CN110098719A - 基于分离式绝缘栅双极igbt驱动结构的风电场变频器功率柜 - Google Patents
基于分离式绝缘栅双极igbt驱动结构的风电场变频器功率柜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜，属于风电场变频器功率柜技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜结构及控制硬件结构的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括功率柜体，所述功率柜体为分层结构，所述功率柜体由上到下依次设置有：晶体管门极保护装置、门极驱动装置、风扇冷却模块；所述风扇冷却模块的底部设置有变频器风机，所述变频器风机通过风道与引风槽相连，所述引风槽的出风口与门极驱动装置相连；所述门极驱动装置内部设置有门极驱动电路板，所述门极驱动电路板上集成有驱动控制器；本发明应用于风电场变频器功率柜。
Description
技术领域
本发明基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜，属于风电场变频器功率柜技术领域。
背景技术
ABB变频器最早应用于传统工业如钢铁、水泥、化工、造纸等行业，安装变频器的电气室都会设置净化间同时配有空调冷却及除湿系统，确保变频器运行在符合条件的工作环境中，同时ABB变频器结构紧凑、小巧精致，尺寸比其他品牌的变频器节省1/3的体积。
目前风力发电装置中也安装该类型变频器，由于风电机组运行环境和结构设计的特殊性，无法单独给变频器配备净化间和用于温度控制的空调，而由于ABB变频器结构紧凑的原因，其内部各元器件如果散热条件不好，会导致变频器长时间处于温度过高的运行状态。
变频器长时间在高温状态下运行，会加速门极驱动板AGDR老化，最终导致门极驱动板AGDR对绝缘栅双极型晶体管IGBT控制失效，导致变频器频繁报出功率模块SC短路故障，严重时会导致绝缘栅双极型晶体管IGBT炸毁，IGBT爆炸破坏性极大，其爆炸弧光会导致周边很多板卡的连带损坏，给客户带来较大的损失，使得生产运营与维护变频器的成本很高；因此有必要对应用于风电机组的变频器结构及功能进行改进。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜结构及控制硬件结构的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜，包括功率柜体，所述功率柜体为分层结构，所述功率柜体由上到下依次设置有：晶体管门极保护装置、门极驱动装置、风扇冷却模块；
所述风扇冷却模块的底部设置有变频器风机，所述变频器风机通过风道与引风槽相连，所述引风槽的出风口与门极驱动装置相连；
所述门极驱动装置内部设置有门极驱动电路板，所述门极驱动电路板上集成有驱动控制器，所述驱动控制器的信号输出端依次串接隔离电平转换器、驱动器、场效应管控制器后与晶体管门极保护装置相连；
所述驱动控制器的电源输入端与电源模块相连。
所述驱动控制器使用的芯片为驱动控制芯片U1，所述隔离电平转换器使用的芯片为转换器U2、U3，所述驱动器使用的芯片为驱动芯片U4，所述场效应管控制器使用的芯片为控制芯片U5；
所述门极驱动装置的电路结构为：
所述驱动控制芯片U1的44脚并接电阻R502的一端后与转换器U2的1脚相连，所述转换器U2的6脚并接电容C501的一端，电阻R503的一端后与5V电源输入端相连；
所述转换器U2的5脚并接电阻R503的另一端后与驱动芯片U4的4脚相连；
所述驱动控制芯片U1的2脚并接电阻R501的一端后与转换器U3的1脚相连，所述转换器U3的6脚并接电阻R504的一端后与5V电源输入端相连，所述电阻R504的另一端并接转换器U3的5脚后与驱动芯片U4的2脚相连；
所述驱动芯片U4的5脚与电阻R506的一端相连，所述电阻R506的另一端并接电阻R508的一端后与控制芯片U5的4脚相连，
所述驱动芯片U4的7脚串接电阻R505后与控制芯片U5的2脚相连；
所述控制芯片U5的3脚并接电阻R507的一端后与VCC电源输入端相连；
所述控制芯片U5的1脚并接电阻R509的一端，三极管V505的发射极后接地；
所述电阻R508的另一端与稳压二极管V504的负极相连，所述稳压二极管V504的正极并接电阻R509的另一端后与三极管V505的基极相连；
所述三极管V505的集电极与电阻R510的一端相连；
所述控制芯片U5的5脚、6脚、7脚、8脚相互连接后与门极驱动装置的信号输出端相连；
所述电阻R510的另一端并接二极管V506的正极后与控制芯片U5的5脚、6脚、7脚、8脚相连，所述二极管V506的负极并接电阻R507的另一端，电容C507的一端后与电容C508的一端相连。
所述隔离电平转换器与驱动器之间还设置有电平与非门模块，所述电平与非门模块的型号为74H02。
所述电源模块中使用的芯片为稳压器U6、U7；所述电源模块的电路结构为：
所述稳压器U6的1脚并接电容C509的一端，电容C510的一端后与VCC电源输出端相连；
所述稳压器U6的2脚并接电容C511的一端，电容C512的一端，二极管V508的正极后接地；
所述稳压器U6的3脚与电阻R515的一端相连，所述电阻R515的另一端并接电容C509的另一端，电容C511的另一端，电容C510的另一端，电容C512的另一端，二极管V508的负极后与COM电源输出端相连；
所述稳压器U7的1脚并接电容C515的一端后与5V电源输出端相连；
所述稳压器U7的2脚并接稳压器U7的3脚、6脚、7脚，电容C515的另一端，电容C516的一端后接地；
所述稳压器U7的8脚并接电容C516的另一端后与VCC电源输入端相连。
所述驱动控制芯片U1的型号为EPM7032STC；
所述转换器U2、U3的型号为TLP2768A；
所述驱动芯片U4的型号为FAN3278；
所述控制芯片U5的型号为FDS8958；
所述稳压器U6的型号为78M09；
所述稳压器U7的型号为78L05。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明通过对现有应用于风电机组的双馈变频器功率柜进行结构改造和升级，可以有效降低变频器故障率，避免风场SC类故障及模块炸机事故发生，同时提高变频器系统运行的可靠性，提高风资源利用率，提高风场发电量；使用本发明提供的变频器功率柜可以降低备件损耗，节约生产成本，并有效降低风场工作人员的劳动强度。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为现有双馈变频器功率柜的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的电路结构示意图；
图4为本发明驱动控制器的电路图；
图5为本发明门极驱动装置的电路图；
图6为本发明电源模块的电路图；
图中：1为功率柜体、2为晶体管门极保护装置、3为门极驱动装置、4为风扇冷却模块、5为变频器风机、6为引风槽、7为驱动控制器、8为隔离电平转换器、9为驱动器、10为场效应管控制器、11为电源模块。
具体实施方式
如图1至图6所示，本发明基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜，包括功率柜体（1），所述功率柜体（1）为分层结构，所述功率柜体（1）由上到下依次设置有：晶体管门极保护装置（2）、门极驱动装置（3）、风扇冷却模块（4）；
所述风扇冷却模块（4）的底部设置有变频器风机（5），所述变频器风机（5）通过风道与引风槽（6）相连，所述引风槽（6）的出风口与门极驱动装置（3）相连；
所述门极驱动装置（3）内部设置有门极驱动电路板，所述门极驱动电路板上集成有驱动控制器（7），所述驱动控制器（7）的信号输出端依次串接隔离电平转换器（8）、驱动器（9）、场效应管控制器（10）后与晶体管门极保护装置（2）相连；
所述驱动控制器（7）的电源输入端与电源模块（11）相连。
所述驱动控制器（7）使用的芯片为驱动控制芯片U1，所述隔离电平转换器（8）使用的芯片为转换器U2、U3，所述驱动器（9）使用的芯片为驱动芯片U4，所述场效应管控制器（7）使用的芯片为控制芯片U5；
所述门极驱动装置（3）的电路结构为：
所述驱动控制芯片U1的44脚并接电阻R502的一端后与转换器U2的1脚相连，所述转换器U2的6脚并接电容C501的一端，电阻R503的一端后与5V电源输入端相连；
所述转换器U2的5脚并接电阻R503的另一端后与驱动芯片U4的4脚相连；
所述驱动控制芯片U1的2脚并接电阻R501的一端后与转换器U3的1脚相连，所述转换器U3的6脚并接电阻R504的一端后与5V电源输入端相连，所述电阻R504的另一端并接转换器U3的5脚后与驱动芯片U4的2脚相连；
所述驱动芯片U4的5脚与电阻R506的一端相连，所述电阻R506的另一端并接电阻R508的一端后与控制芯片U5的4脚相连，
所述驱动芯片U4的7脚串接电阻R505后与控制芯片U5的2脚相连；
所述控制芯片U5的3脚并接电阻R507的一端后与VCC电源输入端相连；
所述控制芯片U5的1脚并接电阻R509的一端，三极管V505的发射极后接地；
所述电阻R508的另一端与稳压二极管V504的负极相连，所述稳压二极管V504的正极并接电阻R509的另一端后与三极管V505的基极相连；
所述三极管V505的集电极与电阻R510的一端相连；
所述控制芯片U5的5脚、6脚、7脚、8脚相互连接后与门极驱动装置（3）的信号输出端相连；
所述电阻R510的另一端并接二极管V506的正极后与控制芯片U5的5脚、6脚、7脚、8脚相连，所述二极管V506的负极并接电阻R507的另一端，电容C507的一端后与电容C508的一端相连。
所述隔离电平转换器（8）与驱动器（9）之间还设置有电平与非门模块，所述电平与非门模块的型号为74H02。
所述电源模块（11）中使用的芯片为稳压器U6、U7；所述电源模块（11）的电路结构为：
所述稳压器U6的1脚并接电容C509的一端，电容C510的一端后与VCC电源输出端相连；
所述稳压器U6的2脚并接电容C511的一端，电容C512的一端，二极管V508的正极后接地；
所述稳压器U6的3脚与电阻R515的一端相连，所述电阻R515的另一端并接电容C509的另一端，电容C511的另一端，电容C510的另一端，电容C512的另一端，二极管V508的负极后与COM电源输出端相连；
所述稳压器U7的1脚并接电容C515的一端后与5V电源输出端相连；
所述稳压器U7的2脚并接稳压器U7的3脚、6脚、7脚，电容C515的另一端，电容C516的一端后接地；
所述稳压器U7的8脚并接电容C516的另一端后与VCC电源输入端相连。
所述驱动控制芯片U1的型号为EPM7032STC；
所述转换器U2、U3的型号为TLP2768A；
所述驱动芯片U4的型号为FAN3278；
所述控制芯片U5的型号为FDS8958；
所述稳压器U6的型号为78M09；
所述稳压器U7的型号为78L05。
如图1所示，为解决风场变频器容易出现过温故障的技术问题，本发明提供一种双馈变频器功率柜，在变频器功率单元模块上进行结构上的改进，通过将变频器的功率单元门极驱动板与IGBT模块均采用分离的方式组合，扩大功率柜散热器，使散热风道更加畅通；上述门极驱动板长期处于高温状态下运行，导致加速老化，IGBT运行时其内部温度可以达到80-100℃，由于现有门极驱动板紧贴IGBT，满功率运行时温度较高，对门极驱动板及其电子元器件损害较大，因此降低门极驱动板的工作温度可以有效降低变频器故障率。
本发明通过将门极驱动板和绝缘栅双极型晶体管IGBT分离，增加驱动保护板，使门极驱动板远离发热源IGBT，并将门极驱动板主体安装在靠近冷却风扇出风口的位置，确保门极驱动板具备良好的散热条件，延长使用寿命，有效解决变频器在风电应用中的三高问题，可有效降低变频器的故障率，极大降低备件消耗，有效降低生产费用，提高风机发电效率。
本发明将IGBT门极驱动板改装至引风槽上端，即原风扇电源板处，拆除原风扇电源板及变频板，可以使门极驱动板远离IGBT发热源，将门极驱动板安装至冷却风扇出风口使其具备良好的散热条件，让门极驱动板工作温度更接近环境温度；
在改装过程中，拆除原系统的风扇电源板及变频板，可以减少后期备件消耗，增加风扇控制电路，将风扇控制系统更改为工频380V工作，可以加大通风量，提升散热效果；对门极驱动板上的控制电路进行结构改进，将驱动主体控制电路与IGBT主体分离，设计专用保护板，将分离后的IGBT设置在专用的门极保护板上，进一步提升驱动电路的可靠性，并改变控制排线连接方式，考虑电磁兼容的同时降低干扰。
改进安装结构同时对门极驱动装置及驱动板工作电源进行改进，改善驱动板工作电源，采用专用电源控制芯片控制，电源运行更稳定，损耗及发热量更小；
所述驱动控制器中使用的程序芯片EPM7032STC可以改进脉冲信号处理电路，使门极触发信号触发与传输更可靠，并减少驱动板的损耗及发热量；
驱动控制器电路在实际接线过程中，所述驱动控制芯片U1的44脚、2脚连接有一路隔离电平转换器，同时驱动控制芯片U1的11脚、10脚还连接有另一路隔离电平转换器，可以满足双馈变频器的控制需要，两路控制回路的信号输出端最后均与晶体管门极保护装置相连。
所述驱动控制器采用集成逻辑芯片，减少板卡故障点，使系统运行更可靠，并能提升控制芯片工作温度上限，将工作温度上限从85度升级至125度。
另一方面，因为原门极驱动板的扁平电缆连接处距直流母排较近，由于AGDR驱动板与IGBT紧贴，排线与功率模块控制板AINT及电源板APOW相连，当IGBT发生炸机事故时，高压直流电就会通过扁平电缆将AINT及APOW烧坏，本发明通过改变扁平电缆的安装位置，将扁平排线控制电缆改装至模块下方，可以有效规避事故发生时损坏电路板及元器件。
进一步的，本发明对APOW电源模块进行改进，模块所有控制板的供电，由APOW板卡提供，模块要稳定运行，必须保证供电电源的稳定性，本发明改进电源板控制结构，增加过压及欠压保护功能，提高了电源抗干扰能力，运行更稳定；
本发明同时也对IGBT门极保护装置进行改进，采用第四代IGBT模块FS500R17OE4D替换原来FS450R17KE3模块，使其工作电流提升了50A，内部安装增强型续流二极管，提升保护性能，并采用了沟槽栅和场截止层结构，可以降低饱和电压，维持开关速度，并减小芯片厚度，增大功率密度，提升模块的抗高电流冲击能力；对比IGBT关断波形，四代IGBT的波形比三代IGBT的波形更平滑一些，四代IGBT呈现明显的“软”特性，使IGBT模块运行更稳定；
通过改进模块内部的焊线工艺，在开关工作条件下，第四代模块的最高允许结温规格为150度，比三代模块（1200V和1700V）的规格提高了25℃，模块的电流输出能力增大，增加了功率循环次数，进一步提高了可靠性。
本发明的门极驱动装置表面采用新型低粘度单组份有机硅苯基树脂三防漆，具有良好的耐高低温性能和较强的附着力，可以保护线路板及其相关设备免受坏境的侵蚀，具有较高的表面电阻与体积电阻，即使在潮湿条件下也可对线路板提供很好绝缘保护作用；固化后的漆膜对机械冲击，沉积物，潮湿，灰尘，腐蚀气体等都有非常好的耐腐蚀效果，能适用于风电、汽车与船舶等苛刻适用条件。
本发明同时对变频器风扇控制电路及外接电源改造，拆除原系统的风扇电源板及变频板，作为备件使用，增加风扇控制电路，将风扇控制系统更改为工频380V工作，延长风机使用寿命，加大通风量，降低变频器运行温度。
本发明采用专用半桥驱动芯片FAN3278替代原门极驱动板使用芯片，FAN3278是一款双通道1.5A栅极驱动器，针对在电压轨道最高值为27V的电机控制应用中驱动一个高端P沟道MOSFET和一个低端N沟道MOSFET进行改进；驱动器具有TTL输入限制，提供逻辑输入的缓冲和电平转换，其内部电路可以防止输出开关器件在VDD电源电压低于IC工作电压时工作，在逻辑控制信号未出现时的启动间隔之间保持外部场效应管处于关闭状态；
FAN3278驱动器具备当VDD低于工作电压时，使用一个100kΩ电阻将每个负载器件偏置关闭，低压TTL输入阙值，当无输入时内部电阻保持驱动器关闭等特点。
本发明使用的新驱动芯片由IRF7309更换为FDS8958场效应管控制器，可以将驱动电流由原来4A-3ATI提升为7A-5A，响应速度快提升至9.7NS。
本发明在改进门极信号输入电路的基础上，便于产品后续升级，配合重新调整隔离光耦输入参数，可以有效提高使用寿命。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜，其特征在于：包括功率柜体（1），所述功率柜体（1）为分层结构，所述功率柜体（1）由上到下依次设置有：晶体管门极保护装置（2）、门极驱动装置（3）、风扇冷却模块（4）；
所述风扇冷却模块（4）的底部设置有变频器风机（5），所述变频器风机（5）通过风道与引风槽（6）相连，所述引风槽（6）的出风口与门极驱动装置（3）相连；
所述门极驱动装置（3）内部设置有门极驱动电路板，所述门极驱动电路板上集成有驱动控制器（7），所述驱动控制器（7）的信号输出端依次串接隔离电平转换器（8）、驱动器（9）、场效应管控制器（10）后与晶体管门极保护装置（2）相连；
所述驱动控制器（7）的电源输入端与电源模块（11）相连。
2.根据权利要求1所述的基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜，其特征在于：所述驱动控制器（7）使用的芯片为驱动控制芯片U1，所述隔离电平转换器（8）使用的芯片为转换器U2、U3，所述驱动器（9）使用的芯片为驱动芯片U4，所述场效应管控制器（7）使用的芯片为控制芯片U5；
所述门极驱动装置（3）的电路结构为：
所述驱动控制芯片U1的44脚并接电阻R502的一端后与转换器U2的1脚相连，所述转换器U2的6脚并接电容C501的一端，电阻R503的一端后与5V电源输入端相连；
所述转换器U2的5脚并接电阻R503的另一端后与驱动芯片U4的4脚相连；
所述驱动控制芯片U1的2脚并接电阻R501的一端后与转换器U3的1脚相连，所述转换器U3的6脚并接电阻R504的一端后与5V电源输入端相连，所述电阻R504的另一端并接转换器U3的5脚后与驱动芯片U4的2脚相连；
所述驱动芯片U4的5脚与电阻R506的一端相连，所述电阻R506的另一端并接电阻R508的一端后与控制芯片U5的4脚相连，
所述驱动芯片U4的7脚串接电阻R505后与控制芯片U5的2脚相连；
所述控制芯片U5的3脚并接电阻R507的一端后与VCC电源输入端相连；
所述控制芯片U5的1脚并接电阻R509的一端，三极管V505的发射极后接地；
所述电阻R508的另一端与稳压二极管V504的负极相连，所述稳压二极管V504的正极并接电阻R509的另一端后与三极管V505的基极相连；
所述三极管V505的集电极与电阻R510的一端相连；
所述控制芯片U5的5脚、6脚、7脚、8脚相互连接后与门极驱动装置（3）的信号输出端相连；
所述电阻R510的另一端并接二极管V506的正极后与控制芯片U5的5脚、6脚、7脚、8脚相连，所述二极管V506的负极并接电阻R507的另一端，电容C507的一端后与电容C508的一端相连。
3.根据权利要求2所述的基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜，其特征在于：所述隔离电平转换器（8）与驱动器（9）之间还设置有电平与非门模块，所述电平与非门模块的型号为74H02。
4.根据权利要求3所述的基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜，其特征在于：所述电源模块（11）中使用的芯片为稳压器U6、U7；所述电源模块（11）的电路结构为：
所述稳压器U6的1脚并接电容C509的一端，电容C510的一端后与VCC电源输出端相连；
所述稳压器U6的2脚并接电容C511的一端，电容C512的一端，二极管V508的正极后接地；
所述稳压器U6的3脚与电阻R515的一端相连，所述电阻R515的另一端并接电容C509的另一端，电容C511的另一端，电容C510的另一端，电容C512的另一端，二极管V508的负极后与COM电源输出端相连；
所述稳压器U7的1脚并接电容C515的一端后与5V电源输出端相连；
所述稳压器U7的2脚并接稳压器U7的3脚、6脚、7脚，电容C515的另一端，电容C516的一端后接地；
所述稳压器U7的8脚并接电容C516的另一端后与VCC电源输入端相连。
5.根据权利要求4所述的基于分离式绝缘栅双极IGBT驱动结构的风电场变频器功率柜，其特征在于：所述驱动控制芯片U1的型号为EPM7032STC；
所述转换器U2、U3的型号为TLP2768A；
所述驱动芯片U4的型号为FAN3278；
所述控制芯片U5的型号为FDS8958；
所述稳压器U6的型号为78M09；
所述稳压器U7的型号为78L05。
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