CN104410394A - 一种微网系统中基于igbt的固态快速开关的驱动保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动保护电路，包含两条针对不同故障的检测支路；使用三极管与稳压管构成实现IGBT降栅压过程的电路结构；使用二极管构成实现软关断过程中输入信号锁定功能的电路结构。本发明对于微网系统中发生的过负载故障与短路故障均能产生相应的驱动控制电压，从而可靠地关断IGBT。

Description

一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动保护电路

技术领域

本发明涉及功率开关管IGBT的驱动控制电路，尤其涉及一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动保护电路。

背景技术

由于煤炭、石油等不可再生能源日渐枯竭以及以风能、光伏发电为代表的新能源发电成本的降低，就催生了一种能够适应新能源发电的新型电网构架FREEDM(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management)。新型电网系统FREEDM是一个基于电力电子设备的环状微型电网，进入孤岛运行模式时，系统时间常数小，稳定控制难度大，对控制开关提出了更高的精度要求，传统的机械式开关难以胜任，另外，由于SST(Solid-State Transformer，固态变压器)的内部元件是电力电子器件，其热容量较低，FREEDM若发生故障，必须快速并可靠切断故障电流。因此研制新型固态快速开关成为了研究的必然趋势。

绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipo1ar Transistor)是由MOSFET与GTR的复合的器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点，是取代GTR的理想开关器件。因此目前大多数的固态断路器的主电路拓扑中都是基于IGBT建立的。但是目前相当多的技术都是针对于固态快速开关主电路拓扑的研究，而对于IGBT模块本身的控制始终没有详细的分析与研究，因此，未来对于该新型微网系统进一步的研究内容将会着重于固态快速开关的驱动控制部分。

IGBT的驱动控制电路是电力电子电路和控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，其性能的好坏对整个系统的工作性能有很大的影响。采用性能良好的控制驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对设备的运行效率、可靠性、安全性都有重要的意义。

用在功率变换场合的IGBT驱动控制电路虽然具有基本的驱动与短路保护能力，但是在应用于微网系统的快速开关系统中时，需要充分考虑IGBT所特有的开断特性才能保证快速开关正常可靠地工作，传统的IGBT驱动保护电路无法满足这样的要求。

通过对市场上现有的IGBT驱动芯片进行的实际测试，可以得到其故障状态时产生的驱动波形图，如图1、2、3所示。从图2、3中可以看出，对于不同的IGBT集电极电流(即不同的故障状态下)，其产生的驱动波形没有明显地区分，并且无法体现出其短路电流限制的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动保护电路，针对IGBT特有的关断特性，应用双故障检测支路来对应不同的故障状态下IGBT的关断要求，使该控制驱动电路更可靠地关断IGBT，从而使其更好地应用于微网系统的固态快速开关中。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：    

一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动控制电路，包含过负载故障检测与保护电路、降栅压结构电路和参考电压源；

所述过负载故障检测与保护电路包含比较器A，二极管D2、D3、电阻R0、R1、R4、R5、R9、R14、稳压管VZ1、VZ2、电容C3、可变电容C4以及三极管T3、T4；

其中，所述比较器A的反相输入端与电阻R0的一端相连，正向输入端与所述参考电压源的正极相连，输出端分别和二极管D3的阴极、电阻R14的一端相连；

所述二极管D2的阳极分别与电阻R0的另一端、电阻R14的另一端相连，阴极与IGBT的集电极相连；

所述二极管D3的阳极分别和稳压管VZ1的阴极、电阻R5的一端相连；

所述稳压管VZ1阳极与所述三极管T4的基极相连；

所述稳压管VZ2的阳极与所述三极管T3的基极相连，阴极分别与电阻R4的一端、电阻R5的另一端、电容C3的一端相连；

所述电容C3的另一端接地；

所述三极管T3的集电极经电阻R9连接至可变电容C4的一端，发射极与可变电容C4的另一端接地；

所述三极管T4发射极经电阻R1接地，集电极分别和电阻R4的另一端、供电电压源的正极相连；

所述降栅压结构电路包含三极管T ₅和稳压管VZ ₄；

所述三极管T5的基极与所述三极管T4的发射极相连，集电极与稳压管VZ4的阳极相连，发射极接地；

所述稳压管VZ4的阴极通过二极管连接至所述驱动控制电路的图腾柱式电路的输入端。

作为本发明一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动控制电路进一步的优化方案，所述驱动控制电路还包含短路故障检测与保护电路；

所述短路故障检测与保护电路包含二极管D2、D8、电阻R3、R6、R7、R10和R11、稳压管VZ3、电容C2、可变电容C4和三极管T1、T6；

所述二极管D2的阳极与所述电阻R7的一端相连，阴极与IGBT的集电极相连；

所述稳压管VZ3的阴极分别与电阻R7的另一端、电阻R6的一端相连，阳极与三极管T6的基极相连；

所述三极管T1的集电极分别和电阻R6的另一端、电容C2的一端、电阻R3的一端相连，发射极与二极管D8的阳极相连，基极连接至所述驱动控制电路的光耦输出的正极；

所述电阻R3的另一端与供电电压源的正极相连；

所述二极管D8的阴极与电容C2的另一端接地；

所述三极管T6的集电极经电阻R10连接至可变电容C4与电阻R9相连的一端，发射极经电阻R11接地。

作为本发明一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动控制电路进一步的优化方案，所述驱动控制电路还包含用于实现软关断过程中锁定输入信号的二极管支路，所述二极管支路包含三极管T7，二极管D6和D7；

所述三极管T7的基极与所述三极管T6的发射极相连,集电极与二极管D7的阴极相连，发射极接地；

所述二极管D6、D7的阴极分别连接至三极管T5、T7的集电极，二极管D6、D7阳极则均连接至所述驱动控制电路的光耦输出的正极。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1．在过负载检测保护支路中设计有降栅压电路结构，对应于IGBT在过负载故障时的关断特性，栅压的快速降低可有效地限制IGBT的短路电流大小；

2．短路故障检测电路是利用集电极退饱和原理，在集电极电流过大时，通过缓慢降低IGBT驱动电压VGE，能够缓慢降低IGBT短路电流的大小，同时降低了IGBT栅射极寄生电容上电压变化率，有效地避免IGBT进入到擎住状态，从而可靠地关断IGBT；

3．添加二极管支路从而实现驱动控制电路在软关断过程中对输入信号的锁定功能，提高了IGBT关断的可靠性。

附图说明

图1是实测IGBT驱动芯片在正常状态下的驱动波形图；

图2是实测IGBT驱动芯片在故障电流100A时的驱动波形图；

图3是实测IGBT驱动芯片在故障电流130A时的驱动波形图；

图4是基于IGBT的固态短路器中IGBT的关断特性曲线图；

图5是本发明的原理结构图；

图6是过负载故障时，本发明电路中各点信号时序图；

图7是近点短路故障时，本发明电路中各点信号时序图；

图8是正常工作状态下，本发明电路控制信号对应IGBT驱动信号的仿真波形图；

图9是模拟过负载故障时，本发明电路产生的IGBT驱动电压仿真波形图；

图10是模拟短路故障时，本发明电路产生的IGBT驱动电压仿真波形图；

图11是模拟过负载故障时，改变输入控制信号的情况下本发明电路产生的IGBT驱动电压仿真波形图；

图12是模拟短路故障时，改变输入控制信号的情况下本发明电路产生的IGBT驱动电压仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如附图5所示，本发明公开了一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动保护电路，包含电气隔离电路、两级图腾柱式驱动输出电路、过负载故障检测与保护电路、短路故障检测与保护电路、降栅压结构电路以及实现软关断过程中输入信号锁定功能的二极管支路。

其中，电气隔离电路包含光耦VLC、电阻R2和电容C1；光耦VLC的输出正端连接至电阻R2的一端与电容C1的一端，光耦VLC的输出负端与电容C1另一端连接至地，电阻R2另一端则连至24V电源端；

两级图腾柱式输出电路包含三极管T2、三极管T8、三极管T9、三极管T10和三极管T11；三极管T8与T9的基极分别和T10与T11的基极互相连接，经导线引出分别作为输入端。同样地，三极管T8与T9的发射极和T10与T11的发射极分别互相连接，经导线引出作为输出端。三极管T2集电极连接至T8与T9连接引出的输入端，T8与T9连接引出的输出端连接至T10与T1连接引出的输入端，T9与T11的集电极连接至地，T8与T10的集电极则连接至24V电源端；

过负载故障检测与保护电路包含比较器A、二极管D3、电阻R0、R1、R4、R5、R9、R14、稳压管VZ1、VZ2、电容C3、可变电容C4以及三极管T3、T4；比较器A反相输入端经电阻R0连接至检测二极管D2阳极，输出端连接至二极管D3阴极，同时经电阻R14连接至D2阳极，二极管D3阳极则直接连接至稳压管VZ1阴极，同时经电阻R5连接至稳压管VZ2阴极，并且稳压管VZ2阴极连接至电容C3，C3另一端接地；稳压管VZ1阳极则连接至三极管T4的基极，VZ2阳极连接至三极管T3的基极，三极管T3集电极经电阻R9连接至电容C4；三极管T4发射极经电阻R1连接至地，而三极管T3发射极与电容C4另一端直接接地；

降栅压结构电路包含三极管T5和稳压管VZ4；由三极管T4的发射极连接至三极管T5基极，T5集电极连接至稳压管VZ4阳极，发射极则直接接地；

短路故障检测与保护电路包含二极管D2、D8、电阻R3、R6、R7、R10和R11、稳压管VZ3、电容C2、可变电容C4和三极管T1、T6；由检测二极管阳极经电阻R7连接至稳压管VZ3阴极，并且稳压管VZ3阴极经电阻R6分别连接至电容C2和三极管T1集电极，而T1集电极还经电阻R3连接至24V电源端，T1发射极连接至二极管D8阳极，D8阴极与C2另一端接地；稳压管VZ3阳极连接至三极管T6基极，T6集电极经电阻R10连接至电容C4，T6发射极经电阻R11接地；

实现软关断过程中输入信号锁定功能的二极管支路包含三极管T7，二极管D6和D7；三极管T7基极连接至T6发射极，二极管D6、D7的阴极分别连接至T5、T7集电极，D6、D7阳极则均连接至光耦输出的正极；

光耦输出的正极连接至三极管T1和T2，实现对驱动电路输出电压的控制；过负载检测支路与短路检测支路之间通过二极管D5连接，D5阳极连接至稳压管VZ2阴极，D5阴极连接至电阻R6与电容C2之间；然后两条检测支路分别通过二极管D4和D1连接至图腾柱式电路的输入端，二极管D4阴极连接至稳压管VZ4阴极，D1阴极连接至电容C4，D4与D1阳极均连接至T8与T9基极连接引出的输入端；过负载检测支路中比较器A的正相输入端则连接至参考电压源的正端；除此之外，电路通过在24V电源端与地之间连接电阻R15与R16分压得到偏置电压，然后在电阻R15与R16之间引出导线连接至IGBT发射极，检测二极管D2阴极连接至IGBT集电极，而由T10与T11发射极连接引出的输出端则经电阻RG连接至IGBT栅极。

电路具体工作情况是：正常工作时，当输入控制信号为高电平时，光耦导通，使T1和T2截止，此时D点电压上升至25V，T8、T10导通。而负偏电压被钳位于10V，因此IGBT的栅极处为15V电压，从而驱动IGBT导通，VCE下降到VCES(约3V)。同时，A点和B点电位被箝位在一定的电压值，稳压管VZ1、VZ2和VZ3均不会被击穿，保护电路不动作；当输入控制信号为低电平时，光耦截止，使T1、T2导通，D点电位钳位于0V，T8、T10截止，而T9、T11导通，IGBT栅极电荷迅速放电，IGBT栅极电位迅速下降至0 V，从而产生VGE=-10V的关栅电压，与此同时，在关断瞬间VCE上升，D2截止、D5导通，C2通过T1更快放电，将B点电位钳位在一定电压上，VZ3仍不击穿，而A点因D5的导通电压被钳位，稳压管VZ1、VZ2也不击穿，保护电路同样不会动作。电路故障时，在发生过负载故障时，IGBT集电极电流未达到短路保护电流，VCE的上升使得D2和D3截止，此时，电源通过R4向C3充电使A点电位继续上升至一定电压值而VZ1、VZ2击穿，T3、T4导通，D点电压由于稳压管VZ4的存在瞬间降至21V，集电极电流不发生改变，之后C4通过R9和T3放电，C点电位逐步降低，D1导通使D点的电位也降低，从而使IGBT驱动电压VGE逐渐降低，慢速关断IGBT；在发生近点短路故障时，D2截止而D3导通，过负载故障检测支路不工作，电源通过R3向C2充电使得稳压管VZ3击穿，电容C4通过R10和T6放电，从而实现IGBT栅极电压的缓慢降低，有效限制IGBT栅射极寄生电容上电压变化率，从而避免IGBT进入到擎住状态。在故障排除之后，电路恢复正常工作状态。为适应微网系统中不同的短路保护电流要求，可调节比较器A的基准电压Vshort值；同时，通过调节可变电容C4的大小，即可调整IGBT软关断的时间。

在发生故障IGBT软关断的过程中，此时三极管T5和T7导通，添加的二极管D6和D7支路将光耦的输出钳位于低电平，从而使得控制信号的改变不影响IGBT的软关断过程，从而提高了整个系统的可靠性。

图4是基于IGBT的固态短路器中IGBT的关断特性曲线图。

如图6、7所示，是本发明电路在不同故障时各点信号的时序图。结合该时序图可清楚地描绘出本发明电路在不同故障状态下的工作过程。

如图8所示，是本发明电路正常工作状态下控制信号对应IGBT驱动信号的仿真波形图。从图中可以看出，该驱动电路可以产生足够的正向导通电压与反向关断电压，保证IGBT可靠地导通与关断。

如图9所示，是模拟过负载故障时，IGBT的驱动电压仿真波形图。从图中可以看出，在发生过负载故障时，本发明电路能够产生关断IGBT时特有的降栅压过程(A点至C点即为整个降栅压过程，而B点至C点是降栅压的延迟过程)，并且之后能够完全可靠地实现IGBT的软关断过程。

如图10所示，是在模拟短路故障时，IGBT的驱动电压仿真波形图。从图中可以看出，在发生短路故障时(A点至B点为短路故障检测过程)，IGBT栅极驱动电压缓慢下降，能够有效缓慢减小短路电流，从而能够降低IGBT栅射极间寄生电容上电压变化率，防止IGBT产生擎住效应，从而实现IGBT的可靠关断。

如图11所示，是模拟过负载故障时，改变输入控制信号的情况下的IGBT驱动电压仿真波形图。由图可知，在该情况下的IGBT软关断过程中，即使输入控制信号发生改变也不会影响到这一软关断的过程，体现了本发明电路的可靠性。

如图12所示，是模拟短路故障时，改变输入控制信号的情况下的IGBT驱动电压仿真波形图。由图可知，在该情况下的IGBT软关断过程中，即使输入控制信号发生改变也不会影响到这一软关断的过程，体现了本发明电路的可靠性。

Claims (3)

1. 一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动控制电路，其特征在于，所述驱动控制电路包含过负载故障检测与保护电路、降栅压结构电路和参考电压源；

所述过负载故障检测与保护电路包含比较器A，二极管D2、D3、电阻R0、R1、R4、R5、R9、R14、稳压管VZ1、VZ2、电容C3、可变电容C4以及三极管T3、T4；

其中，所述比较器A的反相输入端与电阻R0的一端相连，正向输入端与所述参考电压源的正极相连，输出端分别和二极管D3的阴极、电阻R14的一端相连；

所述二极管D2的阳极分别与电阻R0的另一端、电阻R14的另一端相连，阴极与IGBT的集电极相连；

所述二极管D3的阳极分别和稳压管VZ1的阴极、电阻R5的一端相连；

所述稳压管VZ1阳极与所述三极管T4的基极相连；

所述稳压管VZ2的阳极与所述三极管T3的基极相连，阴极分别与电阻R4的一端、电阻R5的另一端、电容C3的一端相连；

所述电容C3的另一端接地；

所述三极管T3的集电极经电阻R9连接至可变电容C4的一端，发射极与可变电容C4的另一端接地；

所述三极管T4发射极经电阻R1接地，集电极和电阻R4的另一端均与供电电压源的正极相连；

所述降栅压结构电路包含三极管T ₅和稳压管VZ ₄；

所述三极管T5的基极与所述三极管T4的发射极相连，集电极与稳压管VZ4的阳极相连，发射极接地；

所述稳压管VZ4的阴极通过二极管连接至所述驱动控制电路的图腾柱式电路的输入端。

2. 根据权利要求2所述的一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动控制电路，其特征在于，所述驱动控制电路还包含短路故障检测与保护电路；

所述短路故障检测与保护电路包含二极管D2、D8、电阻R3、R6、R7、R10和R11、稳压管VZ3、电容C2、可变电容C4和三极管T1、T6；

所述二极管D2的阳极与所述电阻R7的一端相连，阴极与IGBT的集电极相连；

所述稳压管VZ3的阴极分别与电阻R7的另一端、电阻R6的一端相连，阳极与三极管T6的基极相连；

所述三极管T1的集电极分别和电阻R6的另一端、电容C2的一端、电阻R3的一端相连，发射极与二极管D8的阳极相连，基极连接至所述驱动控制电路的光耦输出的正极；

所述电阻R3的另一端与供电电压源的正极相连；

所述二极管D8的阴极与电容C2的另一端接地；

所述三极管T6的集电极经电阻R10连接至可变电容C4与电阻R9相连的一端，发射极经电阻R11接地。

3. 根据权利要求2所述的一种微网系统中基于IGBT的固态快速开关的驱动控制电路，其特征在于，所述驱动控制电路还包含用于实现软关断过程中锁定输入信号的二极管支路，所述二极管支路包含三极管T7，二极管D6和D7；

所述三极管T7的基极与所述三极管T6的发射极相连,集电极与二极管D7的阴极相连，发射极接地；

所述二极管D6、D7的阴极分别连接至三极管T5、T7的集电极，二极管D6、D7阳极则均连接至所述驱动控制电路的光耦输出的正极。