CN110635670A - 一种风电变流器的igbt驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电变流器的IGBT驱动电路，包括原边电路、隔离电路和副边电路，原边电路包括死区电路、互锁电路、保护电路、15V电源输入滤波电路和DC/DC电路，隔离电路包括变压器隔离电路和光耦隔离电路，副边电路包括±15V驱动电源、驱动电路和Vce‑sat检测电路，本发明能够有效保护IGBT模块，并且该发明原边电路集成了死区电路、互锁电路和保护电路，可以提高抗干扰能力，提高驱动电路可靠性。

Description

一种风电变流器的IGBT驱动电路

技术领域

本发明涉及驱动电路技术领域，具体是一种风电变流器的IGBT驱动电路。

背景技术

风电变流器***电压690V，一般采用1700V的IGBT模块，大功率IGBT模块开关速度快，产生很高的di/dt和du/dt，带来EMC电磁干扰问题，影响变流器的可靠运行，甚至损坏IGBT模块，为了提高抗干扰能力，有以下两种解决方案：

1）、采用光纤传递控制信号，控制电路弱信号与IGBT模块的强信号实现电气完全隔离，抗干扰能力强，可靠性高，但是光纤成本昂贵；

2）、通常采用专用的驱动器和驱动芯片，例如风电专用驱动器2SD300，采用专业的调制与解调芯片，通过脉冲变压器传递驱动信号，抗干扰能力强，可靠性高，大量应用于风电变流器领域。

以上两种方案虽然解决了风电变流器EMC抗干扰问题，但是成本相对较高，较为经济的解决方案是采用光耦来实现电气隔离，但是光耦的原边一般采用低压电路（15V或者5V），容易受干扰。

另外，大功率IGBT模块在运行过程中产生高的di/dt和du/dt，会导致IGBT模块上下管门极误触发，导致IGBT模块上下管直通，产生短路电流，如果不及时保护就会导致IGBT模块损坏，严重影响变流器正常运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风电变流器的IGBT驱动电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种风电变流器的IGBT驱动电路，包括原边电路、隔离电路和副边电路，所述原边电路包括死区电路、互锁电路、保护电路、15V电源输入滤波电路和DC/DC电路，所述隔离电路包括变压器隔离电路和光耦隔离电路，所述副边电路包括±15V驱动电源、驱动电路和Vce-sat检测电路，Vce-sat检测电路分别连接IGBT模块、驱动电路和光耦隔离电路，光耦隔离电路还连接死区电路、互锁电路和保护电路，驱动电路还分别连接光耦隔离电路和IGBT模块，Vce-sat检测电路检测到IGBT模块发生短路故障或过流故障时，通过光耦隔离电路传递故障信号给原边电路，原边电路同时封锁IGBT模块上下管驱动信号，并通过光耦隔离电路和驱动电路关断IGBT模块。

作为本发明的进一步方案：所述IGBT模块分为上下两路。

作为本发明的进一步方案：所述死区电路、互锁电路、保护电路均分为上下两路。

作为本发明的进一步方案：所述光耦隔离电路分为上下两路。

作为本发明的进一步方案：所述驱动电路分为上下两路。

作为本发明的进一步方案：所述光耦隔离电路包括反馈光耦和驱动光耦。

作为本发明的进一步方案：所述变压器隔离电路采用高频隔离变压器，其副边有两个独立的绕组，输出两路隔离电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够有效保护IGBT模块，并且该发明原边电路集成了死区电路、互锁电路和保护电路，可以提高抗干扰能力，提高驱动电路可靠性。

附图说明

图1为本发明涉及的风电变流器驱动电路示意图。

图2为本发明涉及的风电变流器的具体驱动电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，实施例1：本发明实施例中，一种风电变流器的IGBT驱动电路，包括原边电路、隔离电路和副边电路，原边电路包括死区电路、互锁电路、保护电路、15V电源输入滤波电路和DC/DC电路，隔离电路包括变压器隔离电路和光耦隔离电路，副边电路包括±15V驱动电源、驱动电路和Vce-sat检测电路。

原边电路包括上下管的死区电路、互锁电路和保护电路；

死区电路的作用是：实现上下管驱动信号有一定的时间间隔Td，例如上管驱动信号关闭后，需要等待Td延时后才能开通下管驱动信号；

互锁电路的作用是：上下管驱动信号不能同时为有效，避免产生上下管驱动直通信号；

保护电路的作用是：当副边出现故障信号是，保护电路能够同时关闭上下管驱动信号。

15V电源输入滤波电路的作用是：对输入15V电源进行滤波，维持15V电源的稳定并且降低EMC干扰。

DC/DC电路的作用是：15V电源高频脉宽调制DC/DC。

隔离电路包括：驱动光耦、反馈光耦和隔离变压器。

驱动光耦的作用是：传递原边驱动信号给副边电路，电气隔离原边低压侧和副边高压侧。

反馈光耦的作用是：传递副边故障信号给原边电路，电气隔离原边低压侧和副边高压侧。

隔离变压器的作用是：输出上下管驱动电源，电气隔离原边低压侧和副边高压侧。

副边电路包括：±15V电源、驱动电路、Vce-sat检测电路。

±15V电源的作用是：输出IGBT模块所推荐的驱动电源。

驱动电路的作用是：副边驱动信号放大，推挽输出。

Vce-sat检测电路的作用是：检测IGBT模块退饱和或过流信号，故障信号反馈给原边。

Vce-sat检测电路分别连接IGBT模块、驱动电路和光耦隔离电路，光耦隔离电路还连接死区电路、互锁电路和保护电路，驱动电路还分别连接光耦隔离电路和IGBT模块，Vce-sat检测电路检测到IGBT模块发生短路故障或过流故障时，通过光耦隔离电路传递故障信号给原边电路，原边电路同时封锁IGBT模块上下管驱动信号，并通过光耦隔离电路和驱动电路关断IGBT模块。

实施例2：在实施例1的基础上，本发明的一种实施例电路如图2所示，

其中，15V电源输入滤波电路由L1和C1构成的滤波器，其作用主要是：对输入15V电源进行滤波，并且降低开关噪声和电磁干扰。

DC/DC电路由Q1,Q2,T1构成推挽电路，并且Q1和Q2由晶体管构成，T1为高频隔离变压器，其副边有两个独立的绕组，输出两路隔离电源：

其中上管隔离电源包括:

D7与C4构成二极管整流电路，输出-15V_SH电源；

D8与C5构成二极管整流电路，输出+15V_SH电源；

其中下管隔离电源包括:

D9与C6构成二极管整流电路，输出-15V_SL电源；

D11与C7构成二极管整流电路，输出+15V_SL电源；

上管死区电路和互锁电路由V1,V2,R2,C2,D2组成，下管死区电路和互锁电路由V3,V4,R3,C3,D3组成，保护电路包括D5,V5,D6,V6构成。

PWM_H信号为上管输入信号，PWM_L信号为下管输入信号；

当PWM_L信号为高电平时，C2通过D2快速放电，PWM_L信号为低电平时，C2通过R2充电，R2,C2构成死区延时Td。

当PWM_H信号为高电平时，C3通过D3快速放电，PWM_L信号为低电平时，C3通过R3充电，R3,C3构成死区延时Td。

其中V1输入采用CMOS施密特与非门，可以提高输入信号门槛电压，提高信号抗干扰能力。

上管驱动电路由R11,Q3,Q4,R8构成推挽放大电路，对光耦输出信号U2_OUT信号进行放大,上管驱动信号DRV_H直接连接IGBT模块上管门极HG，满足IGBT模块对于驱动峰值电流的需求。

下管驱动电路由R17,Q5,Q6,R18构成推挽放大电路，对光耦输出信号U4_OUT信号进行放大，下管驱动信号DRV_L直接连接IGBT模块下管门极LG，满足IGBT模块对于驱动峰值电流的需求。

上管Vce-sat检测电路由R9,D11,R10构成Vce-sat采样电路:

当驱动信号DRV_H为高电平（15V）时，通过电阻和IGBT模块导通压降Vce-sat的分压原理：V_{DRV_H}=R10/(R9+R10) ．（15V-V_D11-Vce），采样信号VCE_H，R13和R14构成分压电路(通过R13和R14设定保护值) V_{COMP_H}= R14/(R13+R14) ．15V，比较信号COMP_H，通过VCE_H与COMP_H的比较实现Vce饱和压降的检测，并输出故障信号FAULT_H：当VCE_H小于COMP_H，FAULT_H为高电平，正常状态；当VCE_H大于COMP_H，FAULT_H为低电平，报故障状态;

当驱动信号DRV_L为低电平（-15V）时，通过电阻和IGBT模块导通压降Vce-sat的分压原理： V_{DRV_H}=R16/(R15+R16) ．（-15V-V_D11-Vce）＜OV，不检测故障，Vce-sat检测被禁止，该状态下不检测Vce，原因是IGBT封锁状态Vce电压为关断电压;

下管Vce-sat检测电路由R15,D12,R16构成Vce-sat采样电路:

当驱动信号DRV_L为高电平（15V）时，通过电阻和IGBT模块导通压降Vce-sat的分压原理：V_{DRV_H}=R16/(R15+R16) ．（15V-V_D12-Vce），采样信号VCE_H，R6和R7构成分压电路(通过R6和R7设定保护值) V_{COMP_H}= R7/(R7+R6) ．15V，比较信号COMP_H，通过VCE_H与COMP_H的比较实现Vce饱和压降的检测，并输出故障信号FAULT_H：当VCE_H小于COMP_H，FAULT_H为高电平，正常状态；当VCE_H大于COMP_H，FAULT_H为低电平，报故障状态;

当驱动信号DRV_H为低电平（-15V）时，通过电阻和IGBT模块导通压降Vce-sat的分压原理：V_{DRV_H}=R10/(R9+R10) ．（-15V-V_D11-Vce）＜OV，不检测故障，Vce-sat检测被禁止，该状态下不检测Vce，原因是IGBT封锁状态Vce电压为关断电压;

当FAULT_H为低电平时,光耦U1_OUT输出高电平，经过D5和V5后故障信号FAULT_P为低电平，对驱动信号进行封锁。

下管Vce-sat检测电路由R15,D12,R16构成Vce-sat采样电路，采样信号VCE_L，R13和R14构成分压电路(通过R13和R14设定保护值)，比较信号COMP_L，通过VCE_L与COMP_L的比较实现Vce-sat的检测，并输出故障信号FAULT_L，当FAULT_L为低电平时，光耦U3_OUT输出高电平，经过D6和V6后故障信号FAULT_P为低电平，对驱动信号进行封锁。

上管信号的逻辑关系是：

其中V1_OUT是V1与非门的输出信号，U2_OUT是光耦U2的输出信号（上图对应U2的7脚）

死区逻辑说明：当模态2过渡到模态3时，中间至少要延时Td

互锁逻辑说明：当PWM_H和PWM_L同时为高电平时， U2输出信号为低电平，即避免了因EMC电磁干扰等因素导致IGBT模块上下管直通短路的情况，提高了原边电路的抗干扰能力，有效地保护了IGBT模块。

故障状态时，PWM_H和PWM_L是任意电平，驱动输出信号DRV_H为低电平，及时关断IGBT模块；

下管信号的逻辑关系是：

其中V3_OUT是V3与非门的输出信号，U4_OUT是光耦U4的输出信号（上图对应U4的7脚）

死区逻辑说明：当模态2过渡到模态3时，中间至少要延时Td

互锁逻辑说明：当PWM_H和PWM_L同时为高电平时， U4输出信号为低电平，即避免了因EMC电磁干扰等因素导致IGBT模块上下管直通短路的情况，提高了原边电路的抗干扰能力，有效地保护了IGBT模块。

故障状态时，PWM_H和PWM_L是任意电平，驱动输出信号DRV_L为低电平，及时关断IGBT模块。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种风电变流器的IGBT驱动电路，包括原边电路、隔离电路和副边电路，其特征在于，所述原边电路包括死区电路、互锁电路、保护电路、15V电源输入滤波电路和DC/DC电路，所述隔离电路包括变压器隔离电路和光耦隔离电路，所述副边电路包括±15V驱动电源、驱动电路和Vce-sat检测电路，Vce-sat检测电路分别连接IGBT模块、驱动电路和光耦隔离电路，光耦隔离电路还连接死区电路、互锁电路和保护电路，驱动电路还分别连接光耦隔离电路和IGBT模块，Vce-sat检测电路检测到IGBT模块发生短路故障或过流故障时，通过光耦隔离电路传递故障信号给原边电路，原边电路同时封锁IGBT模块上下管驱动信号，并通过光耦隔离电路和驱动电路关断IGBT模块。

2.根据权利要求1所述的一种风电变流器的IGBT驱动电路，其特征在于，所述IGBT模块分为上下两路。

3.根据权利要求2所述的一种风电变流器的IGBT驱动电路，其特征在于，所述死区电路、互锁电路、保护电路均分为上下两路。

4.根据权利要求3所述的一种风电变流器的IGBT驱动电路，其特征在于，所述光耦隔离电路分为上下两路。

5.根据权利要求4所述的一种风电变流器的IGBT驱动电路，其特征在于，所述驱动电路分为上下两路。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种风电变流器的IGBT驱动电路，其特征在于，所述光耦隔离电路包括反馈光耦和驱动光耦。

7.根据权利要求1所述的一种风电变流器的IGBT驱动电路，其特征在于，所述变压器隔离电路采用高频隔离变压器，其副边有两个独立的绕组，输出两路隔离电源。

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