CN207819747U - 一种三电平igbt驱动电路装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三电平IGBT驱动电路装置，包括信号采样调理电路、控制器、三电平NPC功率电路、LCL滤波电路、IGBT驱动电路、驱动电源；所述信号采样调理电路通过负载侧的电流互感器与供配电电路电连接，所述控制器与信号采样调理电路电连接，所述IGBT驱动电路分别与控制器、三电平NPC功率电路、驱动电源电连接，所述三电平NPC功率电路通过LCL滤波电路与供配电电路电连接。本实用新型所述的三电平IGBT驱动电路装置，具有谐波补偿范围更大、动态无功功率补偿及三相不平衡电流的补偿功能，全方位改善电能质量，降低电网损耗，提高供电设备的能效，为各行各业电力设备的正常运行提供强有力的保障。

Description

一种三电平IGBT驱动电路装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种用于谐波治理的三电平IGBT驱动电路装置。

背景技术

有源电力滤波装置中，驱动电路设计非常重要，驱动电路的稳定可靠关系到三电平装置能否正常工作而不损坏元器件。

如果电力电子装置比作一个人，控制电路可以看作是大脑，功率电路看作是手和脚，驱动电路就是连接大脑和手脚之间的脊椎和神经，驱动电路设计的好坏可以影响整个装置的稳定性和可靠性。现有的三电平电路装置中，一般采用开环驱动，也就是驱动电源电路设计，采用电压以及电流开环控制，输出电压和电流没有做成闭环调节，导致输出电压和输出电流会随着输入信号的变化而变化，在很大程度上会影响驱动电压的稳定性，存在mos管因为过流而损坏，或者输入电压过高引起驱动电压过高而击穿IGBT等问题，稳定性可靠性不够好。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种三电平IGBT驱动电路装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种三电平IGBT驱动电路装置，包括信号采样调理电路、控制器、三电平NPC功率电路、LCL滤波电路、IGBT驱动电路、驱动电源；所述信号采样调理电路通过负载侧的电流互感器与供配电电路电连接，所述控制器与信号采样调理电路电连接，所述IGBT驱动电路分别与控制器、三电平NPC功率电路、驱动电源电连接，所述三电平NPC功率电路通过LCL滤波电路与供配电电路电连接。

这里，三电平IGBT驱动电路装置以并联的方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变换技术，将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电***中，实现抑制谐波、动态补偿无功的功能。具体的就是通过负载侧的电流互感器将负载电流采集后送到信号采样调理电路，包括了母线正负电压采样、输出电压电流采样等信号，调理好的采样信号送到控制器，控制器通过控制算法分析，产生PWM信号，PWM信号通过IGBT驱动电路将驱动信号进行调理以及功率放大后送到三电平NPC功率电路，实现功率变换，将与负载谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电***中，实现抑制谐波、动态补偿无功的功能，从而实现装置所需要的功能。

优选的，所述三电平NPC功率电路包括2个串联的分别由二个开关管组成的IGBT功率管、一对整流二极管、2组直流分压电容，所述整流二极管设于所述IGBT功率管的中性点，所述2组直流分压电容分别设于IGBT功率管母线电压采样端，输出级接有LCL滤波电路。

优选的，所述LCL滤波电路包括2个滤波电感、滤波电容、阻尼电阻，其中1个滤波电感与供配电电网连接，另1个滤波电感与三电平NPC功率电路输出级连接，阻尼电阻一端接地、另一端通过滤波电容连接与2个滤波电感之间。通过阻尼电阻等，能够有效抑制滤波器的谐振峰，达到理想的高频抑制效果。

优选的，所述驱动电源包括驱动电源芯片，驱动变压器，驱动mos管，稳压管，整流二极管和滤波电阻、滤波电容，所述mos管栅极串联有驱动电阻，所述驱动变压器包括4个进行隔离的变压器绕组，形成二路相互隔离电源分别用于三电平NPC功率电路中相邻上管或者相邻下管栅极与发射极之间驱动电压，所述4个变压器绕组中，1个变压器绕组作为能量输入端，1个变压器绕组作为反馈以及电源芯片供电回路，另外2个变压器绕组作为驱动电压部分、驱动信号电压部分，所述驱动电压部分、驱动信号电压部分分别设有驱动开启需要的正压和有效关闭驱动所需要的负压部分。所述驱动电源通过所述驱动电源芯片驱动所述mos管的开通和关断。

优选的，所述驱动电源设有用于有效控制输出电压的输出电压控制反馈环，包括驱动电源芯片内部设置的硬件远算放大器及与驱动电源芯片连接的滤波电阻、滤波电容，有效调节PWM控制mos管导通和关断。

优选的，所述驱动电源设有RC震荡电路，包括与驱动电源芯片连接的外接振荡电阻和匹配振荡电容，将能量通过变压器隔离传输到另外一端，形成振荡频率三角波，用于产生PWM比较信号使用。

优选的，所述驱动电源设有过流保护电路，所述过流保护电路设有串于所述mos管源极的采流电阻，采流电阻采集流过mos管的脉冲电流，用于过流保护，当mos管流通电流峰值较大，超过设定值时，驱动电源芯片会迅速封锁PWM脉冲，有效保护驱动电源，防止驱动电源因为过流而损坏mos管等器件。

优选的，所述IGBT驱动电路设有驱动信号芯片，所述IGBT驱动电路的输入端与所述控制器的PWM信号输入端连接，输出端连接到三电平NPC功率电路的IGBT的栅极和发射极。

所述IGBT驱动电路主要用于驱动所述三电平NPC功率电路中的IGBT功率管，将装置中的控制器产生的数字PWM信号进行隔离传输和电平转换以及功率放大，实现信号控制电路对IGBT进行开通和关断动作控制，从而实现装置的功率变换功能。所述驱动信号芯片用于信号的隔离和信号的驱动能力放大。

优选的，所述IGBT驱动电路设有驱动电阻、电容和稳压二极管，所述稳压二极管反向并联于所述驱动电阻上，用于驱动信号上升沿和下降沿的不同回路，驱动信号上升沿过程中，通过驱动电阻对IGBT进行有效驱动导通，驱动信号下降沿通过反并联二极管回路，对IGBT进行加速关断。所述IGBT驱动电路通过驱动电阻缓慢导通，通过稳压二极管快速进行关断，有效控制IGBT驱动信号的上升沿和下降沿。

优选的，所述IGBT驱动电路在IGBT功率管栅极和发射极之间加入了驱动信号的钳位二极管，通过钳位二极管到电源VCC，可以有效防止驱动信号电压过压产生。驱动信号通过电源钳位二极管，防止驱动信号电压过压损耗IGBT功率管，保证了IGBT的安全可靠稳定工作。

优选的，所述IGBT驱动电路即隔离光耦输出级设有推挽电路，所述推挽电路包括NPN三极管、PNP三极管，用于对驱动信号的功率进行有效放大。

优选的，所述驱动信号芯片输入前级回路串设有稳压管，用于对输出信号进行有效识别，设置了驱动信号流过最低门槛，防止干扰信号输入干扰了开关管的正常工作。这里，所述信号控制电路通过驱动信号芯片“信号驱动型光耦”将驱动信号进行隔离，光耦输出信号通过推挽驱动电路将驱动信号进行放大后，经过驱动电阻直接送到IGBT功率管的栅极和发射极之间。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型所述的三电平IGBT驱动电路装置，在IGBT驱动电路中设置电压反馈环，相对于传统的开环驱动，有效提高了稳定性和可靠性；在驱动电源中增加了mos驱动电流采集电路，可以有效对mos进行保护，防止mos管因为过流而损坏，具有设计结构简单，成本非常低，并且适用于中小功率开关管场合。在驱动信号上，通过稳压管对驱动信号进行了有效的识别，防止了干扰信号的输入导致IGBT开关管的误动作导通或者关断；设计了驱动信号上升沿和下降沿不同驱动回路，结合IGBT管特性进行有效驱动IGBT导通和关断；在驱动信号送到开关管的栅极和源极之间，增加了钳位功能二极管，防止驱动信号电压超出IGBT驱动电压范围而损坏IGBT，从而有效保护IGBT。本产品为谐波治理提供完善的解决方案，能够快速、准确的跟踪谐波电流并进行补偿，并采用先进的谐波提取算法以提高谐波治理的动态响应速度，具有谐波补偿范围更大、动态无功功率补偿及三相不平衡电流的补偿功能，全方位改善电能质量，降低电网损耗，提高供电设备的能效，为各行各业电力设备的正常运行提供强有力的保障。

附图说明

图1为本实用新型实施例的应用场景示意图；

图2为本实用新型实施例的整体结构示意图；

图3为本实用新型实施例的三电平NPC功率电路图；

图4为本实用新型实施例的LCL滤波电路图；

图5为本实用新型实施例的驱动电源电路图；

图6为本实用新型实施例的驱动电源局部电路图；

图7为本实用新型实施例的IGBT驱动电路输入级电路图；

图8为本实用新型实施例的IGBT驱动电路输出级电路图；

图9为本实用新型实施例的IGBT驱动电路电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1-图9所示，一种三电平IGBT驱动电路装置，包括信号采样调理电路、控制器、三电平NPC功率电路、LCL滤波电路、IGBT驱动电路、驱动电源；所述信号采样调理电路通过负载侧的电流互感器与供配电电路电连接，所述控制器与信号采样调理电路电连接，所述IGBT驱动电路分别与控制器、三电平NPC功率电路、驱动电源电连接，所述三电平NPC功率电路通过LCL滤波电路与供配电电路电连接。

这里，三电平IGBT驱动电路装置以并联的方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变换技术，将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电***中，实现抑制谐波、动态补偿无功的功能。具体的就是通过负载侧的电流互感器将负载电流采集后送到信号采样调理电路，包括了母线正负电压采样、输出电压电流采样等信号，调理好的采样信号送到控制器，控制器通过控制算法分析，产生PWM信号，PWM信号通过IGBT驱动电路将驱动信号进行调理以及功率放大后送到三电平NPC功率电路，实现功率变换，将与负载谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电***中，实现抑制谐波、动态补偿无功的功能，从而实现装置所需要的功能。

参照图1所示，三电平IGBT驱动电路装置通过外部电流互感器CT采样将负载侧的负载电流采集送到装置内部信号采样调理电路，调理完成后送到控制器进行算法分析，最终装置会输出与负载中谐波含量大小相等，方向相反的电流与负载中的电流进行相互抵消，从而达到了谐波补偿的功能。

参照图3所示，所述三电平NPC功率电路包括2个串联的分别由二个开关管V1和V2、V3和V4组成的IGBT功率管、一对整流二极管D7、D8、2组直流分压电容C12和C13，所述整流二极管D7、D8设于所述IGBT功率管的中性点，所述2组直流分压电容C12和C13分别设于IGBT功率管母线电压采样端，输出级接有LCL滤波电路。

参照图4所示，所述LCL滤波电路包括2个滤波电感、滤波电容、阻尼电阻，其中1个滤波电感L2与供配电电网连接，另1个滤波电感L1与三电平NPC功率电路输出级连接，阻尼电阻R19一端接地、另一端通过滤波电容C14连接与2个滤波电感之间。通过阻尼电阻R19等，能够有效抑制滤波器的谐振峰，达到理想的高频抑制效果。

参照图5所示，所述驱动电源包括驱动电源芯片U1，驱动变压器T1，驱动mos管Q1，稳压管VD1、VD2，整流二极管D2、D3和滤波电阻R1、R2、R4、R7-R15、滤波电容C3-C9，所述mos管g极串联有驱动电阻R6，所述驱动变压器T1包括4个进行隔离的变压器绕组1-2、3-4、5-6、7-8，形成二路相互隔离电源分别用于三电平NPC功率电路中相邻上管或者相邻下管栅极g与发射极e之间驱动电压，所述4个变压器绕组中，1个变压器绕组1-2作为能量输入端，1个变压器绕组3-4作为反馈以及电源芯片供电回路，另外2个变压器绕组5-6、7-8作为驱动电压部分、驱动信号电压部分，所述驱动电压部分、驱动信号电压部分分别设有驱动开启需要的正压和有效关闭驱动所需要的负压部分。所述驱动电源通过所述驱动电源芯片驱动所述mos管的开通和关断。

所述驱动电源设有用于有效控制输出电压的输出电压控制反馈环，包括驱动电源芯片U1内部设置的硬件远算放大器及与驱动电源芯片U1连接的滤波电阻R5、滤波电容C2、C1，有效调节PWM控制mos管Q1导通和关断。

所述驱动电源设有RC震荡电路，包括与驱动电源芯片U1连接的外接振荡电阻R3和匹配振荡电容C4，将能量通过变压器隔离传输到另外一端，形成振荡频率三角波，用于产生PWM比较信号使用。

所述驱动电源设有过流保护电路，所述过流保护电路设有串于所述mos管S极的采流电阻R8，采流电阻R8采集流过mos管的脉冲电流，用于过流保护，当mos管流通电流峰值较大，超过设定值时，驱动电源芯片U1会迅速封锁PWM脉冲，有效保护驱动电源，防止驱动电源因为过流而损坏mos管等器件。

图6表示其中某一路驱动信号所需要的驱动电源，对应为变压器绕组7-8，绕组输出接整流二极管D2和电阻R12，将前级电压整流成直流信号，VD1为16V的稳压二极管，并且工作在稳压击穿的状态下，所以VCC1和VSS1二端口的电压为正16V，同时变压器输入电压24V，变压器输出7-8和5-6通过整流后电压为25V，所以VSS1和VEE1的电压为-9V，其中正16V电源用于驱动IGBT导通需要的正向电压，-9V电源用于驱动IGBT关断需要的负向电压，这样可以有效的保证IGBT的可靠导通和可靠关断；也就是对应于驱动电路里面，PWM_OUT信号为pwm脉冲信号，信号的高电平为VCC1和VSS1的电压，也就是16V，保证IGBT可靠导通，信号的低电平为VEE1和VSS1的电压，也就是-9V，保证了IGBT的可靠关断。

参照图9所示，所述IGBT驱动电路设有驱动信号芯片U2，所述IGBT驱动电路的输入端与所述控制器的PWM信号输入端连接，输出端连接到三电平NPC功率电路的IGBT的栅极g和发射极e。

所述IGBT驱动电路主要用于驱动所述三电平NPC功率电路中的IGBT功率管，将装置中的控制器产生的数字PWM信号进行隔离传输和电平转换以及功率放大，实现信号控制电路对IGBT进行开通和关断动作控制，从而实现装置的功率变换功能。所述驱动信号芯片用于信号的隔离和信号的驱动能力放大。

所述IGBT驱动电路设有驱动电阻R18、电容C11和稳压二极管D5，所述稳压二极管D5反向并联于所述驱动电阻R18上，用于驱动信号上升沿和下降沿的不同回路，驱动信号上升沿过程中，通过驱动电阻R18对IGBT进行有效驱动导通，驱动信号下降沿通过反并联二极管D5回路，对IGBT进行加速关断。所述IGBT驱动电路通过驱动电阻R18缓慢导通，通过稳压二极管D5快速进行关断，有效控制IGBT驱动信号的上升沿和下降沿。

所述IGBT驱动电路在IGBT功率管栅极和发射极之间加入了驱动信号的钳位二极管D6，通过钳位二极管D6到电源VCC，可以有效防止驱动信号电压过压产生。驱动信号通过电源钳位二极管D6，防止驱动信号电压过压损耗IGBT功率管V1、V2、V3、V4，保证了IGBT的安全可靠稳定工作。

所述IGBT驱动电路即隔离光耦输出级设有推挽电路，所述推挽电路包括NPN三极管Q1、PNP三极管Q2，用于对驱动信号的功率进行有效放大。

所述驱动信号芯片U2输入前级回路串设有稳压管VD3，用于对输出信号进行有效识别，设置了驱动信号流过最低门槛，防止干扰信号输入干扰了开关管V1、V2、V3、V4的正常工作。这里，所述信号控制电路通过驱动信号芯片U2“信号驱动型光耦”将驱动信号进行隔离，光耦输出信号通过推挽驱动电路Q1和Q2将驱动信号进行放大后，经过驱动电阻R18直接送到IGBT功率管的栅极和发射极之间。

图7为IGBT驱动电路输入级电路图，控制器输出的PWM信号送到VD3前级，也就是PWM_IN信号，VD3为6.2V的稳压管，驱动信号必须达到一定的幅值才能够击穿稳压管并将光耦有效导通，设计VD3就是为了抑制驱动信号里面存在干扰信号导致了IGBT的误导通产生，其中R17/R16/和C10是对输入的驱动信号进行有效滤波，抑制高频噪音干扰，D4是钳位二极管，将输入信号有效钳位在零以上；

图8为8IGBT驱动电路输出级电路图，VO1和VO2为光耦信号输出，当输出为高电平时，Q1三极管导通，Q2三极管关闭，此时高电平信号通过VCC1流过Q1、R18送到PWM_OUT引脚，当输出为低电平，Q1三极管关闭，Q2三极管导通，信号PWM_OUT经过D5、Q2流到VEE1，从而实现了PWM_OUT的高低电平变换。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种三电平IGBT驱动电路装置，其特征在于，包括信号采样调理电路、控制器、三电平NPC功率电路、LCL滤波电路、IGBT驱动电路、驱动电源；所述信号采样调理电路通过负载侧的电流互感器与供配电电路电连接，所述控制器与信号采样调理电路电连接，所述IGBT驱动电路分别与控制器、三电平NPC功率电路、驱动电源电连接，所述三电平NPC功率电路通过LCL滤波电路与供配电电路电连接，所述三电平NPC功率电路包括2个串联的分别由二个开关管组成的IGBT功率管、一对整流二极管、2组直流分压电容，所述整流二极管设于所述IGBT功率管的中性点，所述2组直流分压电容分别设于IGBT功率管母线电压采样端，输出级接有LCL滤波电路，所述LCL滤波电路包括2个滤波电感、滤波电容、阻尼电阻，其中1个滤波电感与供配电电网连接，另1个滤波电感与三电平NPC功率电路输出级连接，阻尼电阻一端接地、另一端通过滤波电容连接与2个滤波电感之间。

2.根据权利要求1所述的三电平IGBT驱动电路装置，其特征在于，所述驱动电源包括驱动电源芯片，驱动变压器，驱动mos管，稳压管，整流二极管和滤波电阻、滤波电容，所述mos管栅极串联有驱动电阻，所述驱动变压器包括4个进行隔离的变压器绕组，形成二路相互隔离电源分别用于三电平NPC功率电路中相邻上管或者相邻下管栅极与发射极之间驱动电压，所述4个变压器绕组中，1个变压器绕组作为能量输入端，1个变压器绕组作为反馈以及电源芯片供电回路，另外2个变压器绕组作为驱动电压部分、驱动信号电压部分，所述驱动电压部分、驱动信号电压部分分别设有驱动开启需要的正压和有效关闭驱动所需要的负压部分。

3.根据权利要求2所述的三电平IGBT驱动电路装置，其特征在于，所述驱动电源设有用于有效控制输出电压的输出电压控制反馈环，包括驱动电源芯片内部设置的硬件远算放大器及与驱动电源芯片连接的滤波电阻、滤波电容，有效调节PWM控制mos管导通和关断。

4.根据权利要求3所述的三电平IGBT驱动电路装置，其特征在于，所述驱动电源设有RC震荡电路，包括与驱动电源芯片连接的外接振荡电阻和匹配振荡电容。

5.根据权利要求4所述的三电平IGBT驱动电路装置，其特征在于，所述驱动电源设有过流保护电路，所述过流保护电路设有串于所述mos管源极的采流电阻。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的三电平IGBT驱动电路装置，其特征在于，所述IGBT驱动电路设有驱动信号芯片，所述IGBT驱动电路的输入端与所述控制器的PWM信号输入端连接，输出端连接到三电平NPC功率电路的IGBT的栅极和发射极，所述IGBT驱动电路设有驱动电阻、电容和稳压二极管，所述稳压二极管反向并联于所述驱动电阻上，用于驱动信号上升沿和下降沿的不同回路，驱动信号下降沿通过反并联二极管回路。

7.根据权利要求6所述的三电平IGBT驱动电路装置，其特征在于，所述IGBT驱动电路在IGBT功率管栅极和发射极之间加入了驱动信号的钳位二极管，通过钳位二极管到电源VCC。

8.根据权利要求7所述的三电平IGBT驱动电路装置，其特征在于，所述IGBT驱动电路即隔离光耦输出级设有推挽电路，所述推挽电路包括NPN三极管、PNP三极管。

9.根据权利要求8所述的三电平IGBT驱动电路装置，其特征在于，所述驱动信号芯片输入前级回路串设有稳压管。