專利名稱：大功率變流器的絕緣柵雙極性三極管(igbt)的短路關斷方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型的大功率變流器的保護方法，可以應用于包括風電變流器， 船用推進變流器等任何大功率變流器應用。本方法應用于變流器的絕緣柵雙極性三極管 (IGBT)門極驅動電路。本發(fā)明實現(xiàn)了絕緣柵雙極性三極管(IGBT)短路時的盡可能快速的 關斷，同時也可以保護了 IGBT不會被過大的電壓超調(diào)而損壞。
背景技術：
大功率變流器具有廣闊的應用背景，并且已經(jīng)成為多個產(chǎn)業(yè)中的核心設備之一， 由于絕緣柵雙極性三極管(IGBT)具有電壓電流應用范圍大以及開關速度快的特點，是目 前主流大功率變流器中的核心開關器件。絕緣柵雙極性三極管(IGBT)屬于全控型的電力電子器件，IGBT的導通和關斷 全部由門極電壓控制。絕緣柵雙極性三極管(IGBT)由專有的門極驅動電路控制。，如圖1 所示，在IGBT導通過程中，門極驅動電路迅速對門極-發(fā)射極電容Cge(I)充電以提升門 極-發(fā)射極電壓。當門極-發(fā)射極電壓超過IGBT的導通閾值時，IGBT導通。在IGBT關斷 過程中，門極驅動電路迅速將門極-發(fā)射極電容Cge(I)放電以降低門極-發(fā)射極電壓。當 門極-發(fā)射極電壓低于IGBT的導通閾值時，IGBT關斷。門極驅動電路的實現(xiàn)由門極驅動 脈沖電壓加門極電阻組成。門極驅動脈沖電壓具備正負電壓輸出，具有給門極-發(fā)射極電 容Cge(I)沖放電的電流驅動能力。門極驅動電阻負責控制Cge的沖放電電流大小，Cge的 沖放電電流決定了門極電壓的變動速度，從而起到了控制IGBT的開關速度。整個開關過程 由圖2所示。由圖2所示，在絕緣柵雙極性三極管(IGBT)關斷過程中，由于IGBT的派生電容， 在電流迅速降低過程中，集電極-發(fā)射極的電壓將產(chǎn)生超調(diào)電壓。如果超調(diào)電壓超出了 IGBT的安全范圍，將造成IGBT器件過電壓損毀。因此，在設計驅動電路時，需要調(diào)整門極關 斷電阻以減緩IGBT的關斷速度，確保關斷超調(diào)電壓在IGBT的安全范圍內(nèi)。除了正常的工作范圍內(nèi)，為了提高變流器的可靠性，絕緣柵雙極性三極管(IGBT) 必須要具備短路關斷的能力。短路關斷需要滿足兩個條件；第一是短路器件必須在極短的 時間內(nèi)關斷，否則器件會因為短路電流的熱效應而損毀，目前兆瓦級變流器所使用的器件 的短路關斷時間要求在IOus左右，關斷速度越快，器件在短路情況下存活的概率就越高。 第二是短路器件關斷時不得產(chǎn)生過高的超調(diào)電壓，如果關斷速度過快的話，勢必造成超調(diào) 電壓過大，同樣會損毀IGBT。為了滿足短路關斷第二個條件，專利US6335608提出了軟關斷技術，該技術目前 已在業(yè)內(nèi)得到廣泛的應用。具體實現(xiàn)方式如圖3所示，軟關斷技術在圖1的基礎上增加了 一個軟關斷電阻(3)，在正常開關條件下，軟關斷電阻被一個與其并聯(lián)的開關管(4)旁路， 開關速度由門極電阻(2)決定。在門極驅動電路檢測到短路的條件下(短路條件由集電 極-發(fā)射機電壓測量比較模塊(5)完成)，旁路開關管關斷，驅動電路進入軟關斷狀態(tài)，開關速度由門極電阻⑵和軟關斷電阻(3)共同決定。專利US6335608給出的軟關斷電路雖然成功解決了短路關斷時的電壓超調(diào)的問 題。然而，如圖4所示，由于增加了軟關斷電阻，造成了關斷延時(8)的增加。延長器件的 短路關斷時間，極易導致器件短路生存率降低，影響變流器的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是給出了一種新型的短路關斷方法，這種關斷方法改進了傳統(tǒng)軟 關斷電路的旁路開關控制方法，可以解決軟關斷電路開關延時過大的缺陷，并且同時保持 軟關斷技術減少超調(diào)電壓的優(yōu)點。為達到上述目的，本發(fā)明的構思是如圖5所示，軟關斷技術發(fā)揮作用的時刻在于、到t2階段。在、到、階段，由于 此時放電過程尚未完成，門極電壓尚未降到IGBT的關斷閾值，因此此時的電壓的放電速度 并不影響關斷過程，也不會影響超調(diào)電壓。因此，本發(fā)明的構思在于在、到、階段減小關 斷電阻，只使用門極電阻快速放電，盡量減少開關的延時時間，而在、到t2階段切入軟關斷 電阻，放慢、到、的放電過程以減小關斷電壓超調(diào)。因此本發(fā)明可以在保持軟關斷技術優(yōu) 點的同時，減少開關的延時時間。在變流器短路時，盡可能快速地關斷短路的IGBT，以達到 保護變流器的作用。根據(jù)上述的發(fā)明構思，本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明的門極電壓檢測判斷電路與軟關斷電路相似，因此不必在傳統(tǒng)的門極驅動 電路的基礎上做大范圍的改動。如圖3以及圖5所示，本發(fā)明在軟關斷電路的基礎上改進 了軟關斷旁路開關的關斷時間，本發(fā)明的軟關斷電阻的旁路開關，并不像普通軟關斷方案 中在系統(tǒng)檢測到短路電流同時關斷。本發(fā)明增加了門極電壓檢測判斷電路，當門極驅動邏 輯電路檢測到短路發(fā)生時，本發(fā)明首先用門極電阻快速放電，同時用門極電壓檢測判斷電 路檢測門極電壓的大小。當門極電壓接近關斷閾值時，邏輯電路發(fā)出信號關斷旁路開關，此 時軟關斷電阻與門極電阻串聯(lián)以減慢門極電壓的放電速度，從而減慢開關過程并減小IGBT 關斷時所產(chǎn)生的超調(diào)電壓。本發(fā)明于現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點 在抑制超調(diào)電壓的同時，減少了 IGBT的關斷時間，增加了 IGBT在短路時刻中的
存活率。 不需要顯著改變驅動電路，沒有增加電路的復雜度。


圖1是IGBT門極驅動電路的原理示意圖。圖2是IGBT導通以及關斷過程波形示意圖。圖3是軟關斷方案的門極驅動電路圖。圖4是普通關斷過程以及軟關斷過程波形示意圖。圖5是本發(fā)明的關斷過程的波形示意圖。圖6為本發(fā)明的實施案例電路實現(xiàn)圖。圖中1.門極-發(fā)射極電容，2.門極電阻，3.軟關斷電阻，4.旁路開關，5.集電 極-發(fā)射極電壓測量比較電路，6.軟關斷命令信號，7.短路判斷信號，8.關斷延時，9.門極電壓判斷信號，10.門極-發(fā)射極電壓測量比較電路，11.門極-發(fā)射極電壓反饋，12.門 極-發(fā)射極電壓閾值，13.部分門極驅動邏輯電路，14.集電極-發(fā)射極電壓反饋，15.集電 極-發(fā)射極短路電壓閾值。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結合附圖詳述如下本發(fā)明的實施電路范例如圖6所示，相比起普通的軟關斷電路，本實施電路僅增 加了一個簡單的門極-發(fā)射極電壓測量比較電路(10)。比較電路的實現(xiàn)由一個普通的運放 比較器完成，比較器的輸入分別為門極-發(fā)射極電壓反饋(11)以及門極-發(fā)射極電壓閾值 (12)。門極發(fā)射極電壓閾值為IGBT開關閾值加1伏。比較器取反輸出之后給出門極電壓 判斷信號(9)。門極電壓判斷信號在在門極_發(fā)射極電壓反饋低于或者等于門極_發(fā)射極 電壓閾值時，輸出為高信號，表明此時已經(jīng)進入關斷實施階段即、到t2階段。當IGBT達到短路電流時，系統(tǒng)通過集電極-發(fā)射極電壓檢測到器件短路并給出短 路判斷信號(7)。集電極-發(fā)射極電壓檢測電路如圖6所示，檢測電路主要由運放比較器 實現(xiàn)，比較器的輸入分別為集電極-發(fā)射極電壓反饋(14)以及集電極-發(fā)射極短路電壓閾 值(15)。集電極-發(fā)射極電壓反饋(14)為電壓測量結果，而集電極_發(fā)射極短路電壓閾值 (15)可以在IGBT器件數(shù)據(jù)手冊中查表獲得。當集電極_發(fā)射極電壓反饋高于集電極_發(fā) 射極短路電壓閾值時，表明IGBT發(fā)生短路狀況，比較器則輸出短路判斷信號為高。如圖6所示，本發(fā)明中門極驅動邏輯電路對門極電壓判斷信號和短路判斷信號進 行處理，具體表現(xiàn)形式為與非邏輯，輸出為軟開關命令信號。當門極電壓判斷信號(9)和短 路判斷信號同時置高時，軟開關命令信號置低，旁路開關(4)關斷，此時實際控制沖放電的 電阻為門極電阻⑵和軟關斷電阻之和，本邏輯電路保證了如圖5中所示的、到、中的電 阻組合，電路處于軟關斷狀態(tài)。在其他情況下，軟開關命令置高，旁路開關(4)導通，實際控 制沖發(fā)電的電阻僅為門極電阻，電路并不處于軟關斷狀態(tài)。因此，整個電路實現(xiàn)了圖5中所 示的技術構思以及技術方案。本發(fā)明的適用電路與普通大功率變流器的門極驅動電路相類似，電流放大電路由 通常的三級管放大電路足證，電壓的測量與比較由普通的運算放大比較器組成，而門極驅 動邏輯電路則由復雜可編程邏輯器件CPLD (Complex Programable Logic Device)或現(xiàn)場 可編程門陣列 FPGA(Field Programmable Gate Array)實現(xiàn)。
權利要求
大功率變流器的絕緣柵雙極性三極管(IGBT)的短路關斷方法，其特征在于增加了門極電壓放電過程中的檢測電路，改進了短路軟關斷旁路開關的關斷方法，減少了整個軟關斷過程的延遲時間。
2.按照權利要求1所述的大功率變流器的絕緣柵雙極性三極管(IGBT)的短路關斷方 法，其特征在于具備門極電壓放電過程中的檢測電路，使用運放比較器檢測對門極電壓以 及門極電壓的關斷閾值進行比較。當門極電壓已經(jīng)接近并達到門極電壓關斷閾值，表明門 極電壓初步放電過程已經(jīng)完成。
3.按照權利要求1所述的大功率變流器的絕緣柵雙極性三極管(IGBT)的短路關斷方 法，其特征在于改進了短路軟關斷旁路開關的關斷方法，相比其傳統(tǒng)的檢測到短路時立刻 關斷短路軟關斷旁路開關，本發(fā)明利用門極放電過程的檢測電路，確保軟關斷旁路開關在 初步放電過程完成之后再進行動作關斷，進入軟關斷過程。
全文摘要
一種新型的大功率變流器的絕緣柵雙極性三極管(IGBT)的短路關斷方法，應用于風電變流器和船用變流器等領域。本發(fā)明改進了原有的短路軟關斷技術的旁路開關的關斷方法，增加了門極電壓放電過程中的檢測電路，檢測在放電過程中的門極電壓，并在門極電壓初步放電過程完成之后，再動作旁路開關進入軟關斷過程。本發(fā)明解決了原有的短路軟關斷技術關斷延時偏長的缺陷，減少了原有的短路軟關斷在放電過程中的延遲時間，減短了軟關斷動作的操作時間，增加了IGBT在短路過程中的存活率。
文檔編號H02H7/08GK101950949SQ20101026024
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月23日 優(yōu)先權日2010年8月23日
發(fā)明者烏云翔, 徐奕翔, 朱臻, 杜欣立, 聶贊相, 邵詩逸 申請人:烏云翔