適用於多電平變流器的igbt驅動電源及其驅動方法
2024-03-05 18:36:15
專利名稱：適用於多電平變流器的igbt驅動電源及其驅動方法
技術領域：
本發明涉及電氣工程技術領域，尤其涉及一種提高多電平變流器的整體穩定性的適用於多電平變流器的IGBT驅動電源及其驅動方法。
背景技術：
由於多電平變流器具有功率容量大、開關頻率低、輸出諧波小、響應速度快和電磁兼容性好等特點，使得多電平變流器在大功率場合得到越來越廣泛的應用，如兆瓦級別的風力變流器、軌道交通。與雙電平變流器不同，在多電平變流器中，正常的半導體器件間的換流需要保證了在外部IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)開通時，內部的IGBT不會被關斷，這樣才能避免全部的直流母線電壓完全加在單個半導體器件上。由於工作模式的不一樣，傳統的雙電平IGBT驅動電路已經不能適用於三電平工作模式下。當IGBT發生短路故障時，流過IGBT的短路電流隨著門極電壓的升高而升高，而 IGBT能承受短路故障的時間則隨著門極電壓的升高而降低。工作於三電平模式的IGBT，當其發生短路故障時，驅動電路不能立即關斷IGBT，而是需要將故障信號返回到上位機，由上位機統一安排關斷時序，因此，與兩電平工作模式相比，三電平工作模式時，IGBT需要承受更長的短路故障時間，這就意味著，IGBT因短路故障損壞的風險大大增大。
發明內容
本發明主要解決多電平變流器中，IGBT需要承受更長的短路故障時間，IGBT因短路故障損壞的風險大大增大，影響多電平變流器的整體穩定性的技術問題；提供一種適用於多電平變流器的IGBT驅動電源及其驅動方法，其對IGBT的門極電壓進行合理的分段控制，既保證了正常工作時的高效率，又在IGBT發生短路故障時，通過適當降低門極電壓，從而降低IGBT短路時的電流以及IGBT關斷時的電壓尖峰，提高了多電平變流器的整體穩定性和可靠性。本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的本發明的適用於多電平變流器的IGBT驅動電源，包括驅動控制單元、放大電路、門極電壓調整電路和故障檢測電路，所述的驅動控制單元的輸入端和上位機的驅動指令輸出端相連，驅動控制單元的控制信號輸出端和所述的放大電路的輸入端相連，放大電路的輸出端和IGBT的門極相連，驅動控制單元的門極電壓調整信號輸出端經所述的門極電壓調整電路和IGBT的門極相連，故障檢測電路的輸出端和驅動控制單元的故障信號輸入端相連，驅動控制單元的故障反饋信號輸出端和所述的上位機相連。上位機發出驅動指令給驅動控制單元，驅動控制單元發出控制信號給放大電路，再由放大電路驅動IGBT。故障檢測電路的故障源有來自於 IGBT的，如短路、過流和過溫，也有來自於驅動電源本身的，如驅動電源供電欠壓、過壓等。 故障檢測電路檢測IGBT是否發生故障，測得的故障信號輸送給驅動控制單元，再由驅動控制單元發出故障反饋信號給上位機。驅動控制單元發出的門極電壓調整信號控制門極電壓調整電路開始工作或停止工作，通過門極電壓調整電路控制IGBT的門極電壓，從而實現對IGBT的門極電壓進行合理的分段控制，既保證了正常工作時的高效率，又在IGBT發生短路故障時，通過適當降低門極電壓，從而降低IGBT短路時的電流以及IGBT關斷時的電壓尖峰，提高了多電平變流器的整體穩定性和可靠性。作為優選，所述的門極電壓調整電路包括齊納二極體D和電子開關S，電子開關S 的一端和IGBT的發射極相連，電子開關S的另一端和齊納二極體D的正極相連，齊納二極體D的負極和IGBT的門極相連，電子開關S的控制端和所述的驅動控制單元的門極電壓調整信號輸出端相連。電子開關S的斷開或閉合由所述的驅動控制單元發出的門極電壓調整信號控制，電子開關S斷開則門極電壓調整電路不工作，電子開關S閉合則門極電壓調整電路開始工作。可以是一級調節，也可以是多級調節。作為優選，所述的放大電路包括放大器U和電阻R，所述的驅動控制單元的控制信號輸出端和所述的放大器U的輸入端相連，放大器U的輸出端經電阻R和IGBT的門極相連。本發明的適用於多電平變流器的IGBT驅動電源的驅動方法為當IGBT正常工作時，所述的驅動控制單元發出的門極電壓調整信號使所述的門極電壓調整電路不工作，在上位機及驅動控制單元的控制下，IGBT的門極電壓保持正常的幅值；
當IGBT發生短路故障時
1)所述的故障檢測電路將測得的故障信號輸送給所述的驅動控制單元，再由驅動控制單元將故障反饋信號輸送給所述的上位機，同時驅動控制單元輸出的控制信號維持IGBT 處於導通狀態；
2)所述的驅動控制單元輸出門極電壓調整信號給所述的門極電壓調整電路，使得門極電壓調整電路開始工作，將IGBT的門極電壓控制在電壓TL，電壓VZ滿足其中 Vgth為門極閾值電壓，既保證IGBT仍處於導通狀態，又使得流過IGBT的短路電流變低；
3)經過若干時間後，所述的上位機發出驅動指令給驅動控制單元，再由驅動控制單元發出控制信號經放大電路給IGBT的門極，關閉IGBT，同時驅動控制單元發出門極電壓調整信號使門極電壓調整電路不工作。作為優選，所述的門極電壓調整電路包括齊納二極體D和電子開關S，電子開關S 的一端和IGBT的發射極相連，電子開關S的另一端和齊納二極體D的正極相連，齊納二極體D的負極和IGBT的門極相連，電子開關S的控制端和所述的驅動控制單元的門極電壓調整信號輸出端相連；所述的電子開關S的斷開或閉合由所述的驅動控制單元發出的門極電壓調整信號控制，電子開關S斷開則門極電壓調整電路不工作，電子開關S閉合則門極電壓調整電路開始工作。當IGBT發生故障時，驅動控制單元發出的門極電壓調整信號開通電子開關S，通過齊納二極體D將門極電壓鉗位在電壓Vz，電壓VZ滿足其中Vcth為門極閾值電壓，因此，IGBT仍處於導通狀態，但是由於門極電壓降低，因此流過IGBT的短路電流也變低，IGBT耐短路的時間增長。本發明的有益效果是針對多電平變流器特有的多電平工作模式，創造性地對三電平IGBT的門極電壓進行分段控制，既保證了正常工作時的高效率，又在IGBT發生短路故障時，通過適當降低門極電壓，降低了 IGBT短路時的電流以及IGBT關斷時的電壓尖峰，從而提高了多電平變流器的整體穩定性和可靠性。
圖I是本發明的適用於多電平變流器的IGBT驅動電源的一種電路原理框圖。圖2是本發明的適用於多電平變流器的IGBT驅動電源的一種更具體一些的電路原理框圖。圖中I.上位機，2.驅動控制單元，3.放大電路，4.門極電壓調整電路，5.故障檢測電路。
具體實施例方式下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。實施例本實施例的適用於多電平變流器的IGBT驅動電源，如圖I所示，包括驅動控制單元2、放大電路3、門極電壓調整電路4和故障檢測電路5，驅動控制單元2的輸入端和上位機I的驅動指令輸出端相連，驅動控制單元2的控制信號輸出端和放大電路3的輸入端相連，放大電路3的輸出端和IGBT的門極相連，驅動控制單元2的門極電壓調整信號輸出端經門極電壓調整電路4和IGBT的門極相連，故障檢測電路5的輸出端和驅動控制單元2的故障信號輸入端相連，驅動控制單元2的故障反饋信號輸出端和上位機I相連。本實施例中，門極電壓調整電路4包括齊納二極體D和電子開關S，如圖2所示，電子開關S的一端和IGBT的發射極相連，電子開關S的另一端和齊納二極體D的正極相連，齊納二極體 D的負極和IGBT的門極相連，電子開關S的控制端和驅動控制單元2的門極電壓調整信號輸出端相連。放大電路3包括放大器U和電阻R,驅動控制單兀2的控制信號輸出端和放大器U的輸入端相連，放大器U的輸出端經電阻R和IGBT的門極相連。上述適用於多電平變流器的IGBT驅動電源的驅動方法為當IGBT正常工作時， 驅動控制單元2發出的門極電壓調整信號使電子開關S斷開，門極電壓調整電路4不工作， IGBT的門極電壓保持正常的幅值；
當IGBT發生短路故障時
1)故障檢測電路5將測得的故障信號輸送給驅動控制單元2，再由驅動控制單元2將故障反饋信號輸送給上位機1，同時上位機發出正向驅動指令給驅動控制單元2，使驅動控制單元2輸出控制信號維持IGBT處於導通狀態；
2)驅動控制單元2輸出門極電壓調整信號給電子開關S的控制端，使電子開關S閉合， 則門極電壓調整電路4開始工作，通過齊納二極體D將門極電壓鉗位在電壓Vz，電壓VZ滿足VCTH〈Vz〈Vrc，其中Vcth為門極閾值電壓，既保證IGBT仍處於導通狀態，又使得流過IGBT的短路電流變低；
3)經過一段時間後，上位機I發出負向驅動指令給驅動控制單元2，再由驅動控制單元 2發出控制信號經放大器U、電阻R給IGBT的門極，關閉IGBT，同時驅動控制單元2發出門極電壓調整信號使電子開關S斷開，門極電壓調整電路4不工作。IGBT發生短路故障時，IGBT電流快速變大，達到最大值，該值與門極電壓成正比。 當故障檢測電路檢測到IGBT處於短路狀態時，將故障信號送給驅動控制單元，再由驅動控制單元輸出故障反饋信號給上位機；同時，驅動控制單元輸出門極電壓調整信號使電子開關S閉合，將IGBT門極電壓由正常時的15V鉗位到12V。由於門極電壓降低，流過IGBT的電流也相應變低。因為門極電壓依然大於門極閾值電SVera，故而IGBT依然保持導通狀態。 當一段時間後，驅動控制單元接收到上位機的關斷指令，則輸出控制信號關斷IGBT。
本發明對三電平IGBT的門極電壓進行合理分段控制，既保證了正常工作時的高效率，又在IGBT發生短路故障時，通過適當降低門極電壓，降低了 IGBT短路時的電流以及 IGBT關斷時的電壓尖峰，從而提高了多電平變流器的整體穩定性和可靠性。
權利要求
1.一種適用於多電平變流器的IGBT驅動電源，其特徵在於包括驅動控制單元(2)、放大電路(3)、門極電壓調整電路(4)和故障檢測電路(5)，所述的驅動控制單元(2)的輸入端和上位機(I)的驅動指令輸出端相連，驅動控制單元(2)的控制信號輸出端和所述的放大電路(3)的輸入端相連，放大電路(3)的輸出端和IGBT的門極相連，驅動控制單元(2)的門極電壓調整信號輸出端經所述的門極電壓調整電路(4)和IGBT的門極相連，故障檢測電路(5)的輸出端和驅動控制單元(2)的故障信號輸入端相連，驅動控制單元(2)的故障反饋信號輸出端和所述的上位機(I)相連。
2.根據權利要求I所述的適用於多電平變流器的IGBT驅動電源，其特徵在於所述的門極電壓調整電路(4)包括齊納二極體D和電子開關S，電子開關S的一端和IGBT的發射極相連，電子開關S的另一端和齊納二極體D的正極相連，齊納二極體D的負極和IGBT的門極相連，電子開關S的控制端和所述的驅動控制單元(2)的門極電壓調整信號輸出端相連。
3.根據權利要求I或2所述的適用於多電平變流器的IGBT驅動電源，其特徵在於所述的放大電路(3)包括放大器U和電阻R，所述的驅動控制單元(2)的控制信號輸出端和所述的放大器U的輸入端相連，放大器U的輸出端經電阻R和IGBT的門極相連。
4.一種根據權利要求I所述的適用於多電平變流器的絕緣柵雙極型電晶體驅動電源的驅動方法，其特徵在於當IGBT正常工作時，所述的驅動控制單元(2)發出的調整信號使所述的門極電壓調整電路(4)不工作，IGBT的門極電壓保持正常的幅值；當IGBT發生短路故障時1)所述的故障檢測電路(5)將測得的故障信號輸送給所述的驅動控制單元(2)，再由驅動控制單元(2)將故障反饋信號輸送給所述的上位機(1)，同時驅動控制單元(2)輸出的控制信號維持IGBT處於導通狀態；2)所述的驅動控制單元(2)輸出門極電壓調整信號給所述的門極電壓調整電路(4)， 使得門極電壓調整電路(4)開始工作，將IGBT的門極電壓控制在TL ,TL滿足其中Vcth為門極閾值電壓，既保證IGBT仍處於導通狀態，又使得流過IGBT的短路電流變低；3)經過若干時間後，所述的上位機(I)發出驅動指令給驅動控制單元(2)，再由驅動控制單元(2)發出控制信號經放大電路(3)給IGBT的門極，關閉IGBT，同時驅動控制單元(2) 發出門極電壓調整信號使門極電壓調整電路(4)不工作。
5.根據權利要求4所述的適用於多電平變流器的絕緣柵雙極型電晶體驅動電源的驅動方法，其特徵在於所述的門極電壓調整電路(4)包括齊納二極體D和電子開關S，電子開關S的一端和IGBT的發射極相連，電子開關S的另一端和齊納二極體D的正極相連，齊納二極體D的負極和IGBT的門極相連，電子開關S的控制端和所述的驅動控制單元(2)的門極電壓調整信號輸出端相連；所述的電子開關S的斷開或閉合由所述的驅動控制單元(2) 發出的門極電壓調整信號控制，電子開關S斷開則門極電壓調整電路(4)不工作，電子開關 S閉合則門極電壓調整電路(4)開始工作。
全文摘要
本發明涉及一種適用於多電平變流器的IGBT驅動電源及其驅動方法。IGBT驅動電源包括驅動控制單元、放大電路、門極電壓調整電路和故障檢測電路，驅動控制單元的輸入端和上位機的驅動指令輸出端相連，其控制信號輸出端經放大電路和IGBT的門極相連，其門極電壓調整信號輸出端經門極電壓調整電路和IGBT的門極相連，故障檢測電路的輸出端經驅動控制單元和上位機相連。驅動方法為根據IGBT的工作狀態驅動控制單元通過門極電壓調整電路對IGBT的門極電壓進行分段控制。本發明既保證了正常工作時的高效率，又在IGBT發生短路故障時，降低了IGBT短路時的電流以及IGBT關斷時的電壓尖峰，從而提高穩定性和可靠性。
文檔編號H02M1/08GK102594102SQ20121004002
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月22日 優先權日2012年2月22日
發明者施貽蒙 申請人:杭州飛仕得科技有限公司