专利名称：兆瓦级风电变流器igbt驱动电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及风电变流器，具体说就是兆瓦级风电变流器IGBT驱动电路。
技术背景风能利用已受到世界各国的普遍重视。变速恒频风力发电技术也得到了普遍的应用，它将电カ电子技术、矢量控制技术和微机信息处理技术引入到发电机的控制中，从而获得了一种全新的、高质量的电能获取方式。随着风电机组单机容量和风电场规模的増大，风カ发电机组的运行效率、安全性和稳定性就更加重要。目前兆瓦级风カ发电机组已经成为国际上的主流机型，兆瓦级变流器中所采用的绝缘栅双极型晶体管(IBGT)的功率等级较高，对IGBT的驱动保护技术也提出了更高的要求。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种兆瓦级风电变流器IGBT驱动电路。本实用新型的目的是这样实现的它是由模块开关器件ADG202、绝缘栅双极型晶体管IGBT、IGBT集电极电路和IGBT门极电路组成的，模块开关器件ADG202分别连接IGBT集电极电路和IGBT门极电路，IGBT集电极电路和IGBT门极电路连接绝缘栅双极型晶体管IGBT。本实用新型还有以下技术特征(I)所述的IGBT集电极电路包括电阻R4、三极管N1、电阻R5、电阻R6、三极管N2、电阻R18、ニ极管Z1、电阻R2、电阻R19、比较器LM111、电阻R1、电位器P1、ニ极管Z2、ニ极管D7、电阻R7、ニ极管D1,电容C3,三极管N1的发射极连接电阻R4的一端和模块开关器件ADG202的管脚D2，三极管N1的集电极分别连接电阻R4的另一端、电阻R6的一端、电阻R2的一端、电阻R1的一端和+15V，电阻R5的另一端分别连接电阻R6的另一端和三极管N2的集电极，三极管N2的发射极接地，三极管N2的基极连接电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接ニ极管Z1的正极，ニ极管Z1的负极分别连接比较器LMlll的输出端、电阻R2的另一端、电阻R19的一端和模块开关器件ADG202的管脚IN2,比较器LMlll的同相输入端分别连接电阻R19的另一端、电阻R1的另一端和电位器P1的一端，电位器P1的另一端接地，比较器LMlll的反相输入端分别连接ニ极管Z2的负极、ニ极管D7的正扱、电容C3的一端和ニ极管D1的负极，电容C3的另一端接地，ニ极管D1的正极连接电阻R7,电阻R7的另一端连接模块开关器件ADG202的管脚S1, ニ极管D7的负极连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极，ニ极管Z2的正极连接-15V。(2)所述的IGBT门极电路包括电阻R3、ニ极管D6、电阻R17、三极管N3、ニ极管Z3、电阻R9、ニ极管D2、电阻R1Q、电容C4、三极管N4、三极管N5、电容C5、电容C6、ニ极管D3、电阻R12、电阻Rn、ニ极管Z4、ニ极管Z5、和电阻R13,电阻R3的一端分别连接电阻R9的一端和模块开关器件ADG202的S2,电阻R3的另一端接-15V、三极管N3的发射极、电容C4的一端、三极管N5的集电极和电容C6的一端，三极管N3的基极连接ニ极管Z3正极，ニ极管Z3负极连接光电耦合器FAULT，三极管N3的集电极分别连接电阻R17和电阻Rltl的一端，电阻R17的另一端连接ニ极管D6的负极，ニ极管D6的正极分别连接三极管N4的集电极、电容C5的一端和模块开关器件ADG202的D2,三极管N4的基极的分别连接三极管N5的基板、电阻R9的另一端和ニ极管D2的正极，三极管N4的发射极分别连接三极管N5的发射极、ニ极管D3的负极和电阻R11的一端，ニ极管D3的正极连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端分别连接电阻R11的另一端、ニ极管Z4的负极、电阻R13的一端和绝缘栅双极型晶体管IGBT的门极，缘栅双极型晶体管IGBT的发射极分别连接电阻R13的另一端、ニ极管Z5的负极和地，ニ极管Z5的正极连接ニ极管Z4的正极，电容C5的另一端连接电容C6的另一端。本实用新型兆瓦级风电变流器IGBT驱动电路，在大功率运行条件下保证IGBT可靠导通、关断，减小IGBT的损耗，在过流、过压等故障情况下保证IGBT可靠的关断，从而保证机组的安全可靠运行。
图I为本实用新型的IGBT驱动过流保护曲线；图2为本实用新型的IGBT驱动功能块方框图；图3为本实用新型的光耦隔离驱动原理图；图4为本实用新型的电路原理图；图5为模块开关器件ADG202的芯片管脚具体实施方式
以下结合附图举例对本实用新型作进ー步说明。实施例I :结合图1-5，本实用新型一种兆瓦级风电变流器IGBT驱动电路，它是由模块开关器件ADG202、绝缘栅双极型晶体管IGBT、IGBT集电极电路和IGBT门极电路组成的，模块开关器件ADG202分别连接IGBT集电极电路和IGBT门极电路，IGBT集电极电路和IGBT门极电路连接绝缘栅双极型晶体管IGBT。本实用新型还有以下技术特征所述的IGBT集电极电路包括电阻R4、三极管N1,电阻R5、电阻R6、三极管N2、电阻R18、ニ极管Z1、电阻R2、电阻R19、比较器LM111、电阻R1.电位器P1、ニ极管Z2、ニ极管D7、电阻R7、ニ极管D1、电容C3，三极管N1的发射极连接电阻R4的一端和模块开关器件ADG202的管脚D2,三极管N1的集电极分别连接电阻R4的另一端、电阻R6的一端、电阻R2的一端、电阻R1的一端和+15V，电阻R5的另一端分别连接电阻R6的另一端和三极管N2的集电极，三极管N2的发射极接地，三极管N2的基极连接电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接ニ极管も的正扱，ニ极管も的负极分别连接比较器LMlll的输出端、电阻R2的另一端、电阻R19的一端和模块开关器件ADG202的管脚IN2,比较器LMlll的同相输入端分别连接电阻R19的另一端、电阻R1的另一端和电位器P1的一端，电位器P1的另一端接地，比较器LMlll的反相输入端分别连接ニ极管Z2的负极、ニ极管D7的正极、电容C3的一端和ニ极管D1的负极，电容C3的另ー端接地，ニ极管D1的正极连接电阻R7,电阻R7的另一端连接模块开关器件ADG202的管脚S1，ニ极管D7的负极连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极，ニ极管Z2的正极连接-15V。所述的IGBT门极电路包括电阻R3、ニ极管D6、电阻R17、三极管N3、ニ极管Z3、电阻R9、ニ极管D2、电阻R1Q、电容C4、三极管N4、三极管N5、电容C5、电容C6、ニ极管D3、电阻R12、电阻Rn、ニ极管Z4、ニ极管Z5、和电阻R13，其特征在于电阻R3的一端分别连接电阻R9的一端和模块开关器件ADG202的S2,电阻R3的另一端接-15V、三极管N3的发射极、电容C4的一端、三极管N5的集电极和电容C6的一端，三极管N3的基极连接ニ极管Z3正扱，ニ极管Z3负极连接光电耦合器FAULT，三极管N3的集电极分别连接电阻R17和电阻Rltl的一端，电阻R17的另一端连接ニ极管D6的负极，ニ极管D6的正极分别连接三极管N4的集电极、电容C5的一端和模块开关器件ADG202的D2,三极管N4的基极的分别连接三极管N5的基板、电阻R9的另一端和ニ极管D2的正极，三极管N4的发射极分别连接三极管N5的发射极、ニ极管D3的负极和电阻R11的一端，ニ极管D3的正极连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端分别连接电阻R11的另一端、ニ极管Z4的负极、电阻R13的一端和绝缘栅双极型晶体管IGBT的门极，缘栅双极型晶体管IGBT的发射极分别连接电阻R13的另一端、ニ极管Z5的负极和地，ニ极管Z5的正极连接ニ极管Z4的正极，电容C5的另一端连接电容C6的另一端。实施例2 :结合图1-5，本实用新型根据IGBT的静态特性、开关暂态特性并考虑其 允许的安全工作的区间，IGBT工作时门极驱动保护电路满足如下基本要求提供足够的门极电压来开通IGBT，并在开通期间保持这个电压；在最初开通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证IGBT的开通速度；在关断期间，提供一个反向偏置电压来提高IGBT抗暂态dv/ dt的能力和抗EMI噪声的能力并减少关断损耗；在IGBT功率电路和控制电路之间提供光耦隔离；在短路故障发生时，驱动电路能通过合理的门极电压动作进行IGBT保护，并发出故障信号到控制系统。图I中给出了一类过流保护功能比较完善的IGBT驱动保护曲线。其中Tl为过流信号持续较短时间一般小于10 μ s ,驱动输出自动恢复；Τ2为降栅压后持续时间一般为10 μ s ;Τ3为软关断持续时间；Τ4为故障后封锁时间。满足上述要求的IGBT驱动功能块框图如图2所示，PWM信号输入采用光纤传输方式，其中虚线框内部分为可选内容，可根据需要选择是否配置，也可通过外围电路来实现。为了更好的实现电压隔离、抗电磁干扰等问题，本实用新型采用光耦隔离方式。该方式简化了驱动电路设计，减轻了设备体积和重量，降低了成本，在应用中有一定优势，但光耦隔离的工作原理决定了其属于有源隔离，隔离输出端必须加电源和放大电路。本设计中采用芯片HCPL-316J，其原理图见图3。其中输入信号从V+in输入经内部光耦隔离放大后，Vout端输出于图4中的P端，用于对IGBT的控制，FAULT引脚用于输出故障信号FAULT的引入。实施例3 :结合图4-5，本实用新型的工作原理如下图5中模块开关器件采用ADG202，其中A、B、Z、C、P分别连接到模块开关器件ADG202上。P为IGBT开通和关断的控制信号，当P为高吋，A和B被模拟开关接通，控制IGBT导通；当P为低电平吋，此模拟开关打开，控制IGBT关断。ADG202本身的管脚IN为控制信号的输入端，D和S分别为模拟开关的两端。图5是本实用新型驱动与保护电路原理图，在以下几种情况下的运行实施方式第一种IGBT的导通P为高电平时，A和B接通。E点电压为IGBT饱和压降，N2关断，NI导通，A、B点电压为+ 15 V, N4导通。Y点电压约为+ 15 V,通过门极电阻Rll使得IGBT导通。第二种IGBT的关断P为低电平吋，A和B断开。A点电压为+15V，B点电压为-15V。模拟开关上的Z和+15V电压断开，N3不导通，C3和C4被ニ极管反向截止，不会放电。N5导通，加在门极上的-15V电压使得IGBT关断。第三种过流故障时的保护在IGBT运行吋，P为高电平。IGBT过流时，饱和压降増加，D7反向截止，由于Z和+15V相连接，则C3被充电，两端电压逐渐増大。当C3电压高于比较器设定的比较电压吋，比较器输出高电平，N2导通，NI截止，R4被接入电路。R4的接入使得A、B电压变为+10V。当IGBT门极电压降低到+ IOV后，过电流允许时间一般10μ S。此时间也可以根据用户需要进行调节，当R7和C3确定后，通过选择稳压ニ极管Z3的值可以设定此值。如果在10 μ s内故障消失，IGBT饱和压降降低，则D7导通，E点电压降低，比较器输出低电平，电路恢复正常工作。如果在10 μ s内故障未消失，则C3继续充电，当大于稳压ニ极管Ζ3的值，使得Ν3导通，则光耦输出故障信号。同时C4开始通过RlO放电，使得X，Y点电压逐渐降低，IGBT被慢速关断。第四种过压保护与dv/dt保护对于过压保护采取的措施为(I)加阻容和缓冲电路；(2)门极和发射极之间加门极发射极电阻(图4中的R13 ) ；(3)门极和发射极之间并联反向串联的稳压ニ极管(图4中的Z4和 Z5 )。对于dv/dt保护的目的主要是防止擎住效应和防止集电极电流连续值超过临界 值。采取措施包括(I)断态时加足够的负门极电压(-10 V) ;(2)关断吋，保证门极电阻较小，图4中当关断时ニ极管D3使R12和Rll并联，减小门极电阻；(3)门极发射极电路电感应尽可能小。
权利要求1.一种兆瓦级风电变流器IGBT驱动电路，它是由模块开关器件ADG202、绝缘栅双极型晶体管IGBT、IGBT集电极电路和IGBT门极电路组成的，其特征在于模块开关器件ADG202分别连接IGBT集电极电路和IGBT门极电路，IGBT集电极电路和IGBT门极电路连接绝缘栅双极型晶体管IGBT。
2.根据权利要求I所述的ー种兆瓦级风电变流器IGBT驱动电路，其特征在于所述的IGBT集电极电路包括电阻R4、三极管N1、电阻R5、电阻R6、三极管N2、电阻R18、ニ极管Z1、电阻R2、电阻R19、比较器LM111、电阻R1、电位器P1、ニ极管Z2、ニ极管D7、电阻R7、ニ极管D1、电容C3，三极管N1的发射极连接电阻R4的一端和模块开关器件ADG202的管脚D2，三极管N1的集电极分别连接电阻R4的另一端、电阻R6的一端、电阻R2的一端、电阻R1的一端和+15V，电阻R5的另一端分别连接电阻R6的另一端和三极管N2的集电极，三极管N2的发射极接地，三极管N2的基极连接电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接ニ极管\的正极，ニ极管\的负极分别连接比较器LMlll的输出端、电阻R2的另一端、电阻R19的一端和模块开关器件ADG202的管脚IN2,比较器LMlll的同相输入端分别连接电阻R19的另一端、电阻R1的另一端和电位器P1的一端，电位器P1的另一端接地，比较器LMlll的反相输入端分别连接ニ极管Z2的负极、ニ极管D7的正极、电容C3的一端和ニ极管D1的负极，电容C3的另一端接地，ニ极管D1的正极连接电阻R7,电阻R7的另一端连接模块开关器件ADG202的管脚S1，ニ极管D7的负极连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极，ニ极管Z2的正极连接-15V。
3.根据权利要求I所述的ー种兆瓦级风电变流器IGBT驱动电路，其特征在于所述的IGBT门极电路包括电阻R3、ニ极管D6、电阻R17、三极管N3、ニ极管Z3、电阻R9、ニ极管D2、电阻R10>电容C4、三极管N4、三极管N5、电容C5、电容C6、ニ极管D3、电阻R12、电阻Rn、ニ极管Z4、ニ极管Z5、和电阻R13,电阻R3的一端分别连接电阻R9的一端和模块开关器件ADG202的S2,电阻R3的另一端接-15V、三极管N3的发射极、电容C4的一端、三极管N5的集电极和电容C6的一端，三极管N3的基极连接ニ极管Z3正扱，ニ极管Z3负极连接光电耦合器FAULT，三极管N3的集电极分别连接电阻R17和电阻Rltl的一端，电阻R17的另一端连接ニ极管D6的负极，ニ极管D6的正极分别连接三极管N4的集电极、电容C5的一端和模块开关器件ADG202的D2,三极管N4的基极的分别连接三极管N5的基板、电阻R9的另一端和ニ极管D2的正扱，三极管N4的发射极分别连接三极管N5的发射极、ニ极管D3的负极和电阻R11的一端，ニ极管D3的正极连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端分别连接电阻R11的另一端、ニ极管Z4的负极、电阻R13的一端和绝缘栅双极型晶体管IGBT的门极，缘栅双极型晶体管IGBT的发射极分别连接电阻R13的另一端、ニ极管Z5的负极和地，ニ极管Z5的正极连接ニ极管Z4的正扱，电容C5的另一端连接电容C6的另一端。
专利摘要本实用新型提供一种兆瓦级风电变流器IGBT驱动电路。它是由模块开关器件ADG202、绝缘栅双极型晶体管IGBT、IGBT集电极电路和IGBT门极电路组成的，模块开关器件ADG202分别连接IGBT集电极电路和IGBT门极电路，IGBT集电极电路和IGBT门极电路连接绝缘栅双极型晶体管IGBT。本实用新型兆瓦级风电变流器IGBT驱动电路，在大功率运行条件下保证IGBT可靠导通、关断，减小IGBT的损耗，在过流、过压等故障情况下保证IGBT可靠的关断，从而保证机组的安全可靠运行。
文档编号H02M1/088GK202455252SQ20112050213
公开日2012年9月26日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者周维来, 程鹏, 裴景斌 申请人:哈尔滨九洲电气技术有限责任公司