CN206517381U - 一种i型三电平保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种I型三电平保护电路，包括门极保护电路、有源钳位保护电路、短路保护电路和驱动及软关断保护电路；所述短路保护电路与IGBT的集电极连接并与所述驱动及软关断电路串联，所述门极保护电路串联在所述驱动及软关断电路和IGBT的门极之间，所述有源钳位保护电路设置在IGBT的门极和集电极之间。先通过短路保护电路和门极保护电路实现先关外管后关内管，然后采用软关断保护和有源钳位电路的双重保护功能，使I型三电平的各个IGBT关断时的过电压应力都不会超过IGBT的正常工作范围，从而使I型三电平的各个IGBT和二极管都能正常关断而不会受到损坏。

Description

一种I型三电平保护电路

技术领域

本实用新型涉及保护电路领域，特别涉及一种I型三电平保护电路。

背景技术

随着全球能源的日渐枯竭，需要为全球能源供应创造一个新基础，可再生能源的使用是其中的一个关键问题。太阳能是目前使用较为广泛的一种可再生能源，光伏系统担负着将太阳能转换为电能的重任，而其中的光伏逆变器存在巨大的技术优化潜力。

与传统的常用于光伏逆变器的两电平拓扑结构相比，三电平逆变器以其输出电压更接近正弦波、电压和电流谐波含量少、开关器件电压应力小、开关频率低、开关损耗小等优点受到越来越广泛的关注和应用。

随着三电平技术在光伏领域的应用越来越广泛，光伏逆变器在运行过程中通常会有各种故障。当逆变器发生短路故障时，传统的两电平技术只要检测出故障，关断其中的一个开关管，切断短路回路就可以进行保护。而对于I型拓扑结构的逆变器来说，对关断时序有特定的要求，即需要遵循先关外管，后关内管的原则。现有技术的保护电路中，虽然实现了"先关外管，后关内管"，但却不能确保各个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)在短路大电流、系统杂散电感过大导致的过压情况下能够安全进行关断和得到保护。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中不能确保各个IGBT在短路大电流、系统杂散电感过大导致的过压情况下能够安全进行关断和得到保护的问题，提出一种I型三电平保护电路。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种I型三电平保护电路，包括门极保护电路、有源钳位保护电路、短路保护电路和驱动及软关断保护电路；所述短路保护电路与IGBT的集电极连接并与所述驱动及软关断电路串联，所述门极保护电路串联在所述驱动及软关断电路和IGBT的门极之间，所述有源钳位保护电路设置在IGBT的门极和集电极之间；所述门极保护电路控制IGBT的开通和关断；所述有源钳位保护电路用于抑制IGBT关断时的过电压应力；所述短路保护电路用于在IGBT发生短路时先关闭I型三电平逆变器电路中两端的 IGBT，然后再关闭中间的IGBT；所述驱动及软关断保护电路用于驱动IGBT并实现IGBT的软开通、软关断。

在一些优选的实施方式中，IGBT的门极串联有一个上拉钳位二极管，起抑制门极开通时电压过冲的作用。

在进一步优选的实施方式中，IGBT的门极与发射极之间设有一稳压管，用于在门极出现过冲时限制门极开通、关断的电压。

在更进一步优选的实施方式中，IGBT的门极与发射极之间设有一个电容，用于抑制门极开通、关断时的波形振荡。

在更加进一步优选的实施方式中，IGBT的门极与发射极之间还设有一个电阻，所述电阻与电容并联，用于为所述电容提供放电回路。

在一些优选的实施方式中，所述有源钳位保护电路还包括一个反接在负电压处的钳位二极管，用于在所述有源钳位保护电路不动作时限制有源钳位保护电路末端的电位的浮动幅度。

在一些优选的实施方式中，所述有源钳位保护电路包括第一级有源钳位保护电路和第二级有源钳位保护电路。

在一些优选的实施方式中，所述门极保护电路包括开通电阻、关断电阻、开关二极管，所述开关二极管将开通电阻和关断电阻的导通回路分开。

在一些优选的实施方式中，所述短路保护电路包括短路检测电路、参考电压调节电路和比较器，所述短路检测电路将检测到的IGBT的集电极的实时电压输送到比较器，所述参考电压调节电路用于调节IGBT的集电极的参考电压并将该参考电压输送到比较器，所述比较器将实时电压和参考电压进行比较。

在一些优选的实施方式中，所述驱动及软关断保护电路包括驱动电路、软关断电阻、支撑电容、推挽三极管和钳位二极管；所述推挽三极管和所述钳位二极管桥接，所述支撑电容设置在所述推挽三极管和所述钳位二极管的两个公共端，所述软关断电阻串联在所述驱动电路和位于负电压一端的支撑电容之间；所述驱动电路包括串联在一起的逻辑电路和限流电阻，所述驱动电路为IGBT提供驱动信号。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果有：

先通过短路保护电路和门极保护电路实现“先关外管后关内管”，然后采用软关断保护和有源钳位电路的双重保护功能，使I型三电平的各个IGBT关断时的过电压应力都不会超过IGBT的正常工作范围，从而确保各个IGBT在短路大电流、系统杂散电感过大导致的过压情况下能够安全进行关断和得到保护。

在优选的实施例中，本实用新型还具有如下有益效果：

进一步地，通过在IGBT的门极串联有一个上拉钳位二极管，在门极电压超过开通电压时，能够打开上拉钳位二极管，使门极电压不会超过开通电压，进而保护IGBT。

进一步地，IGBT的门极与发射极之间设有一稳压管，使得门极电压出现正负过冲时的开通、关断电压都在控制范围内。

进一步地，在IGBT的门极与发射极之间设有一个电容，可以在一定程度上抑制门极开通关断时的波形振荡；在IGBT的门极与发射极之间还设有一个电阻，让IGBT关断的时候可以为电容提供放电回路。

进一步地，有源钳位保护电路还包括一个反接在负电压处的钳位二极管，以确保在有源钳位电路在不动作的时候，其末端的电位不会浮动得太厉害。

进一步地，有源钳位保护电路包括第一级有源钳位保护电路和第二级有源钳位保护电路，可反复钳制住IGBT的集电极的电压，以防止IGBT的集电极的电位过高。

附图说明

图1为本实用新型的实施方式提供的一种I型三电平保护电路的第一实施例的原理图；

图2为本实用新型的实施方式提供的一种I型三电平保护电路的第一实施例的结构示意图；

图3为本实用新型的实施方式提供的一种I型三电平保护电路的一种实施例的门极保护电路的结构示意图；

图4为本实用新型实施方式提供的一种I型三电平保护电路的一种实施例的有源钳位保护电路的结构示意图；

图5为本实用新型实施方式提供的一种I型三电平保护电路的一种实施例的短路保护电路的结构示意图；

图6为本实用新型实施方式提供的一种I型三电平保护电路的一种实施例的短路检测电路的结构示意图；

图7为本实用新型实施方式提供的一种I型三电平保护电路的一种实施例的RC参考曲线图；

图8为本实用新型实施方式提供的一种I型三电平保护电路的一种实施例的驱动及软关断保护电路的结构示意图；

图9为本实用新型的实施方式提供的一种I型三电平保护电路的第二 实施例的结构示意图；

图10为本实用新型的实施方式提供的一种I型三电平保护电路的第三实施例的结构示意图；

图11为本实用新型的实施方式提供的一种I型三电平保护电路的第三实施例的结构示意图；

图12为本实用新型的实施方式提供的一种I型三电平保护电路的第三实施例的结构示意图；

图13为本实用新型的实施方式提供的一种I型三电平保护电路的第四实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

第一实施例

图1为本实用新型的实施方式提供的一种I型三电平保护电路的第一实施例的原理图，图2为本实用新型的实施方式提供的一种I型三电平保护电路的第一实施例的结构示意图，附图中的x表示I型三电平保护电路中的第x个IGBT的下标。

如图1和2所示，在I型三电平保护电路中，每个IGBT的保护电路都包括门极保护电路1、有源钳位保护电路2、短路保护电路3和驱动及软关断保护电路4。如图2所示，短路保护电路3与IGBT的集电极连接并与驱动及软关断电路4串联，门极保护电路1串联在驱动及软关断电路4和IGBT的门极之间，有源钳位保护电路2设置在IGBT的门极和集电极之间。其中，Ex表示连接门极保护电路1、驱动及软关断电路4和短路保护电路3的端点，VISOx+、VISOx-分别表示IGBT门极的正常工作电压的正电压端和负电压端，SENSEx表示连接有源钳位保护电路2和驱动及软关断电路4的推挽端。

如图2所示，在I型三电平保护电路中，当IGBT发生单管短路、直通短路或桥臂短路时，短路保护电路3能够检测出短路故障，并在短时间向驱动及软关断电路4发出故障信号SOx,驱动及软关断电路4会封锁掉IGBT的门极的前一级驱动信号并控制门极保护电路1实现对IGBT的关断，当前的驱动信号在驱动及软关断电路4中慢慢放电，以减缓IGBT的关断速度。IGBT在开通、关断的时候产生的尖峰电压非常高，非常容易 损坏。由于有源钳位保护电路2的存在，能够抑制IGBT关断时的尖峰电压，使IGBT的集电极和发射极不会因过压损坏。

在其它实施例中，如图3，门极保护电路1包括开通电阻Rgon x1、Rgon x2，关断电阻Rgoff x1、Rgoff x2，开关二极管Don x和Doff x；开关二极管Don x和Doff x分别控制开通电阻Rgon x1、Rgon x2和关断电阻Rgoff x1、Rgoff x2的导通回路。控制IGBT开通时，驱动信号流入开关二极管Don x后再通过开通电阻Rgon x1、Rgon x2流入IGBT的门极。IGBT关断时，电流流入开关二极管Doff x后再通过关断电阻Rgoff x1、Rgoff x2。

在其它实施例中，如图4，有源钳位保护电路2包括第一级有源钳位保护电路201和第二级有源钳位保护电路202。第一级有源钳位保护电路201包括3个串联在IGBT的集电极的TVS(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR，瞬变电压抑制二极管)管TVSx1、TVSx2、TVSx3以及串联在IGBT的门极的钳位二极管Ds x1、电阻RxI1。第二级有源钳位保护电路202包括一个串联在第一级有源钳位保护电路201的末端和驱动及软关断保护电路之间的电阻RxI2。当IGBT集电极电位过高并超过有源钳位保护电路的保护阈值时，TVS管TVSx1、TVSx2、TVSx3会被击穿，会有电流I1先流进IGBT的门极，门极的电位得到一定程度的抬升，从而使关断电流不会过于陡峭。如果击穿TVS管的电流较大，还有一部分电流I2会流进驱动及软关断保护电路4，将I2进一步放大，使门极电位抬升的程度更大一些，使关断电流更小，IGBT的集电极电位更低。由于这两级有源钳位的存在，可反复钳制住集电极的电压，进而保证IGBT不会损坏。

在其它实施例中，如图5，短路保护电路3包括短路检测电路310、参考电压调节电路320和比较器330。短路检测电路310与参考电压调节电路320串联在IGBT的集电极上。短路检测电路310将检测到的IGBT的集电极的实时电压V_cesatx输送到比较器330，参考电压调节电路用于调节IGBT的集电极的参考电压V_ref并将该参考电压V_refx输送到比较器330，比较器330将实时电压V_cesat和参考电压V_ref进行比较。如果实时电压V_cesatx高于参考电压V_ref，比较器330发出故障信号SO _x至驱动及软关断电路4。

在进一步的实施例中，如图6，短路检测电路310包括串联在一起的两个高压二极管Dh1x和Dh2x、电阻Rcx、电容CCx，参考电压调节电路320包括并联在一起的电阻Rx和电容Cx。电阻Rx调节参考电压V_ref，根据图7的RC参考曲线，通过调节电阻Rx和电容Cx可改变参考时间t_ref， 参考下表，从而实现IGBT在10uS内关断，IGBT不会因短路的进一步发生而损坏。对于I型三电平这种拓扑结构而言，在系统中发生各种类型的短路故障时，一定会有外管参与其中的。通过调节电阻Rx和电容Cx改变参考时间t_ref，外管的短路检测及保护时间要比内管的要短一些。这样，在发生短路时，总能先检测出外管的短路故障信号SOx，并对外管进行软关断。外管关断一段时间后，短路电流会降低很多，此时检测出内管的故障信号SOx，并对内管进行软关断之后，电压尖峰就会非常小。通过这种低成本的精简电路，很好地实现了短路故障时I型三电平这种拓扑结构“先关外管，再关内管”的原则，确保了各个IGBT的安全关断。

参考电压Vref

RX阻值

CX＝0pF

CX＝100pF

CX＝220pF

CX＝470pF

CX＝1nF

2V

RX＝2kΩ

0.5μs

1.5μs

3μs

5μs

7μs

4V

RX＝5.4kΩ

1μs

3μs

4μs

9μs

6V

RX＝12kΩ

1μs

4μs

6μs

8V

RX＝32kΩ

1μs

5μs

7μs

9V

RX＝70kΩ

1μs

5μs

7μs

在其它实施例中，如图8，驱动及软关断保护电路4包括驱动电路410、软关断电阻Rssdx、两个支撑电容Ce1x、Ce2x、推挽三极管420和钳位二极管430。推挽三极管420和钳位二极管430桥接，两个支撑电容Ce1x、Ce2x分别连接到推挽三极管420和钳位二极管430的两个公共端P1x、P2x，软关断电阻Rssdx串联在所驱动电路410和位于负电压VISOx-一端的支撑电容Ce2x之间。驱动电路410包括串联在一起的逻辑电路411和限流电阻Rmix，驱动电路410为IGBT提供驱动信号。当逻辑电路411接收到故障SO x时，门极驱动前一级的驱动信号会被封锁，此时门极驱动信号会通过软关断电阻Rssdx慢慢放电，减缓IGBT的关断速度，从而减小IGBT关断时的尖峰电压，进一步保证IGBT的关断在安全范围内。

根据上述内容可知，本申请中的I型三电平保护电路，在IGBT发生发生短路故障时，可迅速实现对IGBT的软关断并确保各个IGBT关断时的过电压应力都不会超过IGBT的正常工作范围。

第二实施例

如图9，在一些实施例的基础之上，在IGBT的门极串联有一个上拉钳位二极管Dtx。当门极电压超过开通电压VISOx+时，二极管Dtx能够打 开，这样门极电压就不会超过VISOx+，从而保护IGBT。

第三实施例

如图10，在一些实施例的基础之上，在IGBT的门极与发射极之间设置一个稳压管ZDx。当门极电压出现正负过冲时，稳压管ZD x都会起作用，使门极开通、关断的电压都控制在正常工作范围内。

在进一步的实施例中，如图11，IGBT的门极与发射极之间设有一个电容Cgex。这样，通过电容Cgex可以抑制门极开通关断时的波形振荡。

在更进一步的实施例中，如图12，IGBT的门极与发射极之间还设有一个电阻Rgex，与电容Cgex并联。在IGBT关断的时候，电容Cgex会出现米勒效应，电阻Rgex的存在就为米勒电容Cgex提供了放电回路。

第四实施例

如图13，在一些实施例的基础之上，在有源钳位保护电路2中加入一个反接在负电压端VISOx-处的钳位二极管Dsx2，这样可以确保在有源钳位保护电路2不动作的时候，有源钳位保护电路2末端A的电位浮动的时候能够限制在负电压端。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种I型三电平保护电路，其特征在于，包括门极保护电路、有源钳位保护电路、短路保护电路和驱动及软关断保护电路；所述短路保护电路与IGBT的集电极连接并与所述驱动及软关断电路串联，所述门极保护电路串联在所述驱动及软关断电路和IGBT的门极之间，所述有源钳位保护电路设置在IGBT的门极和集电极之间；所述门极保护电路控制IGBT的开通和关断；所述有源钳位保护电路用于抑制IGBT关断时的过电压应力；所述短路保护电路用于在IGBT发生短路时先关闭I型三电平逆变器电路中两端的IGBT，然后再关闭中间的IGBT；所述驱动及软关断保护电路用于驱动IGBT并实现IGBT的软开通、软关断。

2.根据权利要求1所述的I型三电平保护电路，其特征在于IGBT的门极串联有一个上拉钳位二极管，起抑制门极开通时电压过冲的作用。

3.根据权利要求1或2所述的I型三电平保护电路，其特征在于IGBT的门极与发射极之间设有一个稳压管，用于在门极出现过冲时限制门极开通、关断时的电压。

4.根据权利要求3所述的I型三电平保护电路，其特征在于,IGBT的门极与发射极之间设有一个电容，用于抑制IGBT的门极开通、关断时的波形振荡。

5.根据权利要求4所述的I型三电平保护电路，其特征在于,IGBT的门极与发射极之间还设有一个电阻，所述电阻与所述电容并联，用于为所述电容提供放电回路。

6.根据权利要求1所述的I型三电平保护电路，其特征在于,所述有源钳位保护电路还包括一个反接在负电压处的钳位二极管，用于在所述有源钳位保护电路不动作时限制有源钳位保护电路末端的电位的浮动幅度。

7.根据权利要求1所述的I型三电平保护电路，其特征在于，所述有源钳位保护电路包括第一级有源钳位保护电路和第二级有源钳位保护电路。

8.根据权利要求1所述的I型三电平保护电路，其特征在于，所述门极保护电路包括开通电阻、关断电阻、开关二极管，所述开关二极管将开通电阻和关断电阻的导通回路分开。

9.根据权利要求1所述的I型三电平保护电路，其特征在于，所述短 路保护电路包括短路检测电路、参考电压调节电路和比较器，所述短路检测电路将检测到的IGBT的集电极的实时电压输送到比较器，所述参考电压调节电路用于调节IGBT的集电极的参考电压并将该参考电压输送到比较器，所述比较器将实时电压和参考电压进行比较。

10.根据权利要求1、2、5-9任一项所述的I型三电平保护电路，其特征在于，所述驱动及软关断保护电路包括驱动电路、软关断电阻、支撑电容、推挽三极管和钳位二极管；所述推挽三极管和所述钳位二极管桥接，所述支撑电容设置在所述推挽三极管和所述钳位二极管的两个公共端，所述软关断电阻串联在所述驱动电路和位于负电压一端的支撑电容之间；所述驱动电路包括串联在一起的逻辑电路和限流电阻，所述驱动电路为IGBT提供驱动信号。