CN103326324A - 一种应用于大功率逆变器中的igbt模块并联保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种IGBT模块的保护电路,包括IGBT模块软关断保护模块和IGBT模块Vce饱和压降检测电路、反馈光耦构成的反馈模块。以及与该保护电路相连接的驱动电路,包括IGBT模块PWM控制信号、光耦构成的驱动隔离模块、三极管推挽构成的驱动放大模块、DC/DC电源模块。用于连接IGBT模块的第一、第二驱动分配电路,以及连接驱动模块、保护电路与分配电路的第一、第二驱动线缆。本发明保护电路的特征是对并联的IGBT模块分别进行Vce饱和压降的检测,并实现IGBT模块的软关断保护和故障报警。该保护电路能够有效检测两个或以上并联的IGBT模块中任意一个IGBT模块的直通短路故障,并通过软关断电路实现IGBT模块的安全关断,提高IGBT模块的运行可靠性。

Description

一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路
技术领域
本发明涉及到一种IGBT模块并联的保护电路,尤其是应用于大功率逆变器。
背景技术
现在市场上的大功率逆变器通常采用IGBT模块并联的方式实现扩容,这种并联技术只需要一个驱动器,每个IGBT模块上都有一个驱动分配板,不同IGBT模块与驱动器之间只需要通过线缆连接,这种并联方式具有实现简单、成本低廉的特点,广泛应用于风能变流器、光伏逆变器和变频器等电力电子设备中。
当有两个或两个以上并联的IGBT模块,如说明书附图2所示IGBT模块V11、V12串接,IGBT模块V21、V22串接,IGBT模块V11与IGBT模块V21并联,IGBT模块V12与IGBT模块V22并联。实际应用中会出现电磁干扰、驱动线缆连接不良、器件失效等都可能导致发生桥臂直通短路,即:IGBT模块V11和V12直通或IGBT模块V21和V22直通。假设并联的其中任意二个IGBT模块(例如V11与V12)发生直通短路,而另外的IGBT模块(V21与V22)正常工作,IGBT模块V11之间的C和E端之间的的饱和压降Vce被V21钳位,即使IGBT模块V11与IGBT模块V12已经发生直通故障,通常的驱动电路也检测不出直通故障。
现有的并联IGBT模块驱动方案中,包括瑞士CONCEPT设计的2SD300C17驱动器、德国英飞凌设计的2ED300C17等。其设计的驱动方案如说明书附图3所示,IGBT模块V11和V21的 Vce饱和压降检测的线缆(图3中检测线缆是:VCE_SAT)是连接在一起的,这导致驱动器不能有效识别短路故障并进行相关保护,短路过程中IGBT模块电流急剧增加,达到一定数值后(一般4倍额定电流)就会出现退饱和现象。如果保护不及时(一般10us以内)就会导致IGBT模块过热损坏,因此正确识别直通故障十分必要。
当IGBT模块过流出现退饱和现象时,如果迅速关断IGBT模块(电流下降速度过快),就会出现IGBT模块关断时集电极与发射极之间的电压尖峰(简称CE间电压尖峰)超过额定电压,导致IGBT模块的CE电压与电流的工作点超过其安全工作区(RBSOA)而损坏。现有的在驱动分配上的一种解决CE间电压尖峰的方案是有源钳位电路,如说明书附图4所示,即在IGBT关断过程中CE间电压超过设定值后(例如1400V)、通过稳压管Z13和二极管D11(或稳压管Z23和二极管D21)构成的反馈电路使IGBT模块门极电压升高到其门槛电压以上,在使IGBT模块处于短暂导通,从而可以抑制CE间的过电压尖峰,这种方案虽然在短路故障情况下能有效降低IGBT模块的过压风险,但缺点是电路复杂,且如果直流母线工作电压较高时出现有源钳位电路频繁工作,最终导致TVS管过热失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够正确识别并联IGBT模块的直通短路故障,将故障信号反馈给控制器,并通过软关断电路和驱动电路有效地实现IGBT模块的安全关断,提高IGBT模块的可靠性。
本发明的技术方案:一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,包括:所述的并联保护电路包括用于实现IGBT模块安全关断的软关断模块,所述的软关断模块分别与多个饱和压降检测模块连接,所述的多个饱和压降检测模块分别与反馈光耦模块连接。
所述的并联保护电路包括用于实现IGBT模块安全关断的软关断模块,所述软关断模块分别与用于检测IGBT模块短路故障的第一Vce饱和压降检测模块和用于检测IGBT模块短路故障的第二Vce饱和压降检测模块连接,所述第一Vce饱和压降检测电路和第二Vce饱和压降检测模块还分别与反馈光耦模块连接,以实现逆变器故障停机和相关保护。
本发明的优点:当并联的其中一个IGBT模块因电磁干扰、驱动线缆断线、器件失效等发生直通短路时,IGBT模块电流急剧增加,超过一定数值后就会出现退饱和现象,即Vce饱和压降迅速升高,Vce饱和压降超过设定值后立刻触发第一或第二Vce饱和压降检测电路,通过反馈光耦模块将故障信号反馈给控制器,同时关闭PWM控制信号模块,通过驱动光耦模块关闭推挽放大模块,与放大模块连接的软关断模块实现IGBT模块的安全关断。
附图说明
图1是本发明的IGBT模块并联保护电路的原理图;
图2是IGBT模块发生直通短路的原理图;
图3是现有IGBT模块并联的故障检测电路图;
图4是现有IGBT模块并联的一种有源钳位电路图;
图5是本明的GBT模块并联的保护电路的实施例图。
具体实施方式
一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,所述的并联保护电路包括用于实现IGBT模块安全关断的软关断模块5,所述的软关断模块5分别与多个饱和压降检测模块连接,所述的多个饱和压降检测模块分别与反馈光耦模块7连接。
如图1所示,所述的并联保护电路包括用于实现IGBT模块安全关断的软关断模块5,所述软关断模块5分别与用于检测IGBT模块短路故障的第一Vce饱和压降检测模块6和用于检测IGBT模块短路故障的第二Vce饱和压降检测模块6'连接,所述第一Vce饱和压降检测电路6和第二Vce饱和压降检测模块6'还分别与反馈光耦模块7连接,所述反馈光耦模块7用于反馈故障信号给控制器,以实现逆变器故障停机和相关保护。
所述IGBT模块并联保护电路还与驱动电路相连接,共同实现IGBT模块的安全关断,所述驱动电路包括: PWM输入控制信号模块1,用于信号隔离的驱动光耦模块2,用于驱动信号放大的推挽放大模块3以及用于输出隔离电源的DC/DC模块4;所述的输入控制信号模块1分别与反馈光耦模块7和驱动光耦电路2连接,所述驱动光耦模块2的另一端与推挽放大模块3连接,所述推挽放大模块3另一端还与软关断模块5;推挽放大模块3的另一端还分别通过第一驱动线缆8和第二驱动线缆8'与第一驱动分配模块9和第二驱动分配模块9';所述第一驱动分配模块9和第二驱动分配模块9'分别与第一IGBT模块10和第二IGBT模块10'相连,所述第一驱动线缆8和第二驱动线缆8'还分别与第一Vce饱和压降检测模块6和第二Vce饱和压降检测模块6'连接。
所述PWM控制信号模块1包括电阻R7和电容C4组成的滤波电路,电阻R7的一端连接与PWM控制信号模块1,其另一端连接与光耦隔离模块2的二极管阳极和反馈模块7的三极管集电极, PWM控制信号模块1经过驱动光耦模块2控制IGBT模块,但出现故障时拉低驱动光耦模块2的输入,从而关闭IGBT模块。
所述光耦隔离模块2的输出端与三极管推挽构成的驱动放大模块3相连接,所述驱动放大模块3包括电阻R10、NPN三极管Q1和PNP三极管Q2,以及分别与之并联的二极管D2和D3,其中NPN三极管(Q1)和PNP三极管(Q2)的基极连接至电阻(R10)的同一端,NPN三极管(Q1)和PNP三极管Q2的发射极连接在一起作为输出端,NPN三极管Q1的集电极接正电源VCC,PNP三极管Q2的集电极接负电源VEE,其中NPN三极管Q1和PNP三极管Q2推挽三极管的作用是提高驱动电流能力。
所述DC/DC电源模块4由变压器T1,第一、第二整流二极管D4和D5,第一、第二滤波电容C1和C2构成,所述的变压器T1分别与第一整流二极管D4、第二整流二极管D5相连,第一整流二极管D4、第二整流二极管D5的另一端分别与第一滤波电容C1和第二滤波电容C2相连;所述的DC/DC电源模块的作用是输出正电源VCC(+15V)和负电源VEE(-10V)。
所述IGBT模块软关断保护模块5包括有MOS管V2以及与其并联的电阻R9(一般是10倍与驱动电阻R11,起到降低IGBT关断速度的作用),第三滤波电容C3、电阻R2、三极管Q3组成的信号取反电路,电阻R4、电阻R6、电阻R8构成的电压转换电路;所述的MOS管控制信号来源于第一Vce饱和压降检测模块6的输出信号;所述的MOS管V2开通,则电阻(R9)被旁路,所述的MOS管V2关断,电阻R9串联至驱动放大模块3的三极管Q2与负电源VEE间,起到增大关断电阻的作用。
所述第一Vce饱和压降检测模块6包括电阻R13、R14和稳压管Z11,所述的第二Vce饱和压降检测模块6'包括电阻R23、电阻R24和稳压管Z21;所述的电阻R13、电阻R23的一端连接至驱动线缆8的驱动信号DRV,另一端连接至线缆驱动线缆8的反馈信号VCE_SAT;电阻R14、电阻R24的一端连接至驱动线缆8的反馈信号VCE_SAT,另一端连接至稳压管Z11、稳压管Z21的阴极,稳压管Z11、稳压管Z21的阳极连接至软关断模块5和反馈光耦模块7。
所述第一、第二驱动分配模块9和9'直接安装在第一、第二IGBT模块10和10'上,IGBT模块驱动电路、保护电路与第一、第二驱动分配模块9和9'的连接方式通常是采用第一驱动线缆8和第二驱动8'相连接。例如驱动线缆8和驱动线缆8'采用相同的三个线缆(驱动线缆DRV、线缆AGND和反馈线缆VCE_SAT),采用线缆连接的方式虽然灵活方便、维护简单,但是也存在线缆容易受电磁干扰、线缆插接不良等问题,因此线缆尽可能短。
本发明的具体实施例
通常驱动线缆的驱动信号DRV高电平是+15V,低电平是-10V,当驱动信号DRV为高电平时时,系统无故障,第一IGBT模块的Vce饱和压降约为0.3V左右,再加上第一驱动分配模块二极管D11的导通压降0.7V,小于第一Vce饱和压降检测模块6的稳压二极管Z11的压降(如10V),则稳压二极管Z11截止,软关断模块5和反馈光耦模块7不工作。同样第二IGBT模块的Vce饱和压降约为0.3V左右,再加上第二驱动分配模块二极管D21的导通压降0.7V,小于第二Vce饱和压降检测模块的稳压二极管Z21的压降(如10V),则稳压二极管Z21截止,软关断模块5和反馈光耦模块7不工作
当驱动信号DRV为高时,其中一个IGBT模块出现直通短路,则IGBT模块电流急剧上升,超过一定数值后就会出现退饱和现象,退饱和过程中IGBT模块的饱和压降会迅速上升至母线电压,则二极管D11(D21)立刻截止,VCE_SAT信号的电压等于DRV信号的电压(DRV高电平是+15V),其值大于稳压二极管Z11(Z21)的压降(例如10V),则稳压二极管Z11(Z21)导通,对软关断模块5的输入电容C3充电,但电容C3上电压大于三极管基极电压(0.7V)时则开通三极管Q3,集电极电压下降至0.3V左右,小于MOS管门槛电源2V左右,因此MOS关断,电阻R9串联至IGBT模块关断电阻中。同时电容C3上电压大于反馈光耦模块7的U2输入二极管压降0.7V时,光耦U2开通,将故障信号FAULT拉低(即关闭PWM信号,同时关闭驱动光耦和放大电路),三极管Q2导通,则驱动回路关闭电阻增大(电阻R9串联至IGBT模块关断电阻中),起到对IGBT模块进行软关断的效果。
凡是本发明的简单变形或等效变换,应认为落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,其特征在于:所述的并联保护电路包括用于实现IGBT模块安全关断的软关断模块(5),所述的软关断模块(5)分别与多个饱和压降检测模块连接,所述的多个饱和压降检测模块分别与反馈光耦模块(7)连接。
2.根据权利要求1所述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,其特征在于:所述软关断模块(5)分别与用于检测IGBT模块短路故障的第一Vce饱和压降检测模块(6)和用于检测IGBT模块短路故障的第二Vce饱和压降检测模块(6')连接,所述第一Vce饱和压降检测电路(6)和第二Vce饱和压降检测模块(6')还分别与反馈光耦模块(7)连接,以实现逆变器故障停机和相关保护。
3.根据权利要求2述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,其特征在于:所述IGBT模块并联保护电路还与驱动电路相连接,共同实现IGBT模块的安全关断,所述驱动电路包括: PWM输入控制信号模块(1),用于信号隔离的驱动光耦模块(2),用于驱动信号放大的推挽放大模块(3)以及用于输出隔离电源的DC/DC模块(4);所述的输入控制信号模块(1)分别与反馈光耦模块(7)和驱动光耦电路(2)连接,所述驱动光耦模块(2)的另一端与推挽放大模块(3)连接,所述推挽放大模块(3)另一端还与软关断模块(5);推挽放大模块(3)的另一端还分别通过第一驱动线缆(8)和第二驱动线缆(8')与第一驱动分配模块(9)和第二驱动分配模块(9');所述第一驱动分配模块(9)和第二驱动分配模块(9')分别与第一IGBT模块(10)和第二IGBT模块(10')相连,所述第一驱动线缆(8)和第二驱动线缆(8')还分别与第一Vce饱和压降检测模块(6)和第二Vce饱和压降检测模块(6')连接。
4.根据权利要求3述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,其特征在于:所述PWM控制信号模块(1)包括电阻(R7)和电容(C4)组成的滤波电路,电阻(R7)的一端连接与PWM控制信号模块(1),其另一端连接与光耦隔离模块(2)的二极管阳极和反馈模块(7)的三极管集电极, PWM控制信号模块(1)经过驱动光耦模块(2)控制IGBT模块,但出现故障时拉低驱动光耦模块(2)的输入,从而关闭IGBT模块。
5.根据权利要求4述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,其特征在于:所述光耦隔离模块(2)的输出端与三极管推挽构成的驱动放大模块(3)相连接,所述驱动放大模块(3)包括电阻(R10)、NPN三极管(Q1)和PNP三极管(Q2),以及分别与之并联的二极管(D2)和(D3),其中NPN三极管(Q1)和PNP三极管(Q2)的基极连接至电阻(R10)的同一端,NPN三极管(Q1)和PNP三极管(Q2)的发射极连接在一起作为输出端,NPN三极管(Q1)的集电极接正电源(VCC),PNP三极管(Q2)的集电极接负电源(VEE),其中NPN三极管(Q1)和PNP三极管(Q2)推挽三极管的作用是提高驱动电流能力。
6.根据权利要求5述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,其特征在于:所述DC/DC电源模块(4)由变压器(T1),第一、第二整流二极管(D4)和(D5),第一、第二滤波电容(C1)和(C2)构成,所述的变压器(T1)分别与第一整流二极管(D4)、第二整流二极管(D5)相连,第一整流二极管(D4)、第二整流二极管(D5)的另一端分别与第一滤波电容(C1)和第二滤波电容(C2)相连;所述的DC/DC电源模块的作用是输出正电源(VCC)和负电源(VEE)。
7.根据权利要求2所述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,其特征在于:所述第一、第二IGBT模块软关断保护模块(5)包括有MOS管(V2)以及与其并联的电阻(R9),第三滤波电容(C3)、电阻(R2)、三极管(Q3)组成的信号取反电路,电阻(R4)、电阻(R6)、电阻(R8)构成的电压转换电路;所述的MOS管控制信号来源于第一Vce饱和压降检测模块(6)的输出信号;所述的MOS管(V2)开通,则电阻(R9)被旁路,所述的MOS管(V2)关断,电阻(R9)串联至驱动放大模块(3)的三极管(Q2)与负电源(VEE)间,起到增大关断电阻的作用。
8.根据权利要求2所述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,其特征在于:所述第一Vce饱和压降检测模块(6)包括电阻(R13)、(R14)和稳压管(Z11),所述的第二Vce饱和压降检测模块(6')包括电阻(R23)、(R24)和稳压管(Z21);所述的电阻(R13)、(R23)的一端连接至驱动线缆(8)的驱动信号(DRV),另一端连接至线缆驱动线缆(8)的反馈信号(VCE_SAT);电阻(R14)、(R24)的一端连接至驱动线缆(8)的反馈信号(VCE_SAT),另一端连接至稳压管(Z11)、(Z21)的阴极,稳压管(Z11)、(Z21)的阳极连接至软关断模块(5)和反馈光耦模块(7)。
9.根据权利要求8述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路,其特征在于:所述第一、第二驱动分配模块(9)和(9')直接安装在第一、第二IGBT模块(10)和(10')上,IGBT模块驱动电路、保护电路与第一、第二驱动分配电路(9)和(9')的连接方式通常是采用第一驱动线缆(8)和第二驱动(8')相连接。
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