CN103414164B - 一种多个igbt并联运行的保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多个IGBT并联运行的保护电路，包括：电压检测模块检测每个IGBT的门极G和发射极E之间的电压差VGE；电压判断模块将每个IGBT的电压差VGE与预定阈值电压进行比较，如果是，则电压差VGE大于预定阈值电压则对应的IGBT导通，反之IGBT没有导通，并将判断的IGBT的导通结果发送给逻辑模块；逻辑模块由IGBT的导通结果判断单相上桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断，和/或单相下桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断时，发送故障信号到控制器；控制器停止输出PWM驱动信号，PWM驱动信号驱动IGBT的开关状态。整个电路控制简单，器件少，降低了整个变流器的成本，提高了变流器的使用寿命。

Description

一种多个IGBT并联运行的保护电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种多个IGBT并联运行的保护电路。
背景技术
面对能源危机和环境污染的双重压力，世界各国竞相发展风力发电产业。风力发电作为一种不污染、利用可再生资源的环保型发电方式，通过风轮将风能转换为电能，受到人们的广泛关注，成为最着力发展的可再生能源技术之一。已成为世界各国竞相发展的热点和重点，市场前景广阔。
随着风力发电单机容量的增加，大容量的变流器也随之加大。导致用于变流器的开关器件IGBT的容量也不断增加，但是随着IGBT容量的增加IGBT的价格也成倍的增加；再加上风电市场竞争的严酷性，对于变流器降本也成为发展的必然条件之一。解决方法之一是用多个小容量的IGBT并联代替大容量的IGBT。
由于IGBT本身的负温度特性，多个IGBT并联基本不存在均流问题，最大问题在于确保同相的上下管并联的多个IGBT同时导通，避免流过单个IGBT的电流过大而烧坏IGBT。
因此，本领域技术人员需要提供一种避免流过单个IGBT的电流过大而烧坏IGBT的保护方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种多个IGBT并联运行的保护电路，能够避免流过单个IGBT的电流过大而烧坏IGBT。
本发明实施例提供一种多个IGBT并联运行的保护电路，包括：电压检测模块、电压判断模块、逻辑模块和控制器；
所述电压检测模块，用于检测每个IGBT的门极G和发射极E之间的电压差VGE；
所述电压判断模块，用于将每个IGBT的所述电压差VGE与预定阈值电压进行比较，如果是，则电压差VGE大于预定阈值电压则对应的IGBT导通，反之IGBT没有导通，并将判断的IGBT的导通结果发送给逻辑模块；
所述逻辑模块，用于由IGBT的导通结果判断单相上桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断，和/或单相下桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断时，发送故障信号到控制器；
所述控制器，用于停止输出PWM驱动信号，所述PWM驱动信号用于驱动IGBT的开关状态。
优选地，所述电压检测模块包括：检测电阻；每个IGBT对应一个检测电阻；
所述检测电阻的一端连接所述IGBT的门极G，所述检测电阻的另一端连接所述IGBT的发射极E，所述IGBT的发射极R接地；
所述检测电阻上的电压作为所述IGBT的门极G和发射极E之间的电压差VGE。
优选地，所述电压判断模块包括：比较器；
每个IGBT对应一个比较器；
所述比较器的一个输入端连接所述电压差VGE；
所述比较器的另一个输入端连接所述预定阈值电压；
所述比较器的输出端连接所述逻辑模块的输入端。
优选地，
单相上桥臂的多个并联的IGBT共用第一集成比较器芯片；
单相下桥臂的多个并联的IGBT共用第二集成比较器芯片；
每个比较器的正相输入端连接所述预定阈值电压，每个比较器的反相输入端连接对应IGBT的VGE；
所述第一集成比较器芯片的所有输出端均连接第一或门的输入端；
所述第二集成比较器芯片的所有输出端均连接第二或门的输入端；
所述第一或门和第二或门的输出端分别连接异或门的两个输入端；
所述异或门的输出端连接所述控制器的输入端。
优选地，还包括第一光耦和第二光耦；
所述第一或门的输出端连接第一光耦的输入端；
所述第二或门的输出端连接第二光耦的输入端；
所述第一光耦的输出端和第二光耦的输出端分别连接所述异或门的两个输入端。
优选地，还包括分压模块；
所述分压模块包括第二电阻和第三电阻；
所述第二电阻和第三电阻串联后连接在地和电源之间；
所述第二电阻上的电压作为所述预定阈值电压连接比较器的输入端。
优选地，每个所述比较器的输出端通过上拉电阻连接电源。
优选地，每个所述IGBT的门极通过电阻接地。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例提供的多个IGBT并联运行的保护电路，通过检测并联的IGBT的门极G和发射极E之间的电压，来判断多个并联的IGBT是否同时导通或关断，从而避免IGBT的误开通，以及防止IGBT过热而爆炸，并且整个电路控制简单，并且器件少。降低了整个变流器的成本，同时提高了变流器的使用寿命。
附图说明
图1是本发明提供的单相上下桥臂三个IGBT并联示意图；
图2是本发明提供的多个IGBT并联运行的保护电路实施例一示意图；
图3是本发明提供的多个IGBT并联运行的保护电路实施例二电路图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够更清楚地理解和实施本发明提供的技术方案，下面以一个桥臂上的开关管由三个IGBT并联为例来介绍，可以理解的是，具体并联的IGBT的数目可以根据实际应用情况来定，本发明实施例中不具体限定并联的IGBT的数目。
参见图1，该图为本发明提供的单相上下桥臂三个IGBT并联示意图。
如图所示，上桥臂的三个IGBT分别是IGBT1、IGBT2和IGBT3并联；下桥臂的三个IGBT分别是IGBT4、IGBT5和IGBT6并联。
由于上桥臂的IGBT1、IGBT2和IGBT3需要同时动作，其整体作用相当于一个开关器件；下桥臂的IGBT4、IGBT5和IGBT6同理也需要同时动作，其整体作用相当于一个开关器件。
但是，上桥臂的IGBT和下桥臂的IGBT不会同时导通，因为这样将会导致电源被短路，即上下桥臂的IGBT是交替导通的。为了避免上下桥臂的IGBT交替时出现重复导通的情况发生，在控制IGBT的状态时，需要设置一定的死区时间，即上下桥臂的IGBT均关断的时间。
因此，对于单相上桥臂并联的IGBT来说，只要当上桥臂的三个并联的IGBT均导通，下桥臂的三个并联的IGBT均关断；或者，上桥臂的三个并联的IGBT均关断，下桥臂的三个并联的IGBT均导通。这两种情况时，变流器才属于正常工作。当然，除了死区时间段内上下桥臂IGBT均关断的情况。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图2，该图为本发明提供的多个IGBT并联运行的保护电路实施例一示意图。
本发明实施例提供的多个IGBT并联运行的保护电路，包括：电压检测模块100、电压判断模块200、逻辑模块300和控制器400；
所述电压检测模块100，用于检测每个IGBT的门极G和发射极E之间的电压差VGE；
所述电压判断模块200，用于将每个IGBT的所述电压差VGE与预定阈值电压进行比较，如果是，则电压差VGE大于预定阈值电压则对应的IGBT导通，反之IGBT没有导通，并将判断的IGBT的导通结果发送给逻辑模块300；
所述逻辑模块300，用于由IGBT的导通结果判断单相上桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断，和/或单相下桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断时，发送故障信号到控制器400；
需要说明的是，逻辑模块300发送故障信号到控制器400包括三种情况分别为：
第一：单相上桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断，下桥臂并联的IGBT可以同时导通或关断；
第二：单相下桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断，下桥臂并联的IGBT可以同时导通或关断；
第三：单相上桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断，单相下桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断。
本发明结合图1已经详细分析了故障的情况，在此不再具体详细说明。
所述控制器400，用于停止输出PWM驱动信号，所述PWM驱动信号用于驱动IGBT的开关状态。
本发明实施例提供的多个IGBT并联运行的保护电路，通过检测并联的IGBT的门极G和发射极E之间的电压，来判断多个并联的IGBT是否同时导通或关断，从而避免IGBT的误开通，以及防止IGBT过热而爆炸，并且整个电路控制简单，并且器件少。降低了整个变流器的成本，同时提高了变流器的使用寿命。
下面结合具体电路图，详细介绍本发明提供的多个IGBT并联运行的保护电路的具体实现方式。
参见图3，该图为本发明提供的多个IGBT并联运行的保护电路实施例二电路图。
本实施例提供的多个IGBT并联运行的保护电路仍然以单相上桥臂有三个IGBT并联，单相下桥臂有三个IGBT并联；以单相为例进行介绍，三相时以此类推即可，在此不再赘述。
所述电压判断模块包括：比较器；
每个IGBT对应一个比较器；
所述比较器的一个输入端连接所述电压差VGE；
所述比较器的另一个输入端连接所述预定阈值电压；
所述比较器的输出端连接所述逻辑模块的输入端。
本实施例中，以集成芯片来实现比较器；
单相上桥臂的多个并联的IGBT共用第一集成比较器芯片；
单相下桥臂的多个并联的IGBT共用第二集成比较器芯片；
所述第一集成比较器芯片的所有输出端均连接第一或门的输入端；
所述第二集成比较器芯片的所有输出端均连接第二或门的输入端；
所述第一或门和第二或门的输出端分别连接异或门的两个输入端；
所述异或门的输出端连接所述控制器的输入端。
如图3所示，包括两个集成比较器芯片LM2901D，每个LM2901D可以实现三个比较器的功能；上边的LM2901D实现上桥臂对应的三个比较器，下边的LM2901D实现下桥臂对应的三个比较器。
IGBT1的门极G1和发射极E1之间的电压VGE1经过采样电阻R22采样，VGE1连接LM2901D的一个比较器的反相输入端（管脚7）；
比较器的正相输入端连接的是预定阈值电压（管脚6），需要说明的是，本实施例中的预定阈值电压优选是6V，因为一般的IGBT导通时的门极G和发射极E的电压会大于6V。因此，以6V作为预定阈值电压，来判断IGBT是否正常导通。
所述电压检测模块包括：检测电阻；每个IGBT对应一个检测电阻；
所述检测电阻的一端连接所述IGBT的门极G，所述检测电阻的另一端连接所述IGBT的发射极E，所述IGBT的发射极R接地；
所述检测电阻上的电压作为所述IGBT的门极G和发射极E之间的电压差VGE。
如图，IGBT1对应的检测电阻为R22。其他IGBT对应的检测电阻在此不再赘述。
本实施例中，以分压模块来获得预定阈值电压，如图3所示，分压模块包括第二电阻R2、第三电阻R3；
第二电阻R2的第一端接地，R2的第二端连接管脚6，R2的第二端通过R3连接+15V；因此，R2上的电压即为预定阈值电压6V；
同理，该预定阈值电压同时输入到管脚4和管脚8。
同理，IGBT2和IGBT3的门极和发射极电压VGE2和VGE3分别接入管脚5和管脚9。
管脚1、2和14分别是三个比较器的输出端，例如，当VGE1大于6V时，管脚1输出低电平；当VGE1小于6V时，管脚1输出高电平。管脚2和14类似，不再赘述。
三个比较器的输出端（LM2901D的管脚1、2和14）分别连接或门74HC4075的三个输入端（74HC4075的管脚3、4和5）；
或门74HC4075的输出端连接光耦HCPL-2611的输入端，经过光耦HCPL-2611隔离以后，光耦HCPL-2611的输出端连接异或门74LVC2G86的第一输入端（管脚1）；同理下边的另一个光耦HCPL-2611的输出端连接异或门74LVC2G86的第二输入端（管脚2）；异或门74LVC2G86的输出端连接控制器的输入端。
每个所述比较器的输出端通过上拉电阻连接电源。例如IGBT1对应的比较器的输出端管脚1通过第十一电阻R11连接电源+15V。
每个所述IGBT的门极通过电阻接地。例如，IGBT1的门极通过第一电阻R1接地。
下面结合图3说明该电路的具体工作原理。
上、下桥臂三个比较器的输出信号分别送至一个多输入的或门74HC4075，如果上、下桥臂三个并联IGBT同时导通，送至或门74HC4075的信号均为低电平，这时或门74HC4075的输出信号为低电平。如果上、下桥臂三个并联的IGBT中任何一个IGBT关断，送至或门的信号至少有一个高电平，这时或门74HC4075的输出信号为高电平。
上、下桥臂的或门74HC4075的输出信号再经过光耦隔离芯片送入一个两输入的异或门74LVC2G86处理。
如果上、下桥臂的或门74HC4075的输出电平一定时间段内（一般为最大允许的死区时间，即在变流器正常工作时，为了防止上、下桥臂IGBT同时导通，而设置的时间）不同，也就是异或门74LVC2G86输出为高电平，则认为上、下桥臂并联的IGBT同时导通或关断，如果异或门74LVC2G86输出低电平的时间大于最大允许死区时间段，则认为上、下桥臂并联的IGBT不能同时导通或关断，控制单元报相应的故障，并封锁驱动IGBT的脉冲并停止变流器的工作。
如果上、下桥臂的三个并联IGBT的门极G和发射极E之间的电压VGE1、VGE2、VGE3均大于6V，VGE4、VGE5、VGE6均小于6V，或者VGE1、VGE2、VGE3均小于6V，VGE4、VGE5、VGE6均大于6V，则经上、下桥臂的或门芯片74HC4075输出的信号一个为高电平，另一个为低电平，经过异或门74LVC2G86后输出一直为高电平，则认为上下管并联的IGBT同时导通或关断，变流器正常运行。
如果上、下桥臂的三个并联IGBT的门极G和发射极E之间的电压VGE1、VGE2、VGE3只要有一个不大于6V，VGE4、VGE5、VGE6均小于6V，或者VGE1、VGE2、VGE3均小于6V，VGE4、VGE5、VGE6只要有一个不大于6V，则上、下桥臂六个输出信号经过或门芯片74HC4075后，导致送入异或门的均为低电平，经过异或门74LVC2G86后输出一直为低电平，如果该电平的持续时间大于最大允许的死区时间（上、下桥臂三个并联IGBT都关断时间，即死区时间），控制单元应报相应的故障，封锁驱动IGBT的脉冲并停止变流器的工作。
综上所述，本发明实施例提供的电路可以有效地保护并联IGBT的误开通以及防止单个IGBT过热而爆炸，降低成本的同时也有效提高了变流器的使用寿命。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种多个IGBT并联运行的保护电路，其特征在于，包括：电压检测模块、电压判断模块、逻辑模块和控制器；
所述电压检测模块，用于检测每个IGBT的门极G和发射极E之间的电压差VGE；
所述电压判断模块，用于将每个IGBT的所述电压差VGE与预定阈值电压进行比较，所述电压差VGE大于预定阈值电压则对应的IGBT导通，反之IGBT没有导通，并将判断的IGBT的导通结果发送给逻辑模块；
所述逻辑模块，用于由IGBT的导通结果来判断单相上桥臂并联的IGBT和/或单相下桥臂并联的IGBT是否同时导通或关断，并在单相上桥臂并联的IGBT和/或单相下桥臂并联的IGBT没有同时导通或关断时，发送故障信号到控制器；
所述控制器，用于停止输出PWM驱动信号，所述PWM驱动信号用于驱动IGBT的开关状态。
2.根据权利要求1所述的多个IGBT并联运行的保护电路，其特征在于，所述电压检测模块包括：检测电阻；每个IGBT对应一个检测电阻；
所述检测电阻的一端连接所述IGBT的门极G，所述检测电阻的另一端连接所述IGBT的发射极E，所述IGBT的发射极E接地；
所述检测电阻上的电压作为所述IGBT的门极G和发射极E之间的电压差VGE。
3.根据权利要求1或2所述的多个IGBT并联运行的保护电路，其特征在于，所述电压判断模块包括：比较器；
每个IGBT对应一个比较器；
所述比较器的一个输入端连接所述电压差VGE；
所述比较器的另一个输入端连接所述预定阈值电压；
所述比较器的输出端连接所述逻辑模块的输入端。
4.根据权利要求3所述的多个IGBT并联运行的保护电路，其特征在于，
单相上桥臂的多个并联的IGBT共用第一集成比较器芯片；
单相下桥臂的多个并联的IGBT共用第二集成比较器芯片；
每个比较器的正相输入端连接所述预定阈值电压，每个比较器的反相输入端连接对应IGBT的电压差VGE；
所述第一集成比较器芯片的所有输出端均连接第一或门的输入端；
所述第二集成比较器芯片的所有输出端均连接第二或门的输入端；
所述第一或门和第二或门的输出端分别连接异或门的两个输入端；
所述异或门的输出端连接所述控制器的输入端。
5.根据权利要求4所述的多个IGBT并联运行的保护电路，其特征在于，还包括第一光耦和第二光耦；
所述第一或门的输出端连接第一光耦的输入端；
所述第二或门的输出端连接第二光耦的输入端；
所述第一光耦的输出端和第二光耦的输出端分别连接所述异或门的两个输入端。
6.根据权利要求3所述的多个IGBT并联运行的保护电路，其特征在于，还包括分压模块；
所述分压模块包括第二电阻和第三电阻；
所述第二电阻和第三电阻串联后连接在地和电源之间；
所述第二电阻上的电压作为所述预定阈值电压连接比较器的输入端。
7.根据权利要求3所述的多个IGBT并联运行的保护电路，其特征在于，每个所述比较器的输出端通过上拉电阻连接电源。
8.根据权利要求2所述的多个IGBT并联运行的保护电路，其特征在于，每个所述IGBT的门极G通过接地电阻接地。
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