CN109212433B - 一种逆变器igbt故障预警及保护电路 - Google Patents

一种逆变器igbt故障预警及保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种逆变器IGBT故障预警及保护电路，包括：电流采样电路、信号调理电路、分压调理电路、信号触发电路、电阻、IGBT开关器件。电流采样电路采集IGBT发射极电流，将电流信号转换为电压信号。电流采样电路输出的电压信号经过信号调理电路转换为稳定的电压信号。电压信号经过分压调理电路转换为信号触发电路的输入信号并作为故障信号输出。信号触发电路产生的输出信号通过电阻与IGBT栅极连接，同时通过电阻与驱动信号连接。当IGBT发生短路故障或电流当IGBT发生短路故障或电流过大时，该电路不经过软件控制，控制IGBT栅极驱动信号快速封锁IGBT，实时性强，提高IGBT和逆变器设备的安全性。该电路故障输出信号可以上传至上位机或主控制电路，便于故障定位与故障排除。

Description

一种逆变器IGBT故障预警及保护电路
技术领域
本发明涉及一种故障预警及保护电路，尤其是一种逆变器IGBT故障预警及保护电路。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，由于绝缘栅双极晶体管（Insulated GateBipolar Transistor IGBT）具有高电压、大电流、易于驱动，工作频率广等优点，得到广泛应用。在IGBT的使用中，对IGBT的保护最为关键，这主要是因为IGBT器件本身较为昂贵，同时IGBT的损坏对设备的正常运行产生严重影响。与此同时，IGBT在功率变换及变频调速中起到核心作用，并且其应用场合多变、使用环境恶略，对IGBT的保护显得尤为重要。其中IGBT过流故障为IGBT最为常见的故障之一，IGBT发生过流故障如果不进行快速处理，会造成IGBT永久损坏，造成严重经济损失和后果。针对该问题国内外学者开展了相应的研究。
专利201210508893.1提出一种IGBT过流保护电路，包括电流采样单元，全波整流单元、峰值获取单元、电流比较单元、控制单元以及IGBT驱动单元，电流比较单元用于将所述峰值获取单元输出的电流分别于快速限流保护点、极限保护点比较；控制单元用于根据电流比较单元的输出使IGBT驱动单元封锁IGBT或打开IGBT，该电路实现IGBT的过流保护需要获取电流峰值和软件运算，造成保护速度慢，实时性较差。
专利201610537013.1提出一种IGBT模块在线监测方法，该方法包括IGBT模块和至少一个测试IGBT模块；所述IGBT模块和测试IGBT模块组成桥式电路，向待测IGBT模块输入短路驱动电压并控制待测IGBT模块工作在电流饱和状态，且向测试IGBT模块输入工作驱动电压使测试IGBT模块正常工作，侦测待测IGBT模块的在电流饱和状态下的短路电流值，根据短路电流值判断待测IGBT模块的老化状态。该方法需要桥臂上下两个开关管短时间同时导通，由于IGBT寄生电容的存在，开通时间不宜控制，容易造成IGBT损坏。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的上述缺点，提供一种逆变器故障预警及保护电路，可以再检测到IGBT过流时，不经过控制电路，直接控制IGBT驱动信号，使IGBT关断，具有很好的实时性，可以有效保护IGBT开关器件及逆变器的安全。
为实现此目的，本发明技术方案如下：
本发明一种逆变器IGBT故障预警及保护电路，包括电流采样电路、信号调理电路、分压调理电路、信号触发电路、电阻、IGBT开关器件；电流采样电路采集IGBT开关器件的发射极的电流，将所述电流信号转换为电压信号，所述电压信号经过信号调理电路转换为稳定的电压信号，所述稳定的电压信号经过分压调理电路分压，所述分压信号作为信号触发电路的输入同时作为故障信号输出；信号触发电路通过电阻与IGBT开关器件的栅极连接，同时通过电阻与驱动信号连接；当IGBT开关器件发生短路故障或电流超过设定阈值时，控制IGBT开关器件的栅极驱动信号快速封锁IGBT开关器件，同时故障信号输出至上位机或主控制电路，用于故障定位与故障排除。
所述电流采样电路的原边正极端与IGBT开关器件的发射极连接，电流采样电路的原边负极端与公共连接点连接，电流采样电路的副边正极端与信号调理电路第一端连接，电流采样电路的副边负极端与公共连接点连接；信号调理电路的第二端与公共连接点连接，信号调理电路的第三端与信号触发电路的第一端连接；信号触发电路的第二端与第一电阻的输出端连接，信号触发电路的第三端与公共连接点连接；第一电阻的输入端与驱动信号正极端连接，驱动信号负极端与公共连接点连接；第二电阻的输入端与第一电阻的输出端连接，第二电阻的输出端与IGBT的栅极连接。
所述电流采样电路由电流传感器或由采样电阻组成。
所述信号调理电路包括第一二极管、第二极极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管的负极端与第三二级管的负极端连接，第一二极管的正极端与第二二级管的负极端连接，第三二极管的正极端与第四二级管的负极端连接，第四二级管的正极端与第二二极管的正极连接，第二二极管的正极与公共连接点连接。
所述分压调理电路包括稳压二极管、电阻、电容，稳压二极管的正极与电容的正极端连接，稳压二极管的负极端与信号调理电路的第一端连接，电容的负极端与公共连接点连接，电阻的输入端与电容的正极端连接，电阻的负极端与公共连接点连接。
所述信号触发电路包括晶体管与稳压二极管，晶体管的基极的负极端与信号调理电路的第一端连接，晶体管的发射极与公共连接点连接，晶体管的集电极与稳压二极管的正极连接，稳压二极管的负极与第一电阻的输出端连接。
所述信号触发电路的输入端同时作为故障信号输出端，向主控板或上位机上传故障信号。
附图说明
图1 逆变器IGBT故障预警及保护电路结构示意图。
图2逆变器IGBT故障预警及保护电路原理图；
图3为图1中的电流采样电路结构图；
图4为图1中的信号调理电路结构图；
图5为图1中的分压调理电路结构图；
图6为图1中的信号触发电路结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明一种逆变器IGBT故障预警及保护电路，包括电流采样电路T、信号调理电路DI、分压调理电路ZI、信号触发电路CI、第一电阻R1、第二电阻R2、IGBT开关器件；电流采样电路T采集IGBT开关器件的发射极的电流，将所述电流信号转换为电压信号，所述电压信号经过信号调理电路DI转换为稳定的电压信号，所述稳定的电压信号经过分压调理电路ZI分压，所述分压信号作为信号触发电路CI1的输入同时作为故障信号输出；信号触发电路CI1通过第二电阻R2与IGBT开关器件的栅极连接，同时通过第一电阻R1与驱动信号连接；当IGBT开关器件发生短路故障或电流超过设定阈值时，控制IGBT开关器件的栅极驱动信号快速封锁IGBT开关器件，同时故障信号输出至上位机或主控制电路，用于故障定位与故障排除。
电流采样电路T的原边正极端T3与IGBT开关器件的发射极E连接，电流采样电路T的原边负极端T4与公共连接点连接，电流采样电路T的副边正极端T1与信号调理电路DI第一端DI1连接，电流采样电路T的副边负极端T2与信号调理电路DI第四端DI4连接；信号调理电路DI的第二端DI2与公共连接点连接，信号调理电路DI的第三端DI3与分压调理电路ZI的第一端ZI1连接；分压调理电路ZI的第二端ZI2与信号触发电路CI的第一端CI1连接，分压调理电路ZI的第三端ZI3与公共连接点连接；信号触发电路CI的第二端CI2与第一电阻R1的输出端R1-连接，信号触发电路CI的第三端CI3与公共连接点连接；第一电阻R1的输入端R1+与驱动信号正极端G+连接，驱动信号负极端G-与公共连接点连接；第二电阻R2的输入端R2+与第一电阻R1的输出端R1-连接，第二电阻R2的输出端R2-与IGBT的栅极G连接。
如图2所示，本发明逆变器故障预警及保护电路包括电流采样电路T、信号调理电路DI、分压调理电路ZI、信号触发电路CI、第一电阻R1、第二电阻R2、IGBT开关器件。电流采样电路T包括电流传感器T，信号调理电路DI包括二极管D1、D2、D3和D4，分压调理电路ZI包括稳压二极管ZD2、电容C1、电阻R3，信号触发电路CI包括稳压二极管ZD1和晶体管Q1。
电流传感器T的原边正极T3端与IGBT开关器件的发射极E连接，电流传感器T的原边负极T4端与公共连接点连接，电流传感器T的副边正极T1端与二级管D1的正极D1+端连接，电流传感器T的副边负极T2端与二极管D3的正极D3+端连接；二极管D1的负极D1-端与二级管D3的负极D3-端连接，第一二极管D1的正极D1+端与二级管D2的负极D2-端连接，二极管D3的正极D3+端与二级管D4的负极D4-端连接，二级管D4的正极D4+端与第二二极管D2的正极D2+连接，二极管D2的正极D2+与公共连接点连接；稳压二极管ZD2的负极ZD2-与二极管D3的负极D3-端连接，稳压二极管ZD2的正极ZD2+端与电容C1的正极C1+端连接，电容C1的负极C1-端与公共连接点连接。电阻R3的输入端R3+端与电容C1的正极C1+端连接，电阻R3的输出端R3-与公共连接点连接；电阻R3的输入端R3+与晶体管Q1的基极Q11端连接，晶体管Q1的集电极Q12端与稳压二极管ZD1的正极ZD1+端连接，晶体管Q1的发射极Q13端与公共连接点连接；稳压二级管ZD1的负极ZD1-端与电阻R1的输出端R1-端连接，电阻R1的输入端R1+端与驱动信号正极G+端连接。电阻R1的输出端R1-端与电阻R2的输入端R2+端连接，电阻R2的输出端R2-端与IGBT的栅极G端连接；驱动信号的负极G-端与公共连接点连接。电阻R3的输入端R3+作为故障信号输出端，向主控板或上位机上传故障信号。
电流传感器T采集IGBT开关器件的发射极的电流，将所述电流信号转换为电压信号，所述电压信号经过由四个二极管D1、D2、D３和D4组成的不控整流电路DI转换为稳定的电压信号，所述稳定的电压信号经过稳压二极管ZD2与电容C1分压，电容电压作为晶体管Q1的基极Q11端输入同时作为故障信号输出。晶体管Q1的集电极Q12端与稳压二极管ZD1相连，稳压二极管ZD1的输出通过电阻与IGBT开关器件的栅极连接，同时通过电阻与驱动信号连接。当IGBT开关器件发生短路故障或电流超过设定阈值时，控制IGBT开关器件的栅极驱动信号快速封锁IGBT开关器件，同时故障信号输出至上位机或主控制电路，用于故障定位与故障排除。
如图3所示，电流采样电路T由电流传感器T或由采样电阻组成。
如图4所示，信号调理电路包括第一二极管、第二极极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管的负极端与第三二级管的负极端连接，第一二极管的正极端与第二二级管的负极端连接，第三二极管的正极端与第四二级管的负极端连接，第四二级管的正极端与第二二极管的正极连接，第二二极管的正极与公共连接点连接。
如图5所示，分压调理电路包括稳压二极管、电阻、电容，稳压二极管的正极与电容的正极端连接，稳压二极管的负极端与信号调理电路的第一端连接，电容的负极端与公共连接点连接，电阻的输入端与电容的正极端连接，电阻的负极端与公共连接点连接。
如图6所示，信号触发电路包括晶体管与稳压二极管，晶体管的基极的负极端与信号调理电路的第一端连接，晶体管的发射极与公共连接点连接，晶体管的集电极与稳压二极管的正极连接，稳压二极管的负极与第一电阻的输出端连接。
信号触发电路CI的第一端CI1同时作为故障信号输出端，向主控板或上位机上传故障信号。

Claims (4)

1.一种逆变器IGBT故障预警及保护电路，其特征在于：包括电流采样电路、信号调理电路、分压调理电路、信号触发电路、电阻、IGBT开关器件；电流采样电路采集IGBT开关器件的发射极的电流，将电流信号转换为电压信号，所述电压信号经过信号调理电路转换为稳定的电压信号，所述稳定的电压信号经过分压调理电路分压，分压信号作为信号触发电路的输入同时作为故障信号输出；信号触发电路通过第二电阻与IGBT开关器件的栅极连接，同时通过第一电阻与驱动信号连接；当IGBT开关器件发生短路故障或电流超过设定阈值时，控制IGBT开关器件的栅极驱动信号快速封锁IGBT开关器件，同时故障信号输出至上位机或主控制电路，用于故障定位与故障排除；
所述电流采样电路的原边正极端与IGBT开关器件的发射极连接，电流采样电路的原边负极端与公共连接点连接，电流采样电路的副边正极端与信号调理电路第一端连接，电流采样电路的副边负极端与公共连接点连接；信号调理电路的第二端与公共连接点连接，信号调理电路的第三端与信号触发电路的第一端连接；信号触发电路的第二端与第一电阻的输出端连接，信号触发电路的第三端与公共连接点连接；第一电阻的输入端与驱动信号正极端连接，驱动信号负极端与公共连接点连接；第二电阻的输入端与第一电阻的输出端连接，第二电阻的输出端与IGBT的栅极连接；
所述分压调理电路包括稳压二极管、电阻、电容，稳压二极管的正极与电容的正极端连接，稳压二极管的负极端与信号调理电路的第一端连接，电容的负极端与公共连接点连接，电阻的输入端与电容的正极端连接，电阻的负极端与公共连接点连接；
所述信号触发电路包括晶体管与稳压二极管，晶体管的基极的负极端与信号调理电路的第一端连接，晶体管的发射极与公共连接点连接，晶体管的集电极与稳压二极管的正极连接，稳压二极管的负极与第一电阻的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种逆变器IGBT故障预警及保护电路，其特征在于：所述电流采样电路由电流传感器或由采样电阻组成。
3.根据权利要求1所述的一种逆变器IGBT故障预警及保护电路，其特征在于：所述信号调理电路包括第一二极管、第二极极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管的负极端与第三二级管的负极端连接，第一二极管的正极端与第二二级管的负极端连接，第三二极管的正极端与第四二级管的负极端连接，第四二级管的正极端与第二二极管的正极连接，第二二极管的正极与公共连接点连接。
4.根据权利要求1所述的一种逆变器IGBT故障预警及保护电路，其特征在于：信号触发电路的输入端同时作为故障信号输出端，向主控板或上位机上传故障信号。
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