CN204013200U - 一种适用于三电平变流器用igbt驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于三电平变流器用IGBT驱动电路，包括电源隔离变换单元以及依次串接的信号输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、信号逻辑处理单元、软关断实现单元、推挽放大输出单元，电源隔离变换单元分别与输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、信号逻辑处理单元、软关断实现单元、推挽放大输出单元相连。信号输入及状态反馈单元接收来自微机控制器的PWM控制信号，PWM控制信号经过光耦隔离单元输入到信号逻辑处理单元，信号逻辑处理单元在发生故障时封锁PWM控制信号，确保了IGBT的可靠运行；本实用新型采用分立元件控制功率器件IGBT的开关，减少了IGBT关断应力，降低了IGBT的关断损耗。

Description

一种适用于三电平变流器用IGBT驱动电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子领域，特别涉及一种适用于三电平变流器用IGBT驱动电路。

背景技术

逆变器在工业和日常生活应用日益广泛，三电平变流器作为逆变器的一种，其具有能够实现中高压目标、改善输出电压波形、降低输出谐波及开关损耗、提高电源效率的优点。

三电平变流器相对于两电平变流器，其功率组件主回路的结构复杂、寄生电感多，控制运行回路多，同等条件下选择的IGBT承受电压应力比两电平要低，因此对驱动系统也提出了更高的要求，IGBT驱动既要能实现对IGBT器件的快速导通和可靠关断，还要求能降低IGBT器件的运行损耗，抑制IGBT开通和关断过程中的过电压，并能对驱动电源欠压、IGBT出现过流或短路时作出保护动作。目前的IGBT驱动一般是在IGBT出现上述错误时才会开通软关断电路或降栅压进行IGBT关断，是被动地抑制IGBT关断过电压，存在一定的时间延迟，有时存在保护IGBT不及时的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种能够主动抑制IGBT关断过电压并且工作稳定可靠的适用于三电平变流器用IGBT驱动电路。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种适用于三电平变流器用IGBT驱动电路，包括电源隔离变换单元、信号输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、信号逻辑处理单元、软关断实现单元及推挽放大输出单元，所述信号逻辑处理单元包括第一逻辑处理单元、电压检测单元和短路或过流检测单元，所述信号输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、第一逻辑处理单元、软关断实现单元及推挽放大输出单元依次串接，所述电压检测单元的输入端与电源隔离变换单元相连，输出端与第一逻辑处理单元相连，电压检测单元检测电源隔离变换单元的电压，并将电压信号送入第一逻辑处理单元，所述短路或过流检测单元的输入端连接被测IGBT的集电极和发射极，其输出端与第一逻辑处理单元相连，短路或过流检测单元采集被测IGBT集电极和发射极之间的电压并将采集到的此电压信号送入第一逻辑处理单元，所述电源隔离变换单元分别与输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、第一逻辑处理单元、软关断实现单元、推挽放大输出单元、短路或过流检测单元相连，所述信号输入及状态反馈单元接收来自微机控制器发出的PWM控制信号，PWM控制信号经过光耦隔离单元输入到第一逻辑处理单元，若第一逻辑处理单元没有检测到驱动电源欠压、驱动IGBT发生过流或短路故障时，PWM控制信号经第一逻辑处理单元正常输出到软关断实现单元，软关断实现单元输出信号再通过推挽放大输出单元形成IGBT栅极功率驱动信号；当第一逻辑处理单元检测到驱动电源欠压或驱动IGBT发生过流或短路故障时，第一逻辑处理单元封锁PWM控制信号，软关断实现单元关断IGBT，第一逻辑处理单元将驱动的电源欠压信号或IGBT的过流、短路信号经过光耦隔离单元送入信号输入及状态反馈单元，由信号输入及状态反馈单元反馈给微机控制器。

上述适用于三电平变流器用IGBT驱动电路中，所述信号输入与状态反馈单元包括光纤接收器、第二逻辑处理单元和光纤发送器，第二逻辑处理单元分别与光纤接收器、光纤发送器相连，所述光纤接收器接收来自微机控制器的PWM信号并送入第二逻辑处理单元，第二逻辑处理单元将此控制信号经光耦隔离单元输送到第一逻辑处理单元，当第一逻辑处理单元检测到驱动电源欠压信号或驱动IGBT过流、短路信号时，第一逻辑处理单元将驱动的电源欠压信号或IGBT的过流、短路信号经过光耦隔离单元送入第二逻辑处理单元，由光纤发送器发送给微机控制器。

上述适用于三电平变流器用IGBT驱动电路中，所述短路或过流检测单元包括电压调整电路、比较器和隔离电路，电压调整电路的输入端连接被测IGBT的集电极和发射极，电压调整电路、比较器、隔离电路依次串接，隔离电路的输出端与第一逻辑处理单元相连。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型包括依次连接的信号输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、信号逻辑处理单元、软关断实现单元及推挽放大输出单元，信号输入及状态反馈单元接收来自微机控制器发出的PWM控制信号，PWM控制信号经过光耦隔离单元输入到第一逻辑处理单元，若第一逻辑处理单元没有检测到驱动电源欠压、驱动IGBT发生过流或短路故障时，PWM控制信号经第一逻辑处理单元正常输出到软关断实现单元，每个PWM信号关断时都实现软关断，主动抑制了IGBT关断过电压的产生，减少了IGBT关断应力，降低了开关损耗；当第一逻辑处理单元检测到驱动电源欠压或驱动IGBT发生过流或短路故障时，第一逻辑处理单元封锁PWM控制信号，第一逻辑处理单元将驱动的状态信号经过光耦隔离单元送入信号输入及状态反馈单元，由信号输入及状态反馈单元反馈给微机控制器，进一步确保了IGBT的可靠运行；

2.本实用新型与微机控制器之间通过光纤收发器实现相互通讯，信号传输距离远，能够实现微机控制器与主电路的电气隔离，而驱动上PWM信号、逻辑处理信号在不同的电压间采用多级光耦加以隔离，可以对信号进行隔离滤波，提高了信号的可靠性和抗干扰性；

3本实用新型在每个脉冲关断时都能进行软关断，能主动抑制IGBT关断过电压的产生，减少了IGBT关断应力，降低了IGBT的关断损耗；

4.本实用新型的信号输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、信号逻辑处理单元、软关断实现单元及推挽放大输出单元等均由分立器件组成，具有信号输入输出延迟小、参数易于调整、调试维修方便、成本低、灵活性高。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2为图1中的短路或过流检测单元电路图。

图3为图1中的信号逻辑处理单元电路图。

图4为图1中的软关断实现单元及推挽放大输出单元电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型包括电源隔离变换单元、信号输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、信号逻辑处理单元1、软关断实现单元及推挽放大输出单元，所述信号逻辑处理单元1包括第一逻辑处理单元、电压检测单元和短路或过流检测单元，所述信号输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、第一逻辑处理单元、软关断实现单元及推挽放大输出单元依次串接，所述电压检测单元的输入端与电源隔离变换单元相连，输出端与第一逻辑处理单元相连，电压检测单元检测电源隔离变换单元的电压，并将电压信号送入第一逻辑处理单元，所述短路或过流检测单元的输入端连接被测IGBT的集电极和发射极，其输出端与第一逻辑处理单元相连，短路或过流检测单元采集被测IGBT集电极和发射极之间的电压并将采集到的此电压信号送入第一逻辑处理单元，所述电源隔离变换单元分别与输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、第一逻辑处理单元、软关断实现单元、推挽放大输出单元、短路或过流检测单元相连，所述信号输入及状态反馈单元接收来自微机控制器发出的PWM控制信号，PWM控制信号经过光耦隔离单元输入到第一逻辑处理单元，若第一逻辑处理单元没有检测到驱动电源欠压、驱动IGBT发生过流或短路故障时，PWM控制信号经第一逻辑处理单元正常输出到软关断实现单元，每个PWM信号关断时都实现软关断，输出信号再通过推挽放大输出单元形成IGBT栅极功率驱动信号，即加在IGBT的栅极G和发射极E之间的电压信号；当第一逻辑处理单元检测到驱动电源欠压或驱动IGBT发生过流或短路故障时，第一逻辑处理单元封锁PWM控制信号，软关断实现单元关断IGBT，第一逻辑处理单元将驱动的电源欠压信号或IGBT的过流、短路信号经过光耦隔离单元送入信号输入及状态反馈单元，由信号输入及状态反馈单元反馈给微机控制器。

所述信号输入与状态反馈单元包括光纤接收器、第二逻辑处理单元和光纤发送器，第二逻辑处理单元分别与光纤接收器、光纤发送器相连，所述光纤接收器接收来自微机控制器的PWM信号并送入第二逻辑处理单元，第二逻辑处理单元将此控制信号经光耦隔离单元输送到第一逻辑处理单元，当第一逻辑处理单元检测到驱动电源欠压信号或驱动IGBT过流、短路信号时，第一逻辑处理单元将驱动的电源欠压信号或IGBT的过流、短路信号经过光耦隔离单元送入第二逻辑处理单元，由光纤发送器发送给微机控制器。

所述电压检测单元的主芯片采用MB3771。

如图2所示，是利用检测IGBT导通时的饱和压降Vce实现IGBT过流或短路检测的短路或过流检测单元电路示意图。短路或过流检测单元包括由电压调整器TL431、电阻R25、R26、R27组成的电压调整电路、比较器和隔离电路，电压调整电路的输出端连接比较器的同相输入端，其调整出的电压是实现IGBT过流或短路保护电流值对应的饱和压降Vce(IGBT集电极C和发射极E之间电压)，ZD10是保护+15V电源作用的稳压管；正常情况下当输入驱动脉冲信号为高电平，IGBT正常开通，其开通反馈信号也为高电平，则三极管Q1的基极为低电平，Q1截止，比较器的反相输入端的输入电压由IGBT的导通饱和压降Vce电压加上D10、D11、D12的管压降，当IGBT出现过流或短路时Vce的电平会抬高，当总的电压值达到并超过比较器同相输入端输入的电压阈值，比较器的输出翻转，输出为低电平，光耦OP4导通，把IGBT过流或短路的故障信号Fault传给第一逻辑处理单元，第一逻辑处理单元封锁驱动脉冲，并把错误故障信号通过光纤发送器传递给微机处理器。调整电阻R32和电容C9的参数，可以调节IGBT短路或过流保护的消隐时间；当脉冲信号为低电平或无脉冲信号时，Q1导通，此时不会检测IGBT集电极C和发射极E之间的电压，也就不会有IGBT过流或短路故障信号，Fault1输出高电平。

如图3所示，图中包括两个单稳态多谐振荡器(IC1＿A、IC1＿B)、三个逻辑与门芯片(IC2＿1、IC2＿2、IC2＿3)、一个逻辑或门芯片(IC3＿1)，正常情况下，当驱动电路电源没有欠压或IGBT没有出现过流或短路的信号，脉冲输入为高电平，两个单稳态多谐振荡器不产生脉冲，与之相连的第三电阻R3的电平为低，逻辑与门芯片IC2＿2输出信号PWM1为高电平，逻辑或门芯片IC3＿1的输出信号SF_PWM1为高电平；当脉冲信号为低电平，为IGBT关断信号，逻辑与门芯片IC2＿1输出为低电平，由于单稳态多谐振荡器IC1＿A接收到一个下降沿，单稳态多谐振荡器IC1＿A根据配置的电阻R1、电容C1的值输出一个Δt₁＝R₁C₁的脉冲，单稳态多谐振荡器IC1＿B根据单稳态多谐振荡器IC1＿A输出脉冲的下降沿，输出一个Δt₂＝R₂C₂的脉冲，也即是输出的软关断信号SF_PWM1是一个比PWM1信号(低电平信号)延迟Δt₁时间，时长为Δt₂时间的脉冲信号，经过Δt₁+Δt₂时间，输出再次为低电平，直至下一个开通脉冲的到来。可以从上述分析得出，每一次关断脉冲的到来都会触发软关断逻辑电路，即所谓soft-shut per-pulse软关断逻辑；若驱动电路电源欠压或IGBT出现过流或短路的信号时，则逻辑与门芯片IC2＿1输出为低电平，与脉冲信号为低电平的逻辑一致，此时可认为是针对驱动出现故障时封锁脉冲信号，也会触发上述的软关断逻辑。

如图4所示，当控制脉冲PWM1为高电平，此时软关断信号SF_PWM1为低电平，则第一光耦OP1关断，第二光耦OP2开通，通过光耦内部的推挽输出，第一稳压管ZD1通过第七电阻R7、第十一电阻R11、第一光耦OP1后导通，P型Mosfet管TR1开通，IGBT的栅极G通过P型Mosfet管TR1、开通电阻R8后连接至+15V，故IGBT的栅极G与发射极E之间电压差为+14V，IGBT开通；而第二稳压管ZD2不导通，N型Mosfet管TR2处于关断状态，由于第二光耦OP2的导通,第三稳压管ZD3不导通，N型Mosfet管TR3也处于关断状态；第四稳压管ZD4不导通，第三光耦OP3不导通，第三光耦OP3输出信号为高电平。

当控制PWM1信号变为低电平，软关断信号SF_PWM1是一个比PWM1信号延迟Δt₁时间，时长为Δt₂时间的脉冲信号，则第一光耦OP1开通，通过光耦内部的推挽输出，第一稳压管ZD1关断，第二稳压管ZD2通过第一光耦OP1、第十三电阻R13、第十六电阻R16后导通，N型Mosfet管TR2开通，IGBT的栅极G通过第九电阻R9、第十电阻R10及N型Mosfet管TR2连接至-15V，故IGBT的栅极G与发射极E之间电压差为-14V，IGBT关断；注意在Δt₁时间内第二光耦OP2导通,第三稳压管ZD3导通，N型Mosfet管TR3也处于开通状态，N型Mosfet管TR3把第十电阻R10、Mosfet管TR2短接，故此时IGBT的关断电阻由第九电阻R9决定。经过时间Δt₁，在Δt₂时间内，SF_PWM1的信号变为高电平，第二光耦OP2关断,第三稳压管ZD3截止，N型Mosfet管TR3处于截止状态，此时IGBT的关断电阻为第九电阻R9加上第十电阻R10，关断电阻加大，IGBT关断速度降低，抑制IGBT关断过电压的大小；经过Δt₁+Δt₂时间，软关断信号SF_PWM1恢复为低电平，则第三稳压管ZD3导通，N型Mosfet管TR3导通，IGBT的关断电阻又恢复为第九电阻R9,此时IGBT的极间电荷已经放掉很多，虽然此时关断电阻减小，但不会再次产生很高IGBT关断过电压，以上的过程就是soft-shut per-pulse软关断电路的工作过程。

电路中IGBT的G极与E极之间的电阻R20和D5起到保护IGBT的G、E极的作用，而第四稳压管ZD4，第三光耦OP3及第十九电阻R19的主要作用是确认运行IGBT的开关状态，把状态信号与IGBT其它检测信号一起送入第一逻辑处理单元，再传送给微机控制器，作进一步的处理。

Claims (3)

1.一种适用于三电平变流器用IGBT驱动电路，其特征在于：包括电源隔离变换单元、信号输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、信号逻辑处理单元、软关断实现单元及推挽放大输出单元，所述信号逻辑处理单元包括第一逻辑处理单元、电压检测单元和短路或过流检测单元，所述信号输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、第一逻辑处理单元、软关断实现单元及推挽放大输出单元依次串接，所述电压检测单元的输入端与电源隔离变换单元相连，输出端与第一逻辑处理单元相连，电压检测单元检测电源隔离变换单元的电压，并将电压信号送入第一逻辑处理单元，所述短路或过流检测单元的输入端连接被测IGBT的集电极和发射极，其输出端与第一逻辑处理单元相连，短路或过流检测单元采集被测IGBT集电极和发射极之间的电压并将采集到的此电压信号送入第一逻辑处理单元，所述电源隔离变换单元分别与输入及状态反馈单元、光耦隔离单元、第一逻辑处理单元、软关断实现单元、推挽放大输出单元、短路或过流检测单元相连，所述信号输入及状态反馈单元接收来自微机控制器发出的PWM控制信号，PWM控制信号经过光耦隔离单元输入到第一逻辑处理单元，若第一逻辑处理单元没有检测到驱动电源欠压、驱动IGBT发生过流或短路故障时，PWM控制信号经第一逻辑处理单元正常输出到软关断实现单元，软关断实现单元输出信号再通过推挽放大输出单元形成IGBT栅极功率驱动信号；当第一逻辑处理单元检测到驱动电源欠压或驱动IGBT发生过流或短路故障时，第一逻辑处理单元封锁PWM控制信号，软关断实现单元关断IGBT，第一逻辑处理单元将驱动的电源欠压信号或IGBT的过流、短路信号经过光耦隔离单元送入信号输入及状态反馈单元，由信号输入及状态反馈单元反馈给微机控制器。

2.如权利要求1所述的适用于三电平变流器用IGBT驱动电路，其特征在于：所述信号输入与状态反馈单元包括光纤接收器、第二逻辑处理单元和光纤发送器，第二逻辑处理单元分别与光纤接收器、光纤发送器相连，所述光纤接收器接收来自微机控制器的PWM信号并送入第二逻辑处理单元，第二逻辑处理单元将此控制信号经光耦隔离单元输送到第一逻辑处理单元，当第一逻辑处理单元检测到驱动电源欠压信号或驱动IGBT过流、短路信号时，第一逻辑处理单元将驱动的电源欠压信号或IGBT的过流、短路信号经过光耦隔离单元送入第二逻辑处理单元，由光纤发送器发送给微机控制器。

3.如权利要求1所述的适用于三电平变流器用IGBT驱动电路，其特征在于：所述短路或过流检测单元包括电压调整电路、比较器和隔离电路，电压调整电路的输入端连接被测IGBT的集电极和发射极，电压调整电路、比较器、隔离电路依次串接，隔离电路的输出端与第一逻辑处理单元相连。