CN103326324B - 一种应用于大功率逆变器中的igbt模块并联保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种IGBT模块的保护电路，包括IGBT模块软关断保护模块和IGBT模块Vce饱和压降检测电路、反馈光耦构成的反馈模块。以及与该保护电路相连接的驱动电路，包括IGBT模块PWM控制信号、光耦构成的驱动隔离模块、三极管推挽构成的驱动放大模块、DC/DC电源模块。用于连接IGBT模块的第一、第二驱动分配电路，以及连接驱动模块、保护电路与分配电路的第一、第二驱动线缆。本发明专利保护电路的特征是对并联的IGBT模块分别进行Vce饱和压降的检测，并实现IGBT模块的软关断保护和故障报警。该保护电路能够有效检测两个或以上并联的IGBT模块中任意一个IGBT模块的直通短路故障，并通过软关断电路实现IGBT模块的安全关断，提高IGBT模块的运行可靠性。

Description

一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路

技术领域

本发明涉及到一种IGBT模块并联的保护电路，尤其是应用于大功率逆变器。

背景技术

现在市场上的大功率逆变器通常采用IGBT模块并联的方式实现扩容，这种并联技术只需要一个驱动器，每个IGBT模块上都有一个驱动分配板，不同IGBT模块与驱动器之间只需要通过线缆连接，这种并联方式具有实现简单、成本低廉的特点，广泛应用于风能变流器、光伏逆变器和变频器等电力电子设备中。

当有两个或两个以上并联的IGBT模块，如说明书附图2所示IGBT模块V11、V12串接，IGBT模块V21、V22串接，IGBT模块V11与IGBT模块V21并联，IGBT模块V12与IGBT模块V22并联。实际应用中会出现电磁干扰、驱动线缆连接不良、器件失效等都可能导致发生桥臂直通短路，即：IGBT模块V11和V12直通或IGBT模块V21和V22直通。假设并联的其中任意二个IGBT模块（例如V11与V12）发生直通短路，而另外的IGBT模块（V21与V22）正常工作，IGBT模块V11之间的C和E端之间的的饱和压降Vce被V21钳位，即使IGBT模块V11与IGBT模块V12已经发生直通故障，通常的驱动电路也检测不出直通故障。

现有的并联IGBT模块驱动方案中，包括瑞士CONCEPT设计的2SD300C17驱动器、德国英飞凌设计的2ED300C17等。其设计的驱动方案如说明书附图3所示，IGBT模块V11和V21的Vce饱和压降检测的线缆（图3中检测线缆是：VCE_SAT）是连接在一起的，这导致驱动器不能有效识别短路故障并进行相关保护，短路过程中IGBT模块电流急剧增加，达到一定数值后（一般4倍额定电流）就会出现退饱和现象。如果保护不及时（一般10us以内）就会导致IGBT模块过热损坏，因此正确识别直通故障十分必要。

当IGBT模块过流出现退饱和现象时，如果迅速关断IGBT模块（电流下降速度过快），就会出现IGBT模块关断时集电极与发射极之间的电压尖峰（简称CE间电压尖峰）超过额定电压，导致IGBT模块的CE电压与电流的工作点超过其安全工作区（RBSOA）而损坏。现有的在驱动分配上的一种解决CE间电压尖峰的方案是有源钳位电路，如说明书附图4所示，即在IGBT关断过程中CE间电压超过设定值后（例如1400V）、通过稳压管Z13和二极管D11（或稳压管Z23和二极管D21）构成的反馈电路使IGBT模块门极电压升高到其门槛电压以上，在使IGBT模块处于短暂导通，从而可以抑制CE间的过电压尖峰，这种方案虽然在短路故障情况下能有效降低IGBT模块的过压风险，但缺点是电路复杂，且如果直流母线工作电压较高时出现有源钳位电路频繁工作，最终导致TVS管过热失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够正确识别并联IGBT模块的直通短路故障，将故障信号反馈给控制器，并通过软关断电路和驱动电路有效地实现IGBT模块的安全关断，提高IGBT模块的可靠性。

本发明的技术方案：一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路，包括：所述的并联保护电路包括用于实现IGBT模块安全关断的软关断模块，所述的软关断模块分别与多个饱和压降检测模块连接，所述的多个饱和压降检测模块分别与反馈光耦模块连接。

所述的并联保护电路包括用于实现IGBT模块安全关断的软关断模块，所述软关断模块分别与用于检测IGBT模块短路故障的第一Vce饱和压降检测模块和用于检测IGBT模块短路故障的第二Vce饱和压降检测模块连接，所述第一Vce饱和压降检测电路和第二Vce饱和压降检测模块还分别与反馈光耦模块连接，以实现逆变器故障停机和相关保护。

本发明的优点：当并联的其中一个IGBT模块因电磁干扰、驱动线缆断线、器件失效等发生直通短路时，IGBT模块电流急剧增加，超过一定数值后就会出现退饱和现象，即Vce饱和压降迅速升高，Vce饱和压降超过设定值后立刻触发第一或第二Vce饱和压降检测电路，通过反馈光耦模块将故障信号反馈给控制器，同时关闭PWM控制信号模块，通过驱动光耦模块关闭推挽放大模块，与放大模块连接的软关断模块实现IGBT模块的安全关断。

附图说明

图1是本发明的IGBT模块并联保护电路的原理图；

图2是IGBT模块发生直通短路的原理图；

图3是现有IGBT模块并联的故障检测电路图；

图4是现有IGBT模块并联的一种有源钳位电路图；

图5是本明的GBT模块并联的保护电路的实施例图。

具体实施方式

一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路，一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路，所述的并联保护电路包括用于实现IGBT模块安全关断的软关断模块5，所述的软关断模块5分别与多个饱和压降检测模块连接，所述的多个饱和压降检测模块分别与反馈光耦模块7连接。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，所述的并联保护电路包括用于实现IGBT模块安全关断的软关断模块5，所述软关断模块5分别与用于检测IGBT模块短路故障的第一Vce饱和压降检测模块6和用于检测IGBT模块短路故障的第二Vce饱和压降检测模块6＇连接，所述第一Vce饱和压降检测电路6和第二Vce饱和压降检测模块6＇还分别与反馈光耦模块7连接，所述反馈光耦模块7用于反馈故障信号给控制器，以实现逆变器故障停机和相关保护。

所述IGBT模块并联保护电路还与驱动电路相连接，共同实现IGBT模块的安全关断，所述驱动电路包括：PWM输入控制信号模块1，用于信号隔离的驱动光耦模块2，用于驱动信号放大的推挽放大模块3以及用于输出隔离电源的DC/DC电源模块4；所述的PWM输入控制信号模块1分别与反馈光耦模块7和驱动光耦模块2连接，所述驱动光耦模块2的另一端与推挽放大模块3连接，所述推挽放大模块3另一端还与软关断模块5连接；推挽放大模块3的另一端通过第一驱动线缆8与第一驱动分配模块9连接，推挽放大模块3的另一端还通过第一驱动线缆8＇与第一驱动分配模块9＇连接；所述第一驱动分配模块9与第一IGBT模块10相连，第二驱动分配模块9＇与第二IGBT模块10＇相连，所述的第一驱动线缆8与第一Vce饱和压降检测模块6连接，第二驱动线缆8＇与第二Vce饱和压降检测模块6＇连接。

所述的PWM输入控制信号模块1包括电阻R7和电容C4组成的滤波电路，电阻R7的一端连接与PWM输入控制信号模块1，电阻R7的另一端连接驱动光耦模块2的二极管阳极，二极管的阴极接地，同时电阻R7的另一端还连接反馈光耦模块7的三极管集电极，PWM输入控制信号模块1经过驱动光耦模块2控制IGBT模块，但出现故障时拉低驱动光耦模块2的输入，从而关闭IGBT模块。

所述驱动隔离模块2的输出端与三极管推挽构成的推挽放大模块3相连接，所述的推挽放大模块3包括电阻R10、NPN三极管Q1和PNP三极管Q2，以及包括与NPN三极管Q1并联的二极管D3，与PNP三极管Q2并联的二极管D2，其中NPN三极管Q1的基极和PNP三极管Q2的基极一起连接至电阻R10的同一端，NPN三极管Q1和PNP三极管Q2的发射极连接在一起作为输出端，NPN三极管Q1的集电极接正电源VCC，PNP三极管Q2的集电极接负电源VEE，其中NPN三极管Q1和PNP三极管Q2推挽三极管的作用是提高驱动电流能力。

所述的并联保护电路还包括DC/DC电源模块4，所述的DC/DC电源模块4由变压器T1，第一整流二极管D4和第二整流二极管D5，第一滤波电容C1和第二滤波电容C2构成，所述的变压器T1分别与第一整流二极管D4、第二整流二极管D5相连，第一整流二极管D4另一端与第一滤波电容C1相连，第二整流二极管D5的另一端与第二滤波电容C2相连；所述的DC/DC电源模块的作用是输出正电源VCC（+15V）和负电源VEE（-10V）。

所述软关断模块5包括有MOS管V2以及与MOS管V2并联的电阻R9，第三滤波电容C3、电阻R2、三极管Q3组成的信号取反电路，电阻R4、电阻R6、电阻R8构成的电压转换电路；所述的MOS管V2控制信号来源于第一Vce饱和压降检测模块6的输出信号；所述的MOS管（V2）开通，则电阻R9被旁路，所述的MOS管V2关断，电阻R9串联至推挽放大模块3的PNP三极管Q2与负电源VEE间，起到增大关断电阻的作用。

所述第一Vce饱和压降检测模块6包括电阻R13、电阻R14和稳压管Z11，所述的第二Vce饱和压降检测模块6＇包括电阻R23、R24和稳压管Z21；所述的电阻R13一端和电阻R23一端同时连接至第一驱动线缆（8）以及第二驱动线缆8＇的驱动信号DRV，电阻R13的另一端连接至第一驱动线缆8的反馈信号VCE_SAT，电阻R23另一端连接至第二驱动线缆8＇反馈信号VCE_SAT；电阻R14一端和电阻R24的一端连接至第二驱动线缆8＇的反馈信号VCE_SAT，电阻R14的另一端连接至稳压管Z11的阴极，电阻R24另一端连接至稳压管Z21的阴极，稳压管Z11的阳极连接至软关断模块5，稳压管Z21的阳极连接至反馈光耦模块7。

所述的第一驱动分配模块9直接安装在第一IGBT模块10上，所述的第二驱动分配模块9＇直接安装在第二IGBT模块10＇上，IGBT并联保护模块通过第一驱动线缆8与第一驱动分配模块9连接，IGBT并联保护模块通过第二驱动线缆8＇与第二驱动分配模块9＇连接。例如第一驱动线缆8和第二驱动线缆8＇采用相同的三个线缆（驱动线缆DRV、线缆AGND和反馈线缆VCE_SAT），采用线缆连接的方式虽然灵活方便、维护简单，但是也存在线缆容易受电磁干扰、线缆插接不良等问题，因此线缆尽可能短。

通常驱动线缆的驱动信号DRV高电平是+15V，低电平是-10V，当驱动信号DRV为高电平时时，***无故障，第一IGBT模块的Vce饱和压降约为0.3V左右，再加上第一驱动分配模块二极管D11的导通压降0.7V，小于第一Vce饱和压降检测模块6的稳压二极管Z11的压降（如10V），则稳压二极管Z11截止，软关断模块5和反馈光耦模块7不工作。同样第二IGBT模块的Vce饱和压降约为0.3V左右，再加上第二驱动分配模块二极管D21的导通压降0.7V，小于第二Vce饱和压降检测模块的稳压二极管Z21的压降（如10V），则稳压二极管Z21截止，软关断模块5和反馈光耦模块7不工作。当驱动信号DRV为高时，其中一个IGBT模块出现直通短路，则IGBT模块电流急剧上升，超过一定数值后就会出现退饱和现象，退饱和过程中IGBT模块的饱和压降会迅速上升至母线电压，则二极管D11（D21）立刻截止，VCE_SAT信号的电压等于DRV信号的电压（DRV高电平是+15V），其值大于稳压二极管Z11（Z21）的压降（例如10V），则稳压二极管Z11（Z21）导通，对软关断模块5的输入电容C3充电，但电容C3上电压大于三极管基极电压（0.7V）时则开通三极管Q3，集电极电压下降至0.3V左右，小于MOS管门槛电源2V左右，因此MOS关断，电阻R9串联至IGBT模块关断电阻中。同时电容C3上电压大于反馈光耦模块7的U2输入二极管压降0.7V时，光耦U2开通，将故障信号FAULT拉低（即关闭PWM信号，同时关闭驱动光耦和放大电路），三极管Q2导通，则驱动回路关闭电阻增大（电阻R9串联至IGBT模块关断电阻中），起到对IGBT模块进行软关断的效果。

凡是本发明的简单变形或等效变换，应认为落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路，其特征在于：所述的并联保护电路包括用于实现IGBT模块安全关断的软关断模块（5），所述的软关断模块（5）分别与多个饱和压降检测模块连接，所述的多个饱和压降检测模块分别与反馈光耦模块（7）连接；所述软关断模块（5）分别与用于检测IGBT模块短路故障的第一Vce饱和压降检测模块（6）和用于检测IGBT模块短路故障的第二Vce饱和压降检测模块（6＇）连接，所述第一Vce饱和压降检测电路（6）和第二Vce饱和压降检测模块（6＇）还分别与反馈光耦模块（7）连接，以实现逆变器故障停机和相关保护；所述IGBT模块并联保护电路还与驱动电路相连接，共同实现IGBT模块的安全关断，所述驱动电路包括：PWM输入控制信号模块（1），用于信号隔离的驱动光耦模块（2），用于驱动信号放大的推挽放大模块（3）以及用于输出隔离电源的DC/DC电源模块（4）；所述的PWM输入控制信号模块（1）分别与反馈光耦模块（7）和驱动光耦模块（2）连接，所述驱动光耦模块（2）的另一端与推挽放大模块（3）连接，所述推挽放大模块（3）另一端还与软关断模块（5）连接；推挽放大模块（3）的另一端通过第一驱动线缆（8）与第一驱动分配模块（9）连接，推挽放大模块（3）的另一端还通过第二驱动线缆（8＇）与第二驱动分配模块（9＇）连接；所述第一驱动分配模块（9）与第一IGBT模块（10）相连，第二驱动分配模块（9＇）与第二IGBT模块（10＇）相连，所述的第一驱动线缆（8）与第一Vce饱和压降检测模块（6）连接，第二驱动线缆（8＇）与第二Vce饱和压降检测模块（6＇）连接。

2.根据权利要求1述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路，其特征在于：所述的PWM输入控制信号模块（1）包括电阻R7和电容（C4）组成的滤波电路，电阻R7的一端连接与PWM输入控制信号模块（1），电阻R7的另一端连接驱动光耦模块（2）的二极管阳极，二极管的阴极接地，同时电阻R7的另一端还连接反馈光耦模块（7）的三极管，PWM输入控制信号模块（1）经过驱动光耦模块（2）控制IGBT模块，但出现故障时拉低驱动光耦模块（2）的输入，从而关闭IGBT模块。

3.根据权利要求2述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路，其特征在于：所述驱动隔离模块（2）的输出端与三极管推挽构成的推挽放大模块（3）相连接，所述的推挽放大模块（3）包括电阻R10、NPN三极管（Q1）和PNP三极管（Q2），以及包括与NPN三极管（Q1）并联的二极管D3，与PNP三极管（Q2）并联的二极管D2，其中NPN三极管（Q1）的基极和PNP三极管（Q2）的基极一起连接至电阻R10的同一端，NPN三极管（Q1）和PNP三极管（Q2）的发射极连接在一起作为输出端，NPN三极管（Q1）的集电极接正电源(VCC)，PNP三极管（Q2）的集电极接负电源（VEE），其中NPN三极管（Q1）和PNP三极管（Q2）推挽三极管的作用是提高驱动电流能力。

4.根据权利要求3述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路，其特征在于：所述的并联保护电路还包括DC/DC电源模块（4），所述的DC/DC电源模块（4）由变压器（T1），第一整流二极管（D4)和第二整流二极管（D5），第一滤波电容（C1）和第二滤波电容（C2）构成，所述的变压器（T1）分别与第一整流二极管（D4）、第二整流二极管（D5）相连，第一整流二极管（D4）另一端与第一滤波电容（C1）相连，第二整流二极管（D5）的另一端与第二滤波电容（C2）相连；所述的DC/DC电源模块的作用是输出正电源（VCC）和负电源（VEE）。

5.根据权利要求4所述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路，其特征在于：所述软关断模块（5）包括有MOS管（V2）以及与MOS管（V2）并联的电阻R9，第三滤波电容（C3）、电阻R2、三极管Q3组成的信号取反电路，电阻R4、电阻R6、电阻R8构成的电压转换电路；所述的MOS管（V2）控制信号来源于第一Vce饱和压降检测模块（6）的输出信号；所述的MOS管（V2）开通，则电阻R9被旁路，所述的MOS管（V2）关断，电阻R9串联至推挽放大模块（3）的PNP三极管（Q2）与负电源（VEE）间，起到增大关断电阻的作用。

6.根据权利要求5所述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路，其特征在于：所述第一Vce饱和压降检测模块（6）包括电阻R13、电阻R14和稳压管Z11，所述的第二Vce饱和压降检测模块（6＇）包括电阻R23、R24和稳压管Z21；所述的电阻R13一端和电阻R23一端同时连接至第一驱动线缆（8）以及第二驱动线缆（8＇）的驱动信号（DRV），电阻R13的另一端连接至第一驱动线缆（8）的反馈信号（VCE_SAT），电阻R23另一端连接至第二驱动线缆（8＇）反馈信号（VCE_SAT）；电阻R14一端和电阻R24的一端连接至第二驱动线缆（8＇）的反馈信号（VCE_SAT），电阻R14的另一端连接至稳压管Z11的阴极，电阻R24另一端连接至稳压管Z21的阴极，稳压管Z11的阳极连接至软关断模块（5），稳压管Z21的阳极连接至反馈光耦模块（7）。

7.根据权利要求6述的一种应用于大功率逆变器中的IGBT模块并联保护电路，其特征在于：所述的第一驱动分配模块（9）直接安装在第一IGBT模块（10）上，所述的第二驱动分配模块（9＇）直接安装在第二IGBT模块（10＇）上，IGBT并联保护模块通过第一驱动线缆（8）与第一驱动分配模块（9）连接，IGBT并联保护模块通过第二驱动线缆（8＇）与第二驱动分配模块（9＇）连接。