专利名称：大功率变流器的绝缘栅双极性三极管(igbt)的短路关断方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的大功率变流器的保护方法，可以应用于包括风电变流器， 船用推进变流器等任何大功率变流器应用。本方法应用于变流器的绝缘栅双极性三极管 (IGBT)门极驱动电路。本发明实现了绝缘栅双极性三极管(IGBT)短路时的尽可能快速的 关断，同时也可以保护了 IGBT不会被过大的电压超调而损坏。
背景技术：
大功率变流器具有广阔的应用背景，并且已经成为多个产业中的核心设备之一， 由于绝缘栅双极性三极管(IGBT)具有电压电流应用范围大以及开关速度快的特点，是目 前主流大功率变流器中的核心开关器件。绝缘栅双极性三极管(IGBT)属于全控型的电力电子器件，IGBT的导通和关断 全部由门极电压控制。绝缘栅双极性三极管(IGBT)由专有的门极驱动电路控制。，如图1 所示，在IGBT导通过程中，门极驱动电路迅速对门极-发射极电容Cge(I)充电以提升门 极-发射极电压。当门极-发射极电压超过IGBT的导通阈值时，IGBT导通。在IGBT关断 过程中，门极驱动电路迅速将门极-发射极电容Cge(I)放电以降低门极-发射极电压。当 门极-发射极电压低于IGBT的导通阈值时，IGBT关断。门极驱动电路的实现由门极驱动 脉冲电压加门极电阻组成。门极驱动脉冲电压具备正负电压输出，具有给门极-发射极电 容Cge(I)冲放电的电流驱动能力。门极驱动电阻负责控制Cge的冲放电电流大小，Cge的 冲放电电流决定了门极电压的变动速度，从而起到了控制IGBT的开关速度。整个开关过程 由图2所示。由图2所示，在绝缘栅双极性三极管(IGBT)关断过程中，由于IGBT的派生电容， 在电流迅速降低过程中，集电极-发射极的电压将产生超调电压。如果超调电压超出了 IGBT的安全范围，将造成IGBT器件过电压损毁。因此，在设计驱动电路时，需要调整门极关 断电阻以减缓IGBT的关断速度，确保关断超调电压在IGBT的安全范围内。除了正常的工作范围内，为了提高变流器的可靠性，绝缘栅双极性三极管(IGBT) 必须要具备短路关断的能力。短路关断需要满足两个条件；第一是短路器件必须在极短的 时间内关断，否则器件会因为短路电流的热效应而损毁，目前兆瓦级变流器所使用的器件 的短路关断时间要求在IOus左右，关断速度越快，器件在短路情况下存活的概率就越高。 第二是短路器件关断时不得产生过高的超调电压，如果关断速度过快的话，势必造成超调 电压过大，同样会损毁IGBT。为了满足短路关断第二个条件，专利US6335608提出了软关断技术，该技术目前 已在业内得到广泛的应用。具体实现方式如图3所示，软关断技术在图1的基础上增加了 一个软关断电阻(3)，在正常开关条件下，软关断电阻被一个与其并联的开关管(4)旁路， 开关速度由门极电阻(2)决定。在门极驱动电路检测到短路的条件下(短路条件由集电 极-发射机电压测量比较模块(5)完成)，旁路开关管关断，驱动电路进入软关断状态，开关速度由门极电阻⑵和软关断电阻(3)共同决定。专利US6335608给出的软关断电路虽然成功解决了短路关断时的电压超调的问 题。然而，如图4所示，由于增加了软关断电阻，造成了关断延时(8)的增加。延长器件的 短路关断时间，极易导致器件短路生存率降低，影响变流器的可靠性。
发明内容
本发明的目的是给出了一种新型的短路关断方法，这种关断方法改进了传统软 关断电路的旁路开关控制方法，可以解决软关断电路开关延时过大的缺陷，并且同时保持 软关断技术减少超调电压的优点。为达到上述目的，本发明的构思是如图5所示，软关断技术发挥作用的时刻在于、到t2阶段。在、到、阶段，由于 此时放电过程尚未完成，门极电压尚未降到IGBT的关断阈值，因此此时的电压的放电速度 并不影响关断过程，也不会影响超调电压。因此，本发明的构思在于在、到、阶段减小关 断电阻，只使用门极电阻快速放电，尽量减少开关的延时时间，而在、到t2阶段切入软关断 电阻，放慢、到、的放电过程以减小关断电压超调。因此本发明可以在保持软关断技术优 点的同时，减少开关的延时时间。在变流器短路时，尽可能快速地关断短路的IGBT，以达到 保护变流器的作用。根据上述的发明构思，本发明的技术方案如下本发明的门极电压检测判断电路与软关断电路相似，因此不必在传统的门极驱动 电路的基础上做大范围的改动。如图3以及图5所示，本发明在软关断电路的基础上改进 了软关断旁路开关的关断时间，本发明的软关断电阻的旁路开关，并不像普通软关断方案 中在系统检测到短路电流同时关断。本发明增加了门极电压检测判断电路，当门极驱动逻 辑电路检测到短路发生时，本发明首先用门极电阻快速放电，同时用门极电压检测判断电 路检测门极电压的大小。当门极电压接近关断阈值时，逻辑电路发出信号关断旁路开关，此 时软关断电阻与门极电阻串联以减慢门极电压的放电速度，从而减慢开关过程并减小IGBT 关断时所产生的超调电压。本发明于现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点 在抑制超调电压的同时，减少了 IGBT的关断时间，增加了 IGBT在短路时刻中的
存活率。 不需要显著改变驱动电路，没有增加电路的复杂度。
图1是IGBT门极驱动电路的原理示意图。图2是IGBT导通以及关断过程波形示意图。图3是软关断方案的门极驱动电路图。图4是普通关断过程以及软关断过程波形示意图。图5是本发明的关断过程的波形示意图。图6为本发明的实施案例电路实现图。图中1.门极-发射极电容，2.门极电阻，3.软关断电阻，4.旁路开关，5.集电 极-发射极电压测量比较电路，6.软关断命令信号，7.短路判断信号，8.关断延时，9.门极电压判断信号，10.门极-发射极电压测量比较电路，11.门极-发射极电压反馈，12.门 极-发射极电压阈值，13.部分门极驱动逻辑电路，14.集电极-发射极电压反馈，15.集电 极-发射极短路电压阈值。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合附图详述如下本发明的实施电路范例如图6所示，相比起普通的软关断电路，本实施电路仅增 加了一个简单的门极-发射极电压测量比较电路(10)。比较电路的实现由一个普通的运放 比较器完成，比较器的输入分别为门极-发射极电压反馈(11)以及门极-发射极电压阈值 (12)。门极发射极电压阈值为IGBT开关阈值加1伏。比较器取反输出之后给出门极电压 判断信号(9)。门极电压判断信号在在门极_发射极电压反馈低于或者等于门极_发射极 电压阈值时，输出为高信号，表明此时已经进入关断实施阶段即、到t2阶段。当IGBT达到短路电流时，系统通过集电极-发射极电压检测到器件短路并给出短 路判断信号(7)。集电极-发射极电压检测电路如图6所示，检测电路主要由运放比较器 实现，比较器的输入分别为集电极-发射极电压反馈(14)以及集电极-发射极短路电压阈 值(15)。集电极-发射极电压反馈(14)为电压测量结果，而集电极_发射极短路电压阈值 (15)可以在IGBT器件数据手册中查表获得。当集电极_发射极电压反馈高于集电极_发 射极短路电压阈值时，表明IGBT发生短路状况，比较器则输出短路判断信号为高。如图6所示，本发明中门极驱动逻辑电路对门极电压判断信号和短路判断信号进 行处理，具体表现形式为与非逻辑，输出为软开关命令信号。当门极电压判断信号(9)和短 路判断信号同时置高时，软开关命令信号置低，旁路开关(4)关断，此时实际控制冲放电的 电阻为门极电阻⑵和软关断电阻之和，本逻辑电路保证了如图5中所示的、到、中的电 阻组合，电路处于软关断状态。在其他情况下，软开关命令置高，旁路开关(4)导通，实际控 制冲发电的电阻仅为门极电阻，电路并不处于软关断状态。因此，整个电路实现了图5中所 示的技术构思以及技术方案。本发明的适用电路与普通大功率变流器的门极驱动电路相类似，电流放大电路由 通常的三级管放大电路足证，电压的测量与比较由普通的运算放大比较器组成，而门极驱 动逻辑电路则由复杂可编程逻辑器件CPLD (Complex Programable Logic Device)或现场 可编程门阵列 FPGA(Field Programmable Gate Array)实现。
权利要求
大功率变流器的绝缘栅双极性三极管(IGBT)的短路关断方法，其特征在于增加了门极电压放电过程中的检测电路，改进了短路软关断旁路开关的关断方法，减少了整个软关断过程的延迟时间。
2.按照权利要求1所述的大功率变流器的绝缘栅双极性三极管(IGBT)的短路关断方 法，其特征在于具备门极电压放电过程中的检测电路，使用运放比较器检测对门极电压以 及门极电压的关断阈值进行比较。当门极电压已经接近并达到门极电压关断阈值，表明门 极电压初步放电过程已经完成。
3.按照权利要求1所述的大功率变流器的绝缘栅双极性三极管(IGBT)的短路关断方 法，其特征在于改进了短路软关断旁路开关的关断方法，相比其传统的检测到短路时立刻 关断短路软关断旁路开关，本发明利用门极放电过程的检测电路，确保软关断旁路开关在 初步放电过程完成之后再进行动作关断，进入软关断过程。
全文摘要
一种新型的大功率变流器的绝缘栅双极性三极管(IGBT)的短路关断方法，应用于风电变流器和船用变流器等领域。本发明改进了原有的短路软关断技术的旁路开关的关断方法，增加了门极电压放电过程中的检测电路，检测在放电过程中的门极电压，并在门极电压初步放电过程完成之后，再动作旁路开关进入软关断过程。本发明解决了原有的短路软关断技术关断延时偏长的缺陷，减少了原有的短路软关断在放电过程中的延迟时间，减短了软关断动作的操作时间，增加了IGBT在短路过程中的存活率。
文档编号H02H7/08GK101950949SQ20101026024
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月23日 优先权日2010年8月23日
发明者乌云翔, 徐奕翔, 朱臻, 杜欣立, 聂赞相, 邵诗逸 申请人:乌云翔