專利名稱：適用于多電平變流器的igbt驅(qū)動(dòng)電源及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提高多電平變流器的整體穩(wěn)定性的適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源及其驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
由于多電平變流器具有功率容量大、開關(guān)頻率低、輸出諧波小、響應(yīng)速度快和電磁兼容性好等特點(diǎn)，使得多電平變流器在大功率場合得到越來越廣泛的應(yīng)用，如兆瓦級(jí)別的風(fēng)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(dǎo)體器件間的換流需要保證了在外部IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)開通時(shí)，內(nèi)部的IGBT不會(huì)被關(guān)斷，這樣才能避免全部的直流母線電壓完全加在單個(gè)半導(dǎo)體器件上。由于工作模式的不一樣，傳統(tǒng)的雙電平IGBT驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)不能適用于三電平工作模式下。當(dāng)IGBT發(fā)生短路故障時(shí)，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(shí)間則隨著門極電壓的升高而降低。工作于三電平模式的IGBT，當(dāng)其發(fā)生短路故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路不能立即關(guān)斷IGBT，而是需要將故障信號(hào)返回到上位機(jī)，由上位機(jī)統(tǒng)一安排關(guān)斷時(shí)序，因此，與兩電平工作模式相比，三電平工作模式時(shí)，IGBT需要承受更長的短路故障時(shí)間，這就意味著，IGBT因短路故障損壞的風(fēng)險(xiǎn)大大增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(shí)間，IGBT因短路故障損壞的風(fēng)險(xiǎn)大大增大，影響多電平變流器的整體穩(wěn)定性的技術(shù)問題；提供一種適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源及其驅(qū)動(dòng)方法，其對IGBT的門極電壓進(jìn)行合理的分段控制，既保證了正常工作時(shí)的高效率，又在IGBT發(fā)生短路故障時(shí)，通過適當(dāng)降低門極電壓，從而降低IGBT短路時(shí)的電流以及IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，提高了多電平變流器的整體穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的本發(fā)明的適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源，包括驅(qū)動(dòng)控制單元、放大電路、門極電壓調(diào)整電路和故障檢測電路，所述的驅(qū)動(dòng)控制單元的輸入端和上位機(jī)的驅(qū)動(dòng)指令輸出端相連，驅(qū)動(dòng)控制單元的控制信號(hào)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(qū)動(dòng)控制單元的門極電壓調(diào)整信號(hào)輸出端經(jīng)所述的門極電壓調(diào)整電路和IGBT的門極相連，故障檢測電路的輸出端和驅(qū)動(dòng)控制單元的故障信號(hào)輸入端相連，驅(qū)動(dòng)控制單元的故障反饋信號(hào)輸出端和所述的上位機(jī)相連。上位機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令給驅(qū)動(dòng)控制單元，驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出控制信號(hào)給放大電路，再由放大電路驅(qū)動(dòng)IGBT。故障檢測電路的故障源有來自于 IGBT的，如短路、過流和過溫，也有來自于驅(qū)動(dòng)電源本身的，如驅(qū)動(dòng)電源供電欠壓、過壓等。 故障檢測電路檢測IGBT是否發(fā)生故障，測得的故障信號(hào)輸送給驅(qū)動(dòng)控制單元，再由驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出故障反饋信號(hào)給上位機(jī)。驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出的門極電壓調(diào)整信號(hào)控制門極電壓調(diào)整電路開始工作或停止工作，通過門極電壓調(diào)整電路控制IGBT的門極電壓，從而實(shí)現(xiàn)對IGBT的門極電壓進(jìn)行合理的分段控制，既保證了正常工作時(shí)的高效率，又在IGBT發(fā)生短路故障時(shí)，通過適當(dāng)降低門極電壓，從而降低IGBT短路時(shí)的電流以及IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，提高了多電平變流器的整體穩(wěn)定性和可靠性。作為優(yōu)選，所述的門極電壓調(diào)整電路包括齊納二極管D和電子開關(guān)S，電子開關(guān)S 的一端和IGBT的發(fā)射極相連，電子開關(guān)S的另一端和齊納二極管D的正極相連，齊納二極管D的負(fù)極和IGBT的門極相連，電子開關(guān)S的控制端和所述的驅(qū)動(dòng)控制單元的門極電壓調(diào)整信號(hào)輸出端相連。電子開關(guān)S的斷開或閉合由所述的驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出的門極電壓調(diào)整信號(hào)控制，電子開關(guān)S斷開則門極電壓調(diào)整電路不工作，電子開關(guān)S閉合則門極電壓調(diào)整電路開始工作?？梢允且患?jí)調(diào)節(jié)，也可以是多級(jí)調(diào)節(jié)。作為優(yōu)選，所述的放大電路包括放大器U和電阻R，所述的驅(qū)動(dòng)控制單元的控制信號(hào)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(jīng)電阻R和IGBT的門極相連。本發(fā)明的適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)方法為當(dāng)IGBT正常工作時(shí)，所述的驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出的門極電壓調(diào)整信號(hào)使所述的門極電壓調(diào)整電路不工作，在上位機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制單元的控制下，IGBT的門極電壓保持正常的幅值；
當(dāng)IGBT發(fā)生短路故障時(shí)
1)所述的故障檢測電路將測得的故障信號(hào)輸送給所述的驅(qū)動(dòng)控制單元，再由驅(qū)動(dòng)控制單元將故障反饋信號(hào)輸送給所述的上位機(jī)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制單元輸出的控制信號(hào)維持IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)；
2)所述的驅(qū)動(dòng)控制單元輸出門極電壓調(diào)整信號(hào)給所述的門極電壓調(diào)整電路，使得門極電壓調(diào)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仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，又使得流過IGBT的短路電流變低；
3)經(jīng)過若干時(shí)間后，所述的上位機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令給驅(qū)動(dòng)控制單元，再由驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)放大電路給IGBT的門極，關(guān)閉IGBT，同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出門極電壓調(diào)整信號(hào)使門極電壓調(diào)整電路不工作。作為優(yōu)選，所述的門極電壓調(diào)整電路包括齊納二極管D和電子開關(guān)S，電子開關(guān)S 的一端和IGBT的發(fā)射極相連，電子開關(guān)S的另一端和齊納二極管D的正極相連，齊納二極管D的負(fù)極和IGBT的門極相連，電子開關(guān)S的控制端和所述的驅(qū)動(dòng)控制單元的門極電壓調(diào)整信號(hào)輸出端相連；所述的電子開關(guān)S的斷開或閉合由所述的驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出的門極電壓調(diào)整信號(hào)控制，電子開關(guān)S斷開則門極電壓調(diào)整電路不工作，電子開關(guān)S閉合則門極電壓調(diào)整電路開始工作。當(dāng)IGBT發(fā)生故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出的門極電壓調(diào)整信號(hào)開通電子開關(guān)S，通過齊納二極管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仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，但是由于門極電壓降低，因此流過IGBT的短路電流也變低，IGBT耐短路的時(shí)間增長。本發(fā)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(chuàng)造性地對三電平IGBT的門極電壓進(jìn)行分段控制，既保證了正常工作時(shí)的高效率，又在IGBT發(fā)生短路故障時(shí)，通過適當(dāng)降低門極電壓，降低了 IGBT短路時(shí)的電流以及IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，從而提高了多電平變流器的整體穩(wěn)定性和可靠性。


圖I是本發(fā)明的適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源的一種電路原理框圖。圖2是本發(fā)明的適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源的一種更具體一些的電路原理框圖。圖中I.上位機(jī)，2.驅(qū)動(dòng)控制單元，3.放大電路，4.門極電壓調(diào)整電路，5.故障檢測電路。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。實(shí)施例本實(shí)施例的適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源，如圖I所示，包括驅(qū)動(dòng)控制單元2、放大電路3、門極電壓調(diào)整電路4和故障檢測電路5，驅(qū)動(dòng)控制單元2的輸入端和上位機(jī)I的驅(qū)動(dòng)指令輸出端相連，驅(qū)動(dòng)控制單元2的控制信號(hào)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(qū)動(dòng)控制單元2的門極電壓調(diào)整信號(hào)輸出端經(jīng)門極電壓調(diào)整電路4和IGBT的門極相連，故障檢測電路5的輸出端和驅(qū)動(dòng)控制單元2的故障信號(hào)輸入端相連，驅(qū)動(dòng)控制單元2的故障反饋信號(hào)輸出端和上位機(jī)I相連。本實(shí)施例中，門極電壓調(diào)整電路4包括齊納二極管D和電子開關(guān)S，如圖2所示，電子開關(guān)S的一端和IGBT的發(fā)射極相連，電子開關(guān)S的另一端和齊納二極管D的正極相連，齊納二極管 D的負(fù)極和IGBT的門極相連，電子開關(guān)S的控制端和驅(qū)動(dòng)控制單元2的門極電壓調(diào)整信號(hào)輸出端相連。放大電路3包括放大器U和電阻R,驅(qū)動(dòng)控制單兀2的控制信號(hào)輸出端和放大器U的輸入端相連，放大器U的輸出端經(jīng)電阻R和IGBT的門極相連。上述適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)方法為當(dāng)IGBT正常工作時(shí)， 驅(qū)動(dòng)控制單元2發(fā)出的門極電壓調(diào)整信號(hào)使電子開關(guān)S斷開，門極電壓調(diào)整電路4不工作， IGBT的門極電壓保持正常的幅值；
當(dāng)IGBT發(fā)生短路故障時(shí)
1)故障檢測電路5將測得的故障信號(hào)輸送給驅(qū)動(dòng)控制單元2，再由驅(qū)動(dòng)控制單元2將故障反饋信號(hào)輸送給上位機(jī)1，同時(shí)上位機(jī)發(fā)出正向驅(qū)動(dòng)指令給驅(qū)動(dòng)控制單元2，使驅(qū)動(dòng)控制單元2輸出控制信號(hào)維持IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)；
2)驅(qū)動(dòng)控制單元2輸出門極電壓調(diào)整信號(hào)給電子開關(guān)S的控制端，使電子開關(guān)S閉合， 則門極電壓調(diào)整電路4開始工作，通過齊納二極管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仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，又使得流過IGBT的短路電流變低；
3)經(jīng)過一段時(shí)間后，上位機(jī)I發(fā)出負(fù)向驅(qū)動(dòng)指令給驅(qū)動(dòng)控制單元2，再由驅(qū)動(dòng)控制單元 2發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)放大器U、電阻R給IGBT的門極，關(guān)閉IGBT，同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制單元2發(fā)出門極電壓調(diào)整信號(hào)使電子開關(guān)S斷開，門極電壓調(diào)整電路4不工作。IGBT發(fā)生短路故障時(shí)，IGBT電流快速變大，達(dá)到最大值，該值與門極電壓成正比。 當(dāng)故障檢測電路檢測到IGBT處于短路狀態(tài)時(shí)，將故障信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)控制單元，再由驅(qū)動(dòng)控制單元輸出故障反饋信號(hào)給上位機(jī)；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制單元輸出門極電壓調(diào)整信號(hào)使電子開關(guān)S閉合，將IGBT門極電壓由正常時(shí)的15V鉗位到12V。由于門極電壓降低，流過IGBT的電流也相應(yīng)變低。因?yàn)殚T極電壓依然大于門極閾值電SVera，故而IGBT依然保持導(dǎo)通狀態(tài)。 當(dāng)一段時(shí)間后，驅(qū)動(dòng)控制單元接收到上位機(jī)的關(guān)斷指令，則輸出控制信號(hào)關(guān)斷IGBT。
本發(fā)明對三電平IGBT的門極電壓進(jìn)行合理分段控制，既保證了正常工作時(shí)的高效率，又在IGBT發(fā)生短路故障時(shí)，通過適當(dāng)降低門極電壓，降低了 IGBT短路時(shí)的電流以及 IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，從而提高了多電平變流器的整體穩(wěn)定性和可靠性。
權(quán)利要求
1.一種適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于包括驅(qū)動(dòng)控制單元(2)、放大電路(3)、門極電壓調(diào)整電路(4)和故障檢測電路(5)，所述的驅(qū)動(dòng)控制單元(2)的輸入端和上位機(jī)(I)的驅(qū)動(dòng)指令輸出端相連，驅(qū)動(dòng)控制單元(2)的控制信號(hào)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(qū)動(dòng)控制單元(2)的門極電壓調(diào)整信號(hào)輸出端經(jīng)所述的門極電壓調(diào)整電路(4)和IGBT的門極相連，故障檢測電路(5)的輸出端和驅(qū)動(dòng)控制單元(2)的故障信號(hào)輸入端相連，驅(qū)動(dòng)控制單元(2)的故障反饋信號(hào)輸出端和所述的上位機(jī)(I)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于所述的門極電壓調(diào)整電路(4)包括齊納二極管D和電子開關(guān)S，電子開關(guān)S的一端和IGBT的發(fā)射極相連，電子開關(guān)S的另一端和齊納二極管D的正極相連，齊納二極管D的負(fù)極和IGBT的門極相連，電子開關(guān)S的控制端和所述的驅(qū)動(dòng)控制單元(2)的門極電壓調(diào)整信號(hào)輸出端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于所述的放大電路(3)包括放大器U和電阻R，所述的驅(qū)動(dòng)控制單元(2)的控制信號(hào)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(jīng)電阻R和IGBT的門極相連。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于多電平變流器的絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于當(dāng)IGBT正常工作時(shí)，所述的驅(qū)動(dòng)控制單元(2)發(fā)出的調(diào)整信號(hào)使所述的門極電壓調(diào)整電路(4)不工作，IGBT的門極電壓保持正常的幅值；當(dāng)IGBT發(fā)生短路故障時(shí)1)所述的故障檢測電路(5)將測得的故障信號(hào)輸送給所述的驅(qū)動(dòng)控制單元(2)，再由驅(qū)動(dòng)控制單元(2)將故障反饋信號(hào)輸送給所述的上位機(jī)(1)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制單元(2)輸出的控制信號(hào)維持IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)；2)所述的驅(qū)動(dòng)控制單元(2)輸出門極電壓調(diào)整信號(hào)給所述的門極電壓調(diào)整電路(4)， 使得門極電壓調(diào)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仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，又使得流過IGBT的短路電流變低；3)經(jīng)過若干時(shí)間后，所述的上位機(jī)(I)發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令給驅(qū)動(dòng)控制單元(2)，再由驅(qū)動(dòng)控制單元(2)發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)放大電路(3)給IGBT的門極，關(guān)閉IGBT，同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制單元(2) 發(fā)出門極電壓調(diào)整信號(hào)使門極電壓調(diào)整電路(4)不工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于多電平變流器的絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于所述的門極電壓調(diào)整電路(4)包括齊納二極管D和電子開關(guān)S，電子開關(guān)S的一端和IGBT的發(fā)射極相連，電子開關(guān)S的另一端和齊納二極管D的正極相連，齊納二極管D的負(fù)極和IGBT的門極相連，電子開關(guān)S的控制端和所述的驅(qū)動(dòng)控制單元(2)的門極電壓調(diào)整信號(hào)輸出端相連；所述的電子開關(guān)S的斷開或閉合由所述的驅(qū)動(dòng)控制單元(2) 發(fā)出的門極電壓調(diào)整信號(hào)控制，電子開關(guān)S斷開則門極電壓調(diào)整電路(4)不工作，電子開關(guān) S閉合則門極電壓調(diào)整電路(4)開始工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于多電平變流器的IGBT驅(qū)動(dòng)電源及其驅(qū)動(dòng)方法。IGBT驅(qū)動(dòng)電源包括驅(qū)動(dòng)控制單元、放大電路、門極電壓調(diào)整電路和故障檢測電路，驅(qū)動(dòng)控制單元的輸入端和上位機(jī)的驅(qū)動(dòng)指令輸出端相連，其控制信號(hào)輸出端經(jīng)放大電路和IGBT的門極相連，其門極電壓調(diào)整信號(hào)輸出端經(jīng)門極電壓調(diào)整電路和IGBT的門極相連，故障檢測電路的輸出端經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制單元和上位機(jī)相連。驅(qū)動(dòng)方法為根據(jù)IGBT的工作狀態(tài)驅(qū)動(dòng)控制單元通過門極電壓調(diào)整電路對IGBT的門極電壓進(jìn)行分段控制。本發(fā)明既保證了正常工作時(shí)的高效率，又在IGBT發(fā)生短路故障時(shí)，降低了IGBT短路時(shí)的電流以及IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，從而提高穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號(hào)H02M1/08GK102594102SQ20121004002
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月22日
發(fā)明者施貽蒙 申請人:杭州飛仕得科技有限公司