CN102931643B - 基于数字控制的igbt驱动保护电路及其保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字控制的IGBT驱动保护电路及其保护方法。保护电路包括数字控制单元、多个故障检测电路和门级放大电路、软关断电路，各个故障检测电路的输出端分别和数字控制单元的各个输入端相连，数字控制单元的还有一个输入端及故障返回信号输出端分别和上位机相连，数字控制单元的控制信号输出端经门级放大电路和IGBT电路的驱动端相连，数字控制单元的软关断信号输出端经软关断电路和IGBT电路的驱动端相连。保护方法为：数字控制单元根据IGBT所处的电平模式、IGBT的工作状态及故障类型判断故障性质，再对***作出最优化的保护。本发明保证保护的高灵敏度，增加抗干扰能力，极大提升整体变流器的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及一种优化保护措施、增加抗干扰能力、提高可靠性的基于数字控制的IGBT驱动保护电路及其保护方法。
背景技术
随着市场对于大功率变换器的需求日益旺盛，如新能源、轨道交通的兴起，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）得到越来越广泛的应用。对于IGBT来说，电流放大增益与抗短路能力存在一个折中，即电流放大能力越强，通态压降VCE越低，IGBT能承受的短路时间tsc越短。由于市场对于变换器效率的要求越来越高，高电流放大倍数，同时意味着较弱抗短路能力的IGBT越来越多的得到应用。同时，各种不同拓扑，比如多电平拓扑的大规模应用，对于IGBT的保护策略，也提出了不同的要求。
在IGBT发生故障的几十甚至几个微秒内，IGBT就有可能毁坏，因此IGBT的驱动保护必须具有非常高的灵敏度；同时，在大功率变流器中，当IGBT开关的瞬间，电压变化率（dv/dt）和电流变化率（di/dt）非常大，由于电路中存在的寄生电容和电感，会产生非常大的噪声干扰，极其容易造成保护电路的误动作，使得***不停的处于跳闸状态。
在传统模拟驱动电路中，通过增加滤波电路来降低干扰，不仅增加了电路的成本，而且当变流器的功率越来越大，干扰越来越强时，所需的滤波电路也越来越大，极大地降低了保护的灵敏度，甚至会使得某些故障得不到有效的保护，从而导致IGBT毁坏。另外，在传统模拟的IGBT驱动保护电路中，当发生故障时，驱动电路都是采取统一的保护策略，而不会根据故障类别的不同分别对待，从而给电路带来一些不良的后果，如额外的开关损耗增加等等。
发明内容
本发明主要解决传统模拟的IGBT驱动保护电路，在发生故障时，驱动电路都是采取统一的保护策略，而不会根据故障类别的不同分别对待，从而给电路带来一些不良后果的技术问题；提供一种基于数字控制的IGBT驱动保护电路及其保护方法，其综合考虑故障类型和故障发生时的IGBT状态，选择最正确的保护动作，采取最优化的保护措施，既保证保护的高灵敏度，也增加了抗干扰能力，极大提升整体变流器的可靠性。
本发明同时解决传统模拟驱动电路通过增加滤波电路来降低干扰，保护灵敏度欠缺，甚至某些故障得不到有效的保护，从而导致IGBT毁坏的技术问题；提供一种基于数字控制的IGBT驱动保护电路及其保护方法，其充分利用数字控制单元灵活的优点，巧妙回避干扰最大时刻，因此无需额外复杂的滤波电路，适用于不同功率等级，扩大了应用范围。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的基于数字控制的IGBT驱动保护电路，包括数字控制单元、多个故障检测电路和门级放大电路、软关断电路，各个故障检测电路的输出端分别和所述的数字控制单元的各个输入端相连，数字控制单元的还有一个输入端和上位机相连，数字控制单元的故障返回信号输出端和所述的上位机相连，数字控制单元的控制信号输出端和所述的门级放大电路的输入端相连，门级放大电路的输出端和IGBT电路的驱动端相连，数字控制单元的软关断信号输出端和软关断电路的输入端相连，软关断电路的输出端和所述的IGBT电路的驱动端相连。上位机发送驱动电路的控制指令信号给数字控制单元，数字控制单元经过内部程序的分析、运算和处理，发出控制信号给门级放大电路，再经门级放大电路的处理控制对IGBT电路的驱动。故障检测电路对大功率变换器的供电电路、IGBT电路和IGBT驱动保护电路进行检测，将检测到的故障信号输送给数字控制单元，数字控制单元首先判断故障的真伪，然后根据电平模式的不同以及故障的类型和故障发生时IGBT电路的工作状态进行分析和判断，然后对***作出最优化的保护。数字控制单元可以采用单片机，也可以是其他数字控制核，如CPLD可编程逻辑电路、DSP数字信号处理电路、FPGA现场可编程门阵列等。本发明通过综合考虑故障类型和故障发生时的IGBT状态，选择最正确的保护动作，采取最优化的保护措施，既保证保护的高灵敏度，也增加了抗干扰能力，极大提升整体变流器的可靠性。
作为优选，所述的数字控制单元上连接有状态显示单元，数字控制单元的状态显示信号输出端和所述的状态显示单元的输入端相连。通过状态显示单元可以显示故障类型、IGBT电路的工作状态及数字控制单元接收和发送的各种信息，便于相关人员监控。状态显示单元可采用液晶显示屏，也可采用LED指示灯或其它方式显示。
作为优选，所述的数字控制单元上连接有电平模式设置按键和阻断时间设置按键。通过电平模式设置按键可以设置为两电平模式还是多电平模式，如果是两电平模式，则数字控制单元进入保护程序；如果是多电平模式，则不进入保护程序，直接将故障信号输出给上位机或由状态显示单元显示，由上位机自动作出处理。通过阻断时间设置按键设置阻断时间，阻断时间是指在故障消除后的一段时间，驱动电路不响应上位机的任何信号，将IGBT电路控制在关断状态。
在两电平模式下，当IGBT发生故障时，IGBT驱动保护电路可以直接关闭该IGBT，而不需要去考虑电路中其他IGBT的工作状态。在多电平变流器中，正常的半导体器件间的换流需要保证了在外部IGBT开通时，内部的IGBT不会被关断，这样才能避免了全部的直流母线电压完全加在单个半导体器件上，因此，当工作于多电平模式下的IGBT发生故障时，IGBT驱动保护电路不能随意关闭该故障IGBT，而是需要将故障信号通知上位机，由上位机统一安排关断时序。本发明中，增加了模式选择口，用户可根据IGBT应用的场合，方便地设置，增加了IGBT驱动保护电路的应用范围。
在IGBT故障消除一段时间内，IGBT驱动保护电路将自行屏蔽上位机的输入信号，将IGBT关闭一段时间，这一时间就是阻断时间，等外部引起故障的因素消失。其意义是在于防止IGBT反复的处于故障-保护-开通-再故障的恶性循环，提高IGBT的使用时间。
本发明的基于数字控制的IGBT驱动保护方法为：所述的故障检测电路将检测到的故障信号输送给所述的数字控制单元，数字控制单元对故障类型及故障发生时所述的IGBT电路的工作状态进行分析和判断，确定是否是真实性故障；如果是真实性故障，则数字控制单元根据IGBT所处的电平模式、IGBT的工作状态及故障类型判断是需要软关断保护的故障还是需要正常关断保护的故障，如果是需要软关断保护的故障，则数字控制单元发出软关断信号给软关断电路，再由软关断电路发出信号给IGBT电路，即对IGBT电路进行软关断保护，如果是需要正常关断保护的故障，则数字控制单元发出信号给门级放大电路，再由门级放大电路发出信号给IGBT电路，即对IGBT电路进行正常关断保护，如果IGBT电路已经处于关断状态，则让IGBT电路维持关闭状态；如果是非真实性故障，则直接屏蔽掉这些故障信号，视为无故障信号。非真实性故障不会对IGBT产生损害，故可以不采取任何保护措施。非真实性故障是指由干扰引起保护电路误动作而产生的伪故障信号。以短路故障为例，由于短路故障只可能发生在IGBT开通时，因此，任何在IGBT关断时产生的短路故障，可确定为干扰信号，可对这个故障信号不作出保护处理，从而提高***抗干扰能力。软关断是针对正常的关断而言的，当实施软关断时，IGBT的关断速度减缓，这样可以降低IGBT两端的电压尖峰，防止迅速关断带来的电压过冲，起到保护IGBT的作用。软关断动作会持续一段时间，这个时间可以通过数字控制单元内部的程序来调整。
作为优选，所述的需要软关断保护的故障为：在所述的IGBT电路开通时发生的直流母线过压故障，在IGBT电路开通时发生的IGBT过温故障，在IGBT电路开通1～5us后发生的短路故障，在IGBT电路开通1～5us后发生的过流故障，在IGBT电路开通1～5us后发生的di/dt电流变化率故障。当IGBT发生短路时，流过IGBT的电流会迅速变大，其电流的变化率为正常情况下的几十到几百倍，通过检测di/dt的大小，可以判断IGBT是否处于短路状态。
作为优选，所述的需要正常关断保护的故障为：在所述的IGBT电路开通时发生的供电电压过压故障和供电电压欠压故障；而对于在IGBT电路关闭时发生的供电电压过压故障、供电电压欠压故障、直流母线过压故障及IGBT过温故障，则数字控制单元通过门级放大电路控制IGBT电路保持关断状态。
作为优选，所述的数字控制单元对在所述的IGBT电路开关瞬间发生的供电电压过压故障、供电电压欠压故障、直流母线过压故障、IGBT过温故障、短路故障、过流故障和di/dt电流变化率故障以及在IGBT电路关闭时和开通1～5us内发生的短路故障、过流故障和di/dt电流变化率故障均判断为非真实性故障，直接屏蔽掉这些故障信号，视为无故障信号。***干扰最大的时候发生在IGBT开关动作的瞬间，由于该瞬间的时间非常短，一般在1～2us，即使在该时刻发生故障，IGBT也可安全度过，因此，在IGBT电路开关瞬间，屏蔽掉任何的故障信号，可极大提高***抗干扰的能力。
本发明的有益效果是：通过数字控制单元能智能地判断故障的真伪，在确定真实性故障后，能根据故障类型和故障发生时IGBT的工作状态，采取最优化的保护策略，既保证保护的高灵敏度，也增加了抗干扰能力，极大提升整体变流器的可靠性。另一方面，巧妙回避了干扰最大的时刻，因此无需额外复杂的滤波电路，适用于不同功率等级，应用范围广。
附图说明
图1是本发明的基于数字控制的IGBT驱动保护电路的一种电路原理框图。
图2是本发明中数字控制单元内的工作软件的一种软件流程图。
图中1.数字控制单元，2.故障检测电路，3.门级放大电路，4.软关断电路，5.上位机，6.IGBT电路，7.状态显示单元，8.电平模式设置按键，9.阻断时间设置按键。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的基于数字控制的IGBT驱动保护电路，如图1所示，包括数字控制单元1、多个故障检测电路2、门级放大电路3、软关断电路4、状态显示单元7和电平模式设置按键8和阻断时间设置按键9。数字控制单元1的一个输入端和上位机5相连，故障检测电路对大功率变换器的供电电路、IGBT电路和IGBT驱动保护电路进行检测，各个故障检测电路2的输出端分别和数字控制单元1的各个输入端相连，数字控制单元1的故障返回信号输出端和上位机5相连，数字控制单元1的控制信号输出端和门级放大电路3的输入端相连，门级放大电路3的输出端和IGBT电路6的驱动端相连，数字控制单元1的软关断信号输出端和软关断电路4的输入端相连，软关断电路4的输出端和IGBT电路6的驱动端相连，数字控制单元1的状态显示信号输出端和状态显示单元7的输入端相连，电平模式设置按键8和阻断时间设置按键9分别和数字控制单元1相连。
上述基于数字控制的IGBT驱动保护电路的保护方法为：故障检测电路2将检测到的故障信号输送给数字控制单元1，数字控制单元1对故障类型及故障发生时IGBT电路6的工作状态进行分析和判断，确定是否是真实性故障；如果是真实性故障，则数字控制单元1根据IGBT所处的电平模式、IGBT的工作状态及故障类型判断是需要软关断保护的故障还是需要正常关断保护的故障，如果是需要软关断保护的故障，则数字控制单元1发出软关断信号给软关断电路4，再由软关断电路4发出信号给IGBT电路6，即对IGBT电路6进行软关断保护，如果是需要正常关断保护的故障，则数字控制单元1发出信号给门级放大电路3，再由门级放大电路3发出信号给IGBT电路6，即对IGBT电路6进行正常关断保护，如果IGBT电路6已经处于关断状态，则让IGBT电路6维持关闭状态；如果是非真实性故障，则直接屏蔽掉这些故障信号，视为无故障信号。非真实性故障不会对IGBT产生损害，故可以不采取任何保护措施。
具体的，需要软关断保护的故障为：在IGBT电路6开通时发生的直流母线过压故障，在IGBT电路6开通时发生的IGBT过温故障，在IGBT电路6开通2us后发生的短路故障，在IGBT电路6开通5 us后发生的过流故障，在IGBT电路6开通2us后发生的di/dt电流变化率故障。
需要正常关断保护的故障为：在IGBT电路6开通时发生的供电电压过压故障和供电电压欠压故障；而对于在IGBT电路6关闭时发生的供电电压过压故障、供电电压欠压故障、直流母线过压故障及IGBT过温故障，则数字控制单元1通过门级放大电路3控制IGBT电路6保持在关断状态。
数字控制单元1对在IGBT电路开关瞬间发生的供电电压过压故障、供电电压欠压故障、直流母线过压故障、IGBT过温故障、短路故障、过流故障和di/dt电流变化率故障以及在IGBT电路6关闭时和开通2us内发生的短路故障、过流故障和di/dt电流变化率故障均判断为非真实性故障，直接屏蔽掉这些故障信号，视为无故障信号，数字控制单元不作任何保护措施。而对于其余的真实性故障，如其它时段产生的供电电路欠压、过压等故障，则对IGBT电路采取普通的关断保护措施。
数字控制单元1内部的工作软件的流程图如图2所示，先判断有无故障，再结合IGBT电路的工作状态及故障类型，判断是否为真实性故障，然后判断IGBT是否处于阻断时间。如果进入阻断时间了，阻断时间计时器清零并开始计时，计时到再复位；如果没有进入阻断时间，则判断是两电平模式还是多电平模式。如果是多电平模式，直接输出故障信号；如果是两电平模式，判断是否需要软关断。如果需要软关断，则输出软关断信号给IGBT电路的驱动端，并且软关断定时器开始计时；如果不需要软关断，则判断故障是否消失。软关断计时到时，也判断故障是否消失。如果故障消失，判断有无阻断时间，如果无阻断时间，则复位；如果有阻断时间，阻断时间计时器清零并开始计时，阻断时间到，则复位。
本发明充分利用了数字控制单元灵活的优点，通过综合故障类型、IGBT的工作状态，创造性的提出了故障保护时机分析方法，与传统的模拟驱动保护电路相比，有如下优势：
1、能智能地判断故障的真伪，极大提高***抗干扰的能力。
2、巧妙地回避了***中干扰最大的时刻，因此其无需额外复杂的滤波电路，适用于不同功率等级，扩大了应用范围。
3、在确定真实性故障后，根据故障的类型，能采取最优化的保护策略，保证***的性能。
Claims (4)
1.一种基于数字控制的IGBT驱动保护电路的保护方法，其特征在于基于数字控制的IGBT驱动保护电路包括数字控制单元（1）、多个故障检测电路（2）和门级放大电路（3）、软关断电路（4），各个故障检测电路（2）的输出端分别和所述的数字控制单元（1）的各个输入端相连，数字控制单元（1）的还有一个输入端和上位机（5）相连，数字控制单元（1）的故障返回信号输出端和所述的上位机（5）相连，数字控制单元（1）的控制信号输出端和所述的门级放大电路（3）的输入端相连，门级放大电路（3）的输出端和IGBT电路（6）的驱动端相连，数字控制单元（1）的软关断信号输出端和软关断电路（4）的输入端相连，软关断电路（4）的输出端和所述的IGBT电路（6）的驱动端相连；基于数字控制的IGBT驱动保护电路的保护方法为：所述的故障检测电路（2）将检测到的故障信号输送给所述的数字控制单元（1），数字控制单元（1）对故障类型及故障发生时所述的IGBT电路（6）的工作状态进行分析和判断，确定是否是真实性故障；如果是真实性故障，则数字控制单元（1）根据IGBT所处的电平模式、IGBT的工作状态及故障类型判断是需要软关断保护的故障还是需要正常关断保护的故障，如果是需要软关断保护的故障，则数字控制单元（1）发出软关断信号给软关断电路（4），再由软关断电路（4）发出信号给IGBT电路（6），即对IGBT电路（6）进行软关断保护，如果是需要正常关断保护的故障，则数字控制单元（1）发出信号给门级放大电路（3），再由门级放大电路（3）发出信号给IGBT电路（6），即对IGBT电路（6）进行正常关断保护，如果IGBT电路（6）已经处于关断状态，则让IGBT电路（6）维持关闭状态；如果是非真实性故障，则直接屏蔽掉这些故障信号，视为无故障信号。
2.根据权利要求1所述的基于数字控制的IGBT驱动保护电路的保护方法，其特征在于所述的需要软关断保护的故障为：在所述的IGBT电路（6）开通时发生的直流母线过压故障，在IGBT电路（6）开通时发生的IGBT过温故障，在IGBT电路（6）开通1～5us后发生的短路故障，在IGBT电路（6）开通1～5 us后发生的过流故障，在IGBT电路（6）开通1～5us后发生的di/dt电流变化率故障。
3.根据权利要求1所述的基于数字控制的IGBT驱动保护电路的保护方法，其特征在于所述的需要正常关断保护的故障为：在所述的IGBT电路（6）开通时发生的供电电压过压故障和供电电压欠压故障；而对于在IGBT电路（6）关闭时发生的供电电压过压故障、供电电压欠压故障、直流母线过压故障及IGBT过温故障，则数字控制单元（1）通过门级放大电路（3）控制IGBT电路（6）保持关断状态。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于数字控制的IGBT驱动保护电路的保护方法，其特征在于所述的数字控制单元（1）对在所述的IGBT电路（6）开关瞬间发生的供电电压过压故障、供电电压欠压故障、直流母线过压故障、IGBT过温故障、短路故障、过流故障和di/dt电流变化率故障以及在IGBT电路（6）关闭时和开通1～5us内发生的短路故障、过流故障和di/dt电流变化率故障均判断为非真实性故障，直接屏蔽掉这些故障信号，视为无故障信号。
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Effective date of registration: 20160407 Address after: Hangzhou City, Zhejiang province 310015 Gongshu District Xiangfu Street Cheung Hing Road No. 100 building No. 2 South Building five layer Patentee after: HANGZHOU FIRSTACK TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Hangzhou City, Zhejiang province 310011 Gongshu District Cheung Hing Road No. 100 three frequency Patentee before: Shi Yimeng |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |