CN102594102A - 适用于多电平变流器的igbt驱动电源及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于多电平变流器的IGBT驱动电源及其驱动方法。IGBT驱动电源包括驱动控制单元、放大电路、门极电压调整电路和故障检测电路，驱动控制单元的输入端和上位机的驱动指令输出端相连，其控制信号输出端经放大电路和IGBT的门极相连，其门极电压调整信号输出端经门极电压调整电路和IGBT的门极相连，故障检测电路的输出端经驱动控制单元和上位机相连。驱动方法为：根据IGBT的工作状态驱动控制单元通过门极电压调整电路对IGBT的门极电压进行分段控制。本发明既保证了正常工作时的高效率，又在IGBT发生短路故障时，降低了IGBT短路时的电流以及IGBT关断时的电压尖峰，从而提高稳定性和可靠性。

Description

适用于多电平变流器的IGBT驱动电源及其驱动方法
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及一种提高多电平变流器的整体稳定性的适用于多电平变流器的IGBT驱动电源及其驱动方法。
背景技术
由于多电平变流器具有功率容量大、开关频率低、输出谐波小、响应速度快和电磁兼容性好等特点，使得多电平变流器在大功率场合得到越来越广泛的应用，如兆瓦级别的风力变流器、轨道交通。与双电平变流器不同，在多电平变流器中，正常的半导体器件间的换流需要保证了在外部IGBT（绝缘栅双极型晶体管）开通时，内部的IGBT不会被关断，这样才能避免全部的直流母线电压完全加在单个半导体器件上。由于工作模式的不一样，传统的双电平IGBT驱动电路已经不能适用于三电平工作模式下。
当IGBT发生短路故障时，流过IGBT的短路电流随着门极电压的升高而升高，而IGBT能承受短路故障的时间则随着门极电压的升高而降低。工作于三电平模式的IGBT，当其发生短路故障时，驱动电路不能立即关断IGBT，而是需要将故障信号返回到上位机，由上位机统一安排关断时序，因此，与两电平工作模式相比，三电平工作模式时，IGBT需要承受更长的短路故障时间，这就意味着，IGBT因短路故障损坏的风险大大增大。
发明内容
本发明主要解决多电平变流器中，IGBT需要承受更长的短路故障时间，IGBT因短路故障损坏的风险大大增大，影响多电平变流器的整体稳定性的技术问题；提供一种适用于多电平变流器的IGBT驱动电源及其驱动方法，其对IGBT的门极电压进行合理的分段控制，既保证了正常工作时的高效率，又在IGBT发生短路故障时，通过适当降低门极电压，从而降低IGBT短路时的电流以及IGBT关断时的电压尖峰，提高了多电平变流器的整体稳定性和可靠性。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的适用于多电平变流器的IGBT驱动电源，包括驱动控制单元、放大电路、门极电压调整电路和故障检测电路，所述的驱动控制单元的输入端和上位机的驱动指令输出端相连，驱动控制单元的控制信号输出端和所述的放大电路的输入端相连，放大电路的输出端和IGBT的门极相连，驱动控制单元的门极电压调整信号输出端经所述的门极电压调整电路和IGBT的门极相连，故障检测电路的输出端和驱动控制单元的故障信号输入端相连，驱动控制单元的故障反馈信号输出端和所述的上位机相连。上位机发出驱动指令给驱动控制单元，驱动控制单元发出控制信号给放大电路，再由放大电路驱动IGBT。故障检测电路的故障源有来自于IGBT的，如短路、过流和过温，也有来自于驱动电源本身的，如驱动电源供电欠压、过压等。故障检测电路检测IGBT是否发生故障，测得的故障信号输送给驱动控制单元，再由驱动控制单元发出故障反馈信号给上位机。驱动控制单元发出的门极电压调整信号控制门极电压调整电路开始工作或停止工作，通过门极电压调整电路控制IGBT的门极电压，从而实现对IGBT的门极电压进行合理的分段控制，既保证了正常工作时的高效率，又在IGBT发生短路故障时，通过适当降低门极电压，从而降低IGBT短路时的电流以及IGBT关断时的电压尖峰，提高了多电平变流器的整体稳定性和可靠性。
作为优选，所述的门极电压调整电路包括齐纳二极管D和电子开关S，电子开关S的一端和IGBT的发射极相连，电子开关S的另一端和齐纳二极管D的正极相连，齐纳二极管D的负极和IGBT的门极相连，电子开关S的控制端和所述的驱动控制单元的门极电压调整信号输出端相连。电子开关S的断开或闭合由所述的驱动控制单元发出的门极电压调整信号控制，电子开关S断开则门极电压调整电路不工作，电子开关S闭合则门极电压调整电路开始工作。可以是一级调节，也可以是多级调节。
作为优选，所述的放大电路包括放大器U和电阻R，所述的驱动控制单元的控制信号输出端和所述的放大器U的输入端相连，放大器U的输出端经电阻R和IGBT的门极相连。
本发明的适用于多电平变流器的IGBT驱动电源的驱动方法为：当IGBT正常工作时，所述的驱动控制单元发出的门极电压调整信号使所述的门极电压调整电路不工作，在上位机及驱动控制单元的控制下，IGBT的门极电压保持正常的幅值；
当IGBT发生短路故障时：
1）所述的故障检测电路将测得的故障信号输送给所述的驱动控制单元，再由驱动控制单元将故障反馈信号输送给所述的上位机，同时驱动控制单元输出的控制信号维持IGBT处于导通状态；
2）所述的驱动控制单元输出门极电压调整信号给所述的门极电压调整电路，使得门极电压调整电路开始工作，将IGBT的门极电压控制在电压VZ，电压VZ满足VGTH<VZ<VCC，其中VGTH为门极阈值电压，既保证IGBT仍处于导通状态，又使得流过IGBT的短路电流变低；
3）经过若干时间后，所述的上位机发出驱动指令给驱动控制单元，再由驱动控制单元发出控制信号经放大电路给IGBT的门极，关闭IGBT，同时驱动控制单元发出门极电压调整信号使门极电压调整电路不工作。
作为优选，所述的门极电压调整电路包括齐纳二极管D和电子开关S，电子开关S的一端和IGBT的发射极相连，电子开关S的另一端和齐纳二极管D的正极相连，齐纳二极管D的负极和IGBT的门极相连，电子开关S的控制端和所述的驱动控制单元的门极电压调整信号输出端相连；所述的电子开关S的断开或闭合由所述的驱动控制单元发出的门极电压调整信号控制，电子开关S断开则门极电压调整电路不工作，电子开关S闭合则门极电压调整电路开始工作。当IGBT发生故障时，驱动控制单元发出的门极电压调整信号开通电子开关S，通过齐纳二极管D将门极电压钳位在电压VZ，电压VZ满足VGTH<VZ<VCC，其中VGTH为门极阈值电压，因此，IGBT仍处于导通状态，但是由于门极电压降低，因此流过IGBT的短路电流也变低，IGBT耐短路的时间增长。
本发明的有益效果是：针对多电平变流器特有的多电平工作模式，创造性地对三电平IGBT的门极电压进行分段控制，既保证了正常工作时的高效率，又在IGBT发生短路故障时，通过适当降低门极电压，降低了IGBT短路时的电流以及IGBT关断时的电压尖峰，从而提高了多电平变流器的整体稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的适用于多电平变流器的IGBT驱动电源的一种电路原理框图。
图2是本发明的适用于多电平变流器的IGBT驱动电源的一种更具体一些的电路原理框图。
图中1.上位机，2.驱动控制单元，3.放大电路，4.门极电压调整电路，5.故障检测电路。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的适用于多电平变流器的IGBT驱动电源，如图1所示，包括驱动控制单元2、放大电路3、门极电压调整电路4和故障检测电路5，驱动控制单元2的输入端和上位机1的驱动指令输出端相连，驱动控制单元2的控制信号输出端和放大电路3的输入端相连，放大电路3的输出端和IGBT的门极相连，驱动控制单元2的门极电压调整信号输出端经门极电压调整电路4和IGBT的门极相连，故障检测电路5的输出端和驱动控制单元2的故障信号输入端相连，驱动控制单元2的故障反馈信号输出端和上位机1相连。本实施例中，门极电压调整电路4包括齐纳二极管D和电子开关S，如图2所示，电子开关S的一端和IGBT的发射极相连，电子开关S的另一端和齐纳二极管D的正极相连，齐纳二极管D的负极和IGBT的门极相连，电子开关S的控制端和驱动控制单元2的门极电压调整信号输出端相连。放大电路3包括放大器U和电阻R，驱动控制单元2的控制信号输出端和放大器U的输入端相连，放大器U的输出端经电阻R和IGBT的门极相连。
上述适用于多电平变流器的IGBT驱动电源的驱动方法为：当IGBT正常工作时，驱动控制单元2发出的门极电压调整信号使电子开关S断开，门极电压调整电路4不工作，IGBT的门极电压保持正常的幅值；
当IGBT发生短路故障时：
1）故障检测电路5将测得的故障信号输送给驱动控制单元2，再由驱动控制单元2将故障反馈信号输送给上位机1，同时上位机发出正向驱动指令给驱动控制单元2，使驱动控制单元2输出控制信号维持IGBT处于导通状态；
2）驱动控制单元2输出门极电压调整信号给电子开关S的控制端，使电子开关S闭合，则门极电压调整电路4开始工作，通过齐纳二极管D将门极电压钳位在电压VZ，电压VZ满足VGTH<VZ<VCC，其中VGTH为门极阈值电压，既保证IGBT仍处于导通状态，又使得流过IGBT的短路电流变低；
3）经过一段时间后，上位机1发出负向驱动指令给驱动控制单元2，再由驱动控制单元2发出控制信号经放大器U、电阻R给IGBT的门极，关闭IGBT，同时驱动控制单元2发出门极电压调整信号使电子开关S断开，门极电压调整电路4不工作。
IGBT发生短路故障时，IGBT电流快速变大，达到最大值，该值与门极电压成正比。当故障检测电路检测到IGBT处于短路状态时，将故障信号送给驱动控制单元，再由驱动控制单元输出故障反馈信号给上位机；同时，驱动控制单元输出门极电压调整信号使电子开关S闭合，将IGBT门极电压由正常时的15V钳位到12V。由于门极电压降低，流过IGBT的电流也相应变低。因为门极电压依然大于门极阈值电压VGTH，故而IGBT依然保持导通状态。当一段时间后，驱动控制单元接收到上位机的关断指令，则输出控制信号关断IGBT。
本发明对三电平IGBT的门极电压进行合理分段控制，既保证了正常工作时的高效率，又在IGBT发生短路故障时，通过适当降低门极电压，降低了IGBT短路时的电流以及IGBT关断时的电压尖峰，从而提高了多电平变流器的整体稳定性和可靠性。

Claims (5)

1.一种适用于多电平变流器的IGBT驱动电源，其特征在于包括驱动控制单元（2）、放大电路（3）、门极电压调整电路（4）和故障检测电路（5），所述的驱动控制单元（2）的输入端和上位机（1）的驱动指令输出端相连，驱动控制单元（2）的控制信号输出端和所述的放大电路（3）的输入端相连，放大电路（3）的输出端和IGBT的门极相连，驱动控制单元（2）的门极电压调整信号输出端经所述的门极电压调整电路（4）和IGBT的门极相连，故障检测电路（5）的输出端和驱动控制单元（2）的故障信号输入端相连，驱动控制单元（2）的故障反馈信号输出端和所述的上位机（1）相连。
2.根据权利要求1所述的适用于多电平变流器的IGBT驱动电源，其特征在于所述的门极电压调整电路（4）包括齐纳二极管D和电子开关S，电子开关S的一端和IGBT的发射极相连，电子开关S的另一端和齐纳二极管D的正极相连，齐纳二极管D的负极和IGBT的门极相连，电子开关S的控制端和所述的驱动控制单元（2）的门极电压调整信号输出端相连。
3.根据权利要求1或2所述的适用于多电平变流器的IGBT驱动电源，其特征在于所述的放大电路（3）包括放大器U和电阻R，所述的驱动控制单元（2）的控制信号输出端和所述的放大器U的输入端相连，放大器U的输出端经电阻R和IGBT的门极相连。
4.一种根据权利要求1所述的适用于多电平变流器的绝缘栅双极型晶体管驱动电源的驱动方法，其特征在于：
当IGBT正常工作时，所述的驱动控制单元（2）发出的调整信号使所述的门极电压调整电路（4）不工作，IGBT的门极电压保持正常的幅值；
当IGBT发生短路故障时：
1）所述的故障检测电路（5）将测得的故障信号输送给所述的驱动控制单元（2），再由驱动控制单元（2）将故障反馈信号输送给所述的上位机（1），同时驱动控制单元（2）输出的控制信号维持IGBT处于导通状态；
2）所述的驱动控制单元（2）输出门极电压调整信号给所述的门极电压调整电路（4），使得门极电压调整电路（4）开始工作，将IGBT的门极电压控制在VZ，VZ满足VGTH<VZ<VCC，其中VGTH为门极阈值电压，既保证IGBT仍处于导通状态，又使得流过IGBT的短路电流变低；
3）经过若干时间后，所述的上位机（1）发出驱动指令给驱动控制单元（2），再由驱动控制单元（2）发出控制信号经放大电路（3）给IGBT的门极，关闭IGBT，同时驱动控制单元（2）发出门极电压调整信号使门极电压调整电路（4）不工作。
5.根据权利要求4所述的适用于多电平变流器的绝缘栅双极型晶体管驱动电源的驱动方法，其特征在于所述的门极电压调整电路（4）包括齐纳二极管D和电子开关S，电子开关S的一端和IGBT的发射极相连，电子开关S的另一端和齐纳二极管D的正极相连，齐纳二极管D的负极和IGBT的门极相连，电子开关S的控制端和所述的驱动控制单元（2）的门极电压调整信号输出端相连；所述的电子开关S的断开或闭合由所述的驱动控制单元（2）发出的门极电压调整信号控制，电子开关S断开则门极电压调整电路（4）不工作，电子开关S闭合则门极电压调整电路（4）开始工作。
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