述的VCC2+相接，电阻R14的另一端与N-MOS管U14的漏极及N-MOS管U15的栅极相连接，N-MOS管U14的栅极与电阻R15及电容C9的一端相连接，电阻R15与电容C9并联，电阻R15及电容C9的另一端与三极管U12的集电极相连接，N-MOS管U15的漏极与连接点M相接，连接点M同时与电阻R23的一端相连接，N-MOS管U15的源极与电阻R23的另一端都与地GND相连接，电阻R23并联在N-MOS管U15源极与漏极之间；故障信号传递回路中：二极管D35的正极与脉冲变压器T1的6脚相连接，二极管D36正极与脉冲变压器T1的5脚相连接，二极管D35的负极与二极管D36的负极相连接，同时又与电阻R25的一端和电阻R26的一端相连接，电阻R26的另一端与电容C20的一端相连接，电阻R25的另一端与电容C20的另一端相连接，同时又与三极管U10的集电极相连接。