CN102891620A

CN102891620A - T型三电平igbt驱动电路

Info

Publication number: CN102891620A
Application number: CN2012104054266A
Authority: CN
Inventors: 王晓阳; 梁多飞; 孙耀杰
Original assignee: JIANGSU ZOF NEW ENERGY CO Ltd
Current assignee: Aisima new energy technology (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-01-23

Abstract

本发明涉及一种T型三电平IGBT驱动电路，包括三电平拓扑模块，三电平拓扑模块包括T型连接的第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管、第四IGBT管，第二IGBT管的集电极连接于第一电容和第二电容的共同端，第一电容和第二电容与电源相并联，T型连接的连接节点与逆变输出相连接；第一IGBT管的发射极与集电极之间连接有第一二极管，第二IGBT管的发射极与集电极之间连接有第二二极管，第三IGBT管的发射极与集电极之间连接有第三二极管，第四IGBT管的发射极与集电极之间连接有第二二极管；第一IGBT管的基极、第二IGBT管的基极、第三IGBT管的基极、第四IGBT管的基极均通过过压保护模块和过流保护模块而连接有隔离模块。本驱动电路可靠性高、损耗低，并具有过流保护和过压保护功能。

Description

T型三电平IGBT驱动电路

技术领域

本发明涉及一种应用于光伏并网逆变器的T型三电平IGBT驱动电路。

背景技术

光伏并网逆变器对谐波THD、转换效率、安全可靠性方面具有极高要求。传统光伏逆变器采用两电平结构，在IGBT驱动电路上采用普通光耦隔离的电路方式，并且不具备过流检测功能，没有IGBT过压保护，存在一定的缺陷。两电平结构的功率器件损耗较大，会降低转换效率；同时逆变器输出谐波THD较大，需要更大尺寸的滤波器。由于两电平结构的共模电压变化率较大，导致共模电流也较大，需要更复杂的EMI设计满足安全要求。由于光伏并网逆变器需要对强弱电进行隔离，因此传统光伏逆变器首先采用的是光耦隔离的IGBT驱动电路方式。光耦隔离的方式不会对输入信号作处理，因此对因串扰等方式叠加到控制信号的共模干扰不起到屏蔽作用，因此可能出现对IGBT控制错误的情况。光耦隔离需要接受器接收到一定的光强才能导通，因此驱动速度上也无法达到最快，并且产生的热损耗会降低驱动的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于光伏并网逆变器的安全可靠性高、控制准确度高、系统损耗小的T型三电平IGBT驱动电路。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种T型三电平IGBT驱动电路，应用驱动光伏并网逆变器，所述的T型三电平IGBT驱动电路包括三电平拓扑模块，所述的三电平拓扑模块包括第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管、第四IGBT管，所述的第二IGBT管的集电极连接于相串联的第一电容和第二电容的共同端，所述的第一电容和所述的第二电容与电源相并联，所述的第二IGBT管的发射极与所述的第三IGBT管的发射极相连接，所述的第三IGBT管的集电极、所述的第一IGBT管的发射极、所述的第四IGBT管的集电极相T型连接，所述的T型连接的连接节点与逆变输出相连接；所述的第一IGBT管的发射极与集电极之间连接有第一二极管，所述的第二IGBT管的发射极与集电极之间连接有第二二极管，所述的第三IGBT管的发射极与集电极之间连接有第三二极管，所述的第四IGBT管的发射极与集电极之间连接有第二二极管；

所述的第一IGBT管的基极、所述的第二IGBT管的基极、所述的第三IGBT管的基极、所述的第四IGBT管的基极均通过过压保护模块和过流保护模块而连接有隔离模块；所述的隔离模块包括磁隔离芯片及其外围电路。

优选的，所述的第一二极管的两端并联有第九二极管，所述的第二二极管的两端并联有第十二极管，所述的第三二极管的两端并联有第十一二极管，所述的第四二极管的两端并联有第十二二极管。

优选的，所述的过压保护模块包括第七二极管、第八二极管、第八电阻；所述的第七二极管的负极与所述的第一IGBT管的集电极或所述的第二IGBT管的集电极或所述的第三IGBT管的集电极或所述的第四IGBT管的集电极相连接，所述的第七二极管的正极与所述的第八二极管的正极相连接，所述的第八电阻的第一端与所述的第八二极管的负极相连接，所述的第八电阻的第二端与所述的第一IGBT管的基极或所述的第二IGBT管的基极或所述的第三IGBT管的基极或所述的第四IGBT管的基极相连接，所述的第七二极管为稳压二极管。

优选的，所述的过流保护模块包括相串接的第七电阻、第五二极管、第六二极管，所述的第六二极管的正极与所述的第一IGBT管的集电极或所述的第二IGBT管的集电极或所述的第三IGBT管的集电极或所述的第四IGBT管的集电极相连接，所述的第五二极管的负极与所述的第六二极管的负极相连接，所述的第七电阻的第一端与所述的第五二极管的正极相连接，所述的第七电阻的第二端与所述的隔离模块相连接，所述的第七电阻的第二端与地之间连接有第三电容，所述的第六二极管为稳压二极管。

优选的，所述的隔离模块还连接有增强驱动能力的推挽电路模块，所述的推挽电路模块包括第五三极管、第六三极管，所述的第五三极管的发射极与所述的第六三极管的发射极共接并与所述的第一IGBT管的基极或所述的第二IGBT管的基极或所述的第三IGBT管的基极或所述的第四IGBT管的基极相连接，所述的第五三极管的基极和所述的第六三极管的基极与所述的隔离模块的输出端相连接，所述的第五三极管的集电极与驱动侧电源相连接，所述的第六三极管的集电极接地。

优选的，所述的电源为太阳能电池板。

优选的，所述的所磁隔离芯片的外围电路包括为所述的磁隔离芯片提供电源的原边电源、连接于所述的原边电源和所述的磁隔离芯片之间的若干个上拉电阻、连接于所述的磁隔离芯片与所述的第一IGBT管的门极或所述的第二IGBT管的门极或所述的第三IGBT管的门极或所述的第四IGBT管的门极之间的第四电阻、与所述的磁隔离芯片的输出相连接的输出电阻。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明以T型三电平电路结构为主电路，使用具有过流检测功能的磁隔离IGBT驱动电路，解决传统光伏逆变器存在的技术问题。T型三电平光伏逆变器的功率器件由于承受的电压仅为两电平的一半，因此损耗较少，可以有效提高转换效率；同时三电平逆变器输出波形更趋向于正弦波，因此谐波THD较小，在频率不变的情况下可以使用更小尺寸的滤波器，提高了逆变器整体功率密度。此外，本发明的IGBT驱动电路采用磁隔离的电路方式，提高了IGBT驱动的速度和可靠性。

附图说明

附图1为本发明的T型三电平IGBT驱动电路的电路原理图。

附图2为本发明的T型三电平IGBT驱动电路在过流保护时的波形图。

附图3为本发明的T型三电平IGBT驱动电路的驱动信号及输出。

附图4为本发明的T型三电平IGBT驱动电路的有源箝位波形。

以上附图中：1、太阳能电池板；2、第一电容；3、第二电容；4、第二二极管；5、第二IGBT管；6、第三二极管；7、第三IGBT管；8、第一IGBT管；9、第一二极管；10、第四IGBT管；11、第四二极管；12、逆变输出；13、磁隔离芯片；14、第一电阻；15、第二电阻；16、第三电阻；17、原边电源；18、第四电阻；19、芯片输出电阻；20、驱动侧电源；21、第五三极管；22、第六三极管；23、门极驱动电阻；24、第三电容；25、第七电阻；26、第五二极管；27、第六二极管；28、第七二极管；29、第八二极管；30、第八电阻；31、基极；32、集电极；33、发射极；34、/RST管脚；35、/FLT管脚；36、RDY管脚；37、IN+管脚；38、OUT管脚；39、DESAT管脚；40、第九二极管；41、第十二极管；42、第十一二极管；43、第十二二极管。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：参见附图1所示。

一种T型三电平IGBT驱动电路，应用驱动光伏并网逆变器。该T型三电平IGBT驱动电路包括三电平拓扑模块。

三电平拓扑模块包括第一IGBT管（Q1）8、第二IGBT管（Q2）5、第三IGBT管（Q3）7、第四IGBT管（Q4）10。第二IGBT管（Q2）5的集电极连接于相串联的第一电容（C1）2和第二电容（C2）3的共同端，第一电容（C1）2和第二电容（C2）3与电源相并联，在本实施例中，该电源为太阳能电池板1。第二IGBT管（Q2）5的发射极与第三IGBT管（Q3）7的发射极相连接，第三IGBT管（Q3）7的集电极、第一IGBT管（Q1）8的发射极、第四IGBT管（Q4）10的集电极相T型连接。T型连接的连接节点与逆变输出12相连接。

第一IGBT管（Q1）8的发射极与集电极之间连接有第一二极管（D1）9，第一二极管（D1）9的两端并联有第九二极管（D9）40。第二IGBT管（Q2）5的发射极与集电极之间连接有第二二极管（D2）4，第二二极管（D2）4的两端并联有第十二极管（D10）41。第三IGBT管（Q3）7的发射极与集电极之间连接有第三二极管（D3）6，第三二极管（D3）6的两端并联有第十一二极管（D11）42。第四IGBT管（Q4）10的发射极与集电极之间连接有第二二极管（D2）4，第四二极管（D4）11的两端并联有第十二二极管（D12）43。

第一IGBT管（Q1）8的基极、第二IGBT管（Q2）5的基极、第三IGBT管（Q3）7的基极、第四IGBT管（Q4）10的基极均通过过压保护模块和过流保护模块而连接有隔离模块。在附图1中，以与第四IGBT管（Q4）10相连接的过压保护模块、过流保护模块及隔离模块为例。

隔离模块包括磁隔离芯片13及其外围电路。隔离模块采用了磁隔离技术，较IGBT驱动电路上常用的光耦隔离，具有响应速度快、隔离电压高等优点。磁隔离芯片13的IN+管脚37为其输入。磁隔离芯片13的RDY管脚36、/FLT管脚35、/RST管脚34分别连接有第一电阻（R1）14、第二电阻（R2）15、第三电阻（R3）16，第一电阻（R1）14、第二电阻（R2）15、第三电阻（R3）16为上拉电阻。上拉电阻的另一端与为磁隔离芯片13提供电源的原边电源17相连接。磁隔离芯片13的CLAMP管脚（米勒箝位管脚）经过第四电阻（R4）18与第一IGBT管（Q1）8的门极（即基极）或第二IGBT管（Q2）5的门极（即基极）或第三IGBT管（Q3）7的门极（即基极）或第四IGBT管（Q4）10的门极（即基极）相连接。磁隔离芯片13的OUT管脚38为其输出，该OUT管脚38先连接有芯片输出电阻（R5）19后再连接增强驱动能力的推挽电路模块。推挽电路模块包括第五三极管（Q5）21、第六三极管（Q6）22。第五三极管（Q5）21的基极和第六三极管（Q6）22的基极与隔离模块的输出端相连接，第五三极管（Q5）21的集电极与驱动侧电源20相连接，第六三极管（Q6）22的集电极接地，第五三极管（Q5）21的发射极与第六三极管（Q6）22的发射极共接，再连接门极驱动电阻（R6）23后与第一IGBT管（Q1）8的基极或第二IGBT管（Q2）5的基极或第三IGBT管（Q3）7的基极或第四IGBT管（Q4）10的基极相连接。

过压保护模块包括第七二极管（D7）28、第八二极管（D8）29、第八电阻（R8）30。第七二极管（D7）28的负极与第一IGBT管（Q1）8的集电极或第二IGBT管（Q2）5的集电极或第三IGBT管（Q3）7的集电极或第四IGBT管（Q4）10的集电极相连接，第七二极管（D7）28的正极与第八二极管（D8）29的正极相连接，第八电阻（R8）30的第一端与第八二极管（D8）29的负极相连接，第八电阻（R8）30的第二端与第一IGBT管（Q1）8的基极或第二IGBT管（Q2）5的基极或第三IGBT管（Q3）7的基极或第四IGBT管（Q4）10的基极相连接，第七二极管（D7）28为稳压二极管。

过流保护模块包括相串接的第七电阻（R7）25、第五二极管（D5）26、第六二极管（D6）27。第六二极管（D6）27的正极与第一IGBT管（Q1）8的集电极或第二IGBT管（Q2）5的集电极或第三IGBT管（Q3）7的集电极或第四IGBT管（Q4）10的集电极相连接，第五二极管（D5）26的负极与第六二极管（D6）27的负极相连接，第七电阻（R7）25的第一端与第五二极管（D5）26的正极相连接，第七电阻（R7）25的第二端与磁隔离芯片13的DESAT管脚39相连接，第七电阻（R7）25的第二端与地之间连接有第三电容（C3）24，第六二极管（D6）27为稳压二极管。

对上述电路的几点功能介绍如下：

（1）第一电容（C1）2和第二电容（C2）3为支撑电容，同时提供中点电压；

（2）第二二极管（D2）4、第二IGBT管（Q2）5、第三二极管（D3）6、第三IGBT管（Q3）7、第一IGBT管（Q1）8、第一二极管（D1）9、第四IGBT管（Q4）10、第四二极管（D4）11与第一电容（C1）2和第二电容（C2）3共同组成三电平拓扑；

（3）由第五三极管（Q5）21和第六三极管（Q6）22组成的推挽电路，增强驱动能力。现有技术把磁隔离芯片13的输出经芯片输出电阻（R5）19后直接接到IGBT 管的基极上，若使用大功率IGBT，会导致磁隔离芯片13输出的的驱动能力不足，不能使IGBT管有效工作。改进后在芯片输出电阻（R5）19与IGBT管的基极之间增加了推挽电路，增强了驱动能力，可以使IGBT管有效工作；

（4）芯片输出电阻（R5）19驱动后级的推挽电路；

（5）第三电容（C3）24为调整过流保护时间的电容；第七电阻（R7）25为限流电阻；第五二极管（D5）26的作用是驱动关断时阻断IGBT 集电极的高压，驱动开通时提供测量Vce电压的通路，即调整IGBT过流点电流值；第六二极管（D6）27调整IGBT过流保护时的保护压降。过流保护模块使IGBT管在过流时关断；

（6）第九二极管（D9）40、第十二极管（D10）41、第十一二极管（D11）42、第十二二极管（D12）43为增加的快恢复大功率二极管；

（7）过压保护模块（即有源箝位电路）在IGBT管的集电极与发射极之间电压过高时工作，电流经第八电阻（R8）30、第八二极管（D8）29、第七二极管（D7）28给IGBT管充电，IGBT管导通，使IGBT管的集电极与发射极之间电压下降；

（8）第一二极管（D1）9、第二二极管（D2）4、第三二极管（D3）6、第四二极管（D4）11为IGBT管的保护二极管，一般续流能力较弱。当逆变器发出无功能量或者低电压穿越时，无功电流需要从IGBT的保护二极管通过，这样就有可能使其损坏。本电路中加入了第九二极管（D9）40、第十二极管（D10）41、第十一二极管（D11）42、第十二二极管（D12）43为快恢复大功率二极管，增强了无功电流的续流能力和防冲击过载能力，避免了内部二极管的损坏。

驱动电路工作原理为（以与第四IGBT管（Q4）10的基极31相连接的隔离模块、过流保护模块、过压保护模块为例）：磁隔离芯片13的RDY管脚36输出高表示磁隔离芯片13准备好，可以工作。IN+管脚37输入高信号时，OUT管脚38输出驱动信号，第五三极管（Q5）21导通，驱动侧电源20通过第五三极管（Q5）21给第四IGBT管（Q4）10的门极充电，即给第四IGBT管（Q4）10的基极31与发射极33之间充电，使第四IGBT管（Q4）10导通。IN+管脚37输入低信号时，OUT管脚38输出关断，第五三极管（Q5）21关断，第六三极管（Q6）22导通，第四IGBT管（Q4）10的门极通过第六三极管（Q6）22放电，第四IGBT管（Q4）10关断。

在第四IGBT管（Q4）10导通时，如果超过第第三电容（C3）24所设定的保护时间后，磁隔离芯片13的DESAT管脚39检测到第四IGBT管（Q4）10的集电极32与发射极33之间的电压超过设定值，则OUT管脚38输出关断（如附图2所示），同时磁隔离芯片13的/FLT管脚35输出低电平。直到/RST管脚34置低一定时间后，磁隔离芯片13恢复正常工作。

与第一IGBT管（Q1）8的基极、第二IGBT管（Q2）5的基极、第三IGBT管（Q3）7的基极相连接的隔离模块和与第四IGBT管（Q4）10的基极31相连接的隔离模块的工作原理相同。

在第四IGBT管（Q4）10关断时，如果第四IGBT管（Q4）10的两端，即其集电极32与发射极33之间电压超过第七二极管（D7）28设定的保护值，则有电流流过第七二极管（D7）28、第八二极管（D8）29、第八电阻（R8）30给第四IGBT管（Q4）10的基极31和发射极33之间充电，第四IGBT管（Q4）10再次导通，能量的到释放，即第四IGBT管（Q4）10的集电极32与发射极33之间的电压下降，起到第四IGBT管（Q4）10两端的过压保护功能。

T型三电平工作原理如下：参见附图3所示，逆变器需要输出正电平时，第一IGBT管（Q1）8和第二IGBT管（Q2）5同时导通，第一电容（C1）2的上极提供正电平；输出零电平时，第二IGBT管（Q2）5和第三IGBT管（Q3）7同时导通，第一电容（C1）2和第二电容（C2）3的中点提供零电平；输出负电平时，第三IGBT管（Q3）7和第四IGBT管（Q4）10同时导通，第二电容（C2）3的下极提供负电平，第一IGBT管（Q1）8在关断时仅承受第一电容（C1）2的电压，第三IGBT管（Q3）7在关断时仅承受第二电容（C2）3的电压。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种T型三电平IGBT驱动电路，应用驱动光伏并网逆变器，其特征在于：所述的T型三电平IGBT驱动电路包括三电平拓扑模块，所述的三电平拓扑模块包括第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管、第四IGBT管，所述的第二IGBT管的集电极连接于相串联的第一电容和第二电容的共同端，所述的第一电容和所述的第二电容与电源相并联，所述的第二IGBT管的发射极与所述的第三IGBT管的发射极相连接，所述的第三IGBT管的集电极、所述的第一IGBT管的发射极、所述的第四IGBT管的集电极相T型连接，所述的T型连接的连接节点与逆变输出相连接；所述的第一IGBT管的发射极与集电极之间连接有第一二极管，所述的第二IGBT管的发射极与集电极之间连接有第二二极管，所述的第三IGBT管的发射极与集电极之间连接有第三二极管，所述的第四IGBT管的发射极与集电极之间连接有第二二极管；

2.根据权利要求1所述的T型三电平IGBT驱动电路，其特征在于：所述的第一二极管的两端并联有第九二极管，所述的第二二极管的两端并联有第十二极管，所述的第三二极管的两端并联有第十一二极管，所述的第四二极管的两端并联有第十二二极管。

3.根据权利要求1所述的T型三电平IGBT驱动电路，其特征在于：所述的过压保护模块包括第七二极管、第八二极管、第八电阻；所述的第七二极管的负极与所述的第一IGBT管的集电极或所述的第二IGBT管的集电极或所述的第三IGBT管的集电极或所述的第四IGBT管的集电极相连接，所述的第七二极管的正极与所述的第八二极管的正极相连接，所述的第八电阻的第一端与所述的第八二极管的负极相连接，所述的第八电阻的第二端与所述的第一IGBT管的基极或所述的第二IGBT管的基极或所述的第三IGBT管的基极或所述的第四IGBT管的基极相连接，所述的第七二极管为稳压二极管。

4.根据权利要求1所述的T型三电平IGBT驱动电路，其特征在于：所述的过流保护模块包括相串接的第七电阻、第五二极管、第六二极管，所述的第六二极管的正极与所述的第一IGBT管的集电极或所述的第二IGBT管的集电极或所述的第三IGBT管的集电极或所述的第四IGBT管的集电极相连接，所述的第五二极管的负极与所述的第六二极管的负极相连接，所述的第七电阻的第一端与所述的第五二极管的正极相连接，所述的第七电阻的第二端与所述的隔离模块相连接，所述的第七电阻的第二端与地之间连接有第三电容，所述的第六二极管为稳压二极管。

5.根据权利要求1所述的T型三电平IGBT驱动电路，其特征在于：所述的隔离模块还连接有增强驱动能力的推挽电路模块，所述的推挽电路模块包括第五三极管、第六三极管，所述的第五三极管的发射极与所述的第六三极管的发射极共接并与所述的第一IGBT管的基极或所述的第二IGBT管的基极或所述的第三IGBT管的基极或所述的第四IGBT管的基极相连接，所述的第五三极管的基极和所述的第六三极管的基极与所述的隔离模块的输出端相连接，所述的第五三极管的集电极与驱动侧电源相连接，所述的第六三极管的集电极接地。

6.根据权利要求1所述的T型三电平IGBT驱动电路，其特征在于：所述的电源为太阳能电池板。

7.根据权利要求1所述的T型三电平IGBT驱动电路，其特征在于：所述的所磁隔离芯片的外围电路包括为所述的磁隔离芯片提供电源的原边电源、连接于所述的原边电源和所述的磁隔离芯片之间的若干个上拉电阻、连接于所述的磁隔离芯片与所述的第一IGBT管的门极或所述的第二IGBT管的门极或所述的第三IGBT管的门极或所述的第四IGBT管的门极之间的第四电阻、与所述的磁隔离芯片的输出相连接的输出电阻。