CN204462763U - 一种大功率igbt的驱动与保护装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种大功率IGBT的驱动与保护装置，包括FPGA数字控制单元，FPGA数字控制单元通过导线分别连接有开关电源单元、信号隔离单元、FLASH存储单元、状态指示单元、信号采集单元、栅极驱动单元和检测及保护单元；栅极驱动单元和检测及保护单元相互连接；信号隔离单元内设置有光电转换模块，信号隔离单元通过光纤连接有上位计算机。可根据不同的IGBT配置不同的控制算法，可扩展性和适配性好，并减少了模拟器的数量，提高系统的集成度，实现软开关，从而调控开关速度，减小开关损耗、抑制电流尖峰和电压尖峰，可提供全面的保护功能，包括过流、过压、欠压、以及输入信号的处理。

Description

一种大功率IGBT的驱动与保护装置
技术领域
本实用新型属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种大功率IGBT的驱动与保护装置。
背景技术
大功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)在机车牵引、风力发电、太阳能发电等大功率电力电子系统中应用广泛，在此类应用中，IGBT一般工作在高电压、大电流的恶劣环境中，它是否安全运行关系到整个电力系统的运转、甚至关系到生命财产安全。而IGBT驱动与保护电路是功率器件与控制信号之间非常重要的接口电路，是IGBT正常工作的前提和保证。目前，大多数IGBT驱动器都采用无源的模拟电路搭成的，不能根据IGBT的性能和运行状态调节开关速度，而且保护功能不够全面，不能对IGBT运行进行实时检测，并且，现有的驱动器都针对特定的IGBT所设计，通用性比较差，不可扩展。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种大功率IGBT的驱动与保护装置，解决了现有IGBT驱动器不能根据IGBT的实时性能和运行状态调节开关速度的问题。
本实用新型所采用的技术方案是，一种大功率IGBT的驱动与保护装置，包括FPGA数字控制单元，FPGA数字控制单元通过导线分别连接有开关电源单元、信号隔离单元、FLASH存储单元、状态指示单元、信号采集单元、栅极驱动单元和检测及保护单元；栅极驱动单元和检测及保护单元相互连接；信号隔离单元内设置有光电转换模块，信号隔离单元通过光纤连接有上位计算机。
本实用新型的特点还在于，
FPGA数字控制单元内设置有短脉冲抑制模块、输入过频保护模块、正常开关控制模块、故障信号处理模块、状态指示及反馈模块和信息采集及存储模块。
检测及保护单元内设置有欠压检测及保护模块、多级VCE退饱和检测模块、有源箝位模块和多级电流变化率检测模块，有源箝位模块跨接在IGBT的集电极和栅极之间。
信号采集单元包括电压接入点a和电压接入点b、信号衰减模块、A/D转换芯片。
栅极驱动单元采用多级栅电阻结构。
栅极驱动单元中的多级栅电阻结构包括4个N型MOSFET和4个P型MOSFET，每个MOSFET均串联一个栅极电阻，其中N型MOSFET接零电平，P型MOSFET接+15V电平。
开关电源单元为有源箝位反激式DC-DC开关电源。
本实用新型的有益效果是，一种大功率IGBT的驱动与保护装置，通过采用FPGA数字化控制，可根据不同的IGBT配置不同的控制算法，可扩展性和适配性好，并减少了模拟器的数量，提高系统的集成度；
通过栅极驱动采用多等级的栅极电阻，可根据IGBT实时运行状态，调整栅极电阻阻值，实现软开关，从而调控开关速度，减小开关损耗、抑制电流尖峰和电压尖峰；分别对IGBT的过流、过压、欠压等故障进行实时检测，并提供快速、全面的保护；通过对VGE和VCE数据进行采集和存储，在发生故障后可以通过上位计算机调取和分析。
附图说明
图1是本实用新型一种大功率IGBT的驱动与保护装置的结构示意图；
图2是本实用新型一种大功率IGBT的驱动与保护装置中栅极驱动单元的结构示意图。
图中，1.FPGA数字控制单元，2.开关电源单元，3.信号隔离单元，4.FLASH存储单元，5.状态指示单元，6.信号采集单元，7.栅极驱动单元，8.检测及保护单元，9.上位计算机，11.短脉冲抑制模块，12.输入过频保护模块，13.正常开关控制模块，14.故障信号处理模块，15.状态指示及反馈模块，16.信息采集及存储模块，31.光电转换模块，61.A/D转换芯片，62.信号衰减模块，63.电压接入点a，64.电压接入点b，71.N型MOSFET，72.P型MOSFET，73.栅极电阻，81.欠压检测及保护模块，82.多级VCE退饱和检测模块，83.有源箝位模块，84.多级电流变化率检测模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
如图1所示，一种大功率IGBT的驱动与保护装置，包括FPGA数字控制单元1，FPGA数字控制单元1内设置有短脉冲抑制模块11、输入过频保护模块12、正常开关控制模块13、故障信号处理模块14、状态指示及反馈模块15和信息采集及存储模块16。FPGA数字控制单元1通过导线分别连接有开关电源单元2、信号隔离单元3、FLASH存储单元4、状态指示单元5、信号采集单元6、栅极驱动单元7和检测及保护单元8；其中，开关电源单元2为有源箝位反激式DC-DC开关电源；信号采集单元6包括A/D转换芯片61、信号衰减模块62、电压接入点a 63和电压接入点b 64；检测及保护8单元内设置有欠压检测及保护模块81、多级VCE退饱和检测模块82、有源箝位模块83和多级电流变化率检测模块84，有源箝位模块83跨接在IGBT的集电极和栅极之间。栅极驱动单元7和检测及保护单元8之间相互连接；信号隔离单元3内设置有光电转换模块31，信号隔离单元3通过光纤连接有上位计算机9。
如图2所示，栅极驱动单元7采用多级栅电阻结构，包括4个N型MOSFET 71和4个P型MOSFET 72，每个MOSFET均串联一个栅极电阻73，其中N型MOSFET 71接零电平，P型MOSFET 72接+15V电平。
本实用新型的工作原理是，高隔离等级的开关电源单元2提供稳定可靠的隔离电压，上位计算机9通过信号隔离单元3内的光电转换模块31将驱动信号送入，输入的驱动信号首先被送入FPGA数字控制单元1中进行处理，经过短脉冲抑制模块11和输入过频保护模块12后，在确认无故障的情况下由正常开关控制模块13控制栅极驱动单元7，安全可靠地驱动IGBT开通和关断，同时，检测及保护单元8对IGBT的状态进行实时地检测和保护。若发生过流或短路故障，多级VCE退饱和检测模块82和多级电流变化率检测模块84便可快速检测到，若发生欠压故障，欠压检测及保护模块81也可检测到，并将故障信号送入FPGA数字控制单元1的故障信号处理模块14，从而控制IGBT软关断，并且，有源箝位模块83可以抑制关断过程中的VCE过压。信号采集单元6首先通过信号衰减模块62对电压接入点a 63的电压VCE和电压接入点b 64的电压VGE分别进行衰减，再通过A/D转换芯片61将模拟量转换为数字信号，之后送入FPGA数字控制单元1。在IGBT处于正常工作状态下，VGE和VCE的数字量缓存在FPGA数字控制单元1的息采集及存储模块16中，当发生故障时，FPGA数字控制单元1将故障发生前后一段时间内的VGE和VCE信息存入FLASH存储单元4中，可以通过上位计算机9调取FLASH存储单元4中的信息以备分析。此外，IGBT的运行状态通过状态指示单元5可直观显示，故障信号通过状态指示及反馈模块15经光纤传输反馈给上位计算机9。
本实用新型中，栅极驱动单元7采用多级栅电阻结构，该结构改变了传统驱动器固定的单一固定栅极电阻结构，总共由八个MOSFET(4个N型MOSFET 71和4个P型MOSFET 72)作为开关，当要驱动IGBT开通时，分别使SE0、SG4、SG5、SG6导通，使SE1、SG1、SG2、SG3关断，从而在G和E直接就会形成+15V电压；当要驱动IGBT关断时，分别使SE0、SG4、SG5、SG6关断，使SE1、SG1、SG2、SG3导通，从而在G和E直接就会形成-15V电压。其中，MOSFET都由FPGA数字控制单元1所发出的信号经过功率放大之后而控制的。栅极驱动单元7的核心在于，根据IGBT所处不同的开通和关断状态使用不同阻值的栅极电阻，实现软开通和软关断，从而缩短开关时间、减小开关损耗、减小电流尖峰和电压尖峰、抑制EMI(电磁干扰)。
本实用新型中，针对IGBT过流和短路故障，兼用VCE退饱和检测和集电极电流变化率检测两种方案。多级VCE退饱和检测模块由TVS和比较器构成，若VCE电压超过所设的参考电压，比较器翻转；集电极电流变化率检测方法，是通过检测IGBT的功率发射极和辅助反射极之间的电感所感应的电压值，若IGBT发生短路，则所感应的电压值大于参考电压，比较器翻转。两种检测方法兼用，可以对IGBT过流和短路故障做出准确的判断，能实现可靠、迅速的保护。
有源箝位模块由跨接在IGBT集电极和栅极之间的正向二极管和TVS构成，在IGBT关断时VCE会产生瞬间高压，该电路中的TVS反向击穿，向栅极注入电流，从而IGBT栅极电压抬升，有效的抑制了电压尖峰。
信号隔离单元中，信号的隔离采用光纤实现，其中，信号发射和接收分别选用HFBR-1522Z和HFBR-2522Z；
欠压检测及保护模块采用电压监测芯片是LM809。

Claims (7)

1.一种大功率IGBT的驱动与保护装置，其特征在于，包括FPGA数字控制单元(1)，所述FPGA数字控制单元(1)通过导线分别连接有开关电源单元(2)、信号隔离单元(3)、FLASH存储单元(4)、状态指示单元(5)、信号采集单元(6)、栅极驱动单元(7)和检测及保护单元(8)；所述栅极驱动单元(7)和检测及保护单元(8)相互连接；所述信号隔离单元(3)内设置有光电转换模块(31)，信号隔离单元(3)通过光纤连接有上位计算机(9)。
2.根据权利要求1所述的一种大功率IGBT的驱动与保护装置，其特征在于，所述FPGA数字控制单元(1)内设置有短脉冲抑制模块(11)、输入过频保护模块(12)、正常开关控制模块(13)、故障信号处理模块(14)、状态指示及反馈模块(15)和信息采集及存储模块(16)。
3.根据权利要求2所述的一种大功率IGBT的驱动与保护装置，其特征在于，所述检测及保护单元(8)内设置有欠压检测及保护模块(81)、多级VCE退饱和检测模块(82)、有源箝位模块(83)和多级电流变化率检测模块(84)，所述有源箝位模块(83)跨接在IGBT的集电极和栅极之间。
4.根据权利要求3所述的一种大功率IGBT的驱动与保护装置，其特征在于，所述信号采集单元(6)内依次设置有A/D转换芯片(61)、信号衰减模块(62)、电压接入点a(63)和电压接入点b(64)。
5.根据权利要求4所述的一种大功率IGBT的驱动与保护装置，其特征在于，所述栅极驱动单元(7)采用多级栅电阻结构。
6.根据权利要求5所述的一种大功率IGBT的驱动与保护装置，其特征在于，所述栅极驱动单元(7)中的多级栅电阻结构包括4个N型MOSFET(71)和4个P型MOSFET(72)，每个MOSFET均串联一个栅极电阻(73)，其中N型MOSFET(71)接零电平，P型MOSFET(72)接+15V电平。
7.根据权利要求1所述的一种大功率IGBT的驱动与保护装置，其特征在于，所述开关电源单元(2)为有源箝位反激式DC-DC开关电源。
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