IGBT驱动电路及其控制方法、变流器与流程

本发明涉及电子电力技术领域，具体涉及一种igbt驱动电路及其控制方法、变流器。

背景技术：

绝缘栅双极性晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)是风电变流器的核心功率器件，用于实现风力发电机组输出的交流电能到电网电流电能的转换。风电变流器功率模块的设计主要用于保证igbt器件工作在安全的运行电压和温度之下，igbt器件的安全可靠运行主要从电特性和热特性两个维度设计。

通过风电变流器中igbt的失效分析发现，大约30％功率模块失效的原因是电特性中的igbt电气过载(electricaloverstress，eos)击穿。

由于功率模块中铜排、igbt端子固有存在杂散电感，igbt器件在关断时刻集射级会出现电压尖峰，在正常运行的情况下电压尖峰不会很高。在风电变流器运行工况中，存在很多原因导致变流器的直流母线电压过高、输出电流超载的工况，而igbt在高的直流母线电压、大输出电流运行工况下，igbt的关断尖峰电压会升高，导致igbt因为集射级电压过高而击穿。

目前igbt的驱动电路在igbt关断过压抑制方面，主要通过igbt集射级电压钳位方式进行。理想的钳位电路只在特殊工况下作用，同时多数工况有源钳位电路执行动作之后，并不会报出故障，变流器系统继续运行从而无故障的穿过此类工况。

现有技术的钳位电路，在上述特殊工况中，钳位电路持续动作，这一点和钳位电路的设计初衷是矛盾的，这样会带来钳位电路器件故障的风险。为了防止钳位电路在特殊工况下持续动作，通常会提高钳位电压值，但是会导致实际工作的尖峰电压过高，会带来igbt过压击穿的风险。

技术实现要素：

本发明提供了一种igbt驱动电路及其控制方法、变流器，进一步延长igbt的关断时长以解决igbt的过压击穿问题，同时解决过压反馈模块由于持续动作容易失效的问题。

一方面，本发明提供了一种igbt驱动电路，其包括：驱动模块，用于产生驱动igbt动作的驱动信号；推挽模块，连接于驱动模块与igbt之间，用于对驱动信号功率放大，并将功率放大后的驱动信号输出至igbt的门极；过压反馈模块，连接于igbt的集电极与推挽模块之间，用于在igbt关断过压时产生反馈动作；以及检测模块，连接于过压反馈模块与驱动模块之间，用于根据过压反馈模块的反馈动作产生检测信号送至驱动模块，驱动模块根据检测信号调节驱动信号以调节igbt的通断速率。

根据本发明实施例的一个方面，驱动信号包括第一关断信号和第二关断信号；驱动模块包括第一输出端以及第二输出端；驱动模块的第一输出端与推挽模块之间连接有用于传输第一关断信号的第一关断电路，驱动模块的第二输出端与推挽模块之间连接有用于传输第二关断信号的第二关断电路，其中第一关断电路的电阻值大于第二关断电路的电阻值，使得推挽模块接收第一关断信号产生动作的动作时长大于接收第二关断信号产生动作的动作时长；推挽模块包括极性不同且推挽连接的第一推挽三极管、第一推挽三极管，第一关断信号、第二关断信号分别控制推挽模块中的第一推挽三极管以不同的动作时长导通。

根据本发明实施例的一个方面，检测模块包括：检测三极管，检测三级管的基极连接过压反馈模块的反馈端，检测三级管的集电极作为信号端通过复位电路连接预定电压源，信号端还连接驱动模块的输入端；过压反馈模块发生动作使得检测三极管导通并在信号端产生第一检测信号时，驱动模块根据第一检测信号产生第一关断信号；检测三极管关断使得复位电路在信号端产生第二检测信号时，驱动模块根据第二检测信号产生第二关断信号。

根据本发明实施例的一个方面，检测三极管的发射极接地，复位电路为上拉电阻，第一检测信号为低电平检测信号，第二检测信号为高电平检测信号。

根据本发明实施例的一个方面，驱动信号还包括导通信号，驱动模块还包括第三输出端，第三输出端与推挽模块之间连接有用于传输导通信号的导通电路。

根据本发明实施例的一个方面，过压反馈模块包括多个串接的瞬态抑制二极管，过压反馈模块的阳极作为过压反馈模块的反馈端，过压反馈模块的阴极作为过压反馈模块的第一检测端，第一检测端连接igbt的集电极。

根据本发明实施例的一个方面，过压反馈模块的反馈端还连接igbt的门极。

另一方面，本发明提供一种igbt驱动电路的控制方法，应用于上述任一项的igbt驱动电路，该igbt驱动电路的控制方法包括：检测过压反馈模块的动作；在检测到过压反馈模块发生反馈动作时获得第一检测信号；根据第一检测信号进入第一关断模式，在第一关断模式，控制推挽模块在第一时长内完成动作，使得igbt在第一时长内关断；在第一时长后切换至第二关断模式，在第二关断模式，控制推挽模块在第二时长内完成动作，使得igbt在第二时长内关断，其中第一时长大于第二时长；在第一时长后再次进行检测过压反馈模块的动作的步骤，并根据第一检测信号进入第一关断模式，直至检测到过压反馈模块未发生反馈动作以获得第二检测信号；根据第二检测信号进入第二关断模式。

根据本发明实施例的一个方面，控制方法还包括：对获得的第一检测信号进行记录，当在预定时长内持续检测得到第一检测信号时，产生故障信息并向外发送。

再一方面，本发明提供一种变流器，其包括上述任一项的igbt驱动电路。

根据本发明实施例提供的igbt驱动电路，增加检测模块以向驱动模块提供检测信号，驱动模块根据检测信号得知igbt的工况从正常工况变为过电压的特殊工况，从而调节驱动信号以调节igbt的通断速率，进一步延长igbt的关断时长以解决igbt的过压击穿问题，在特殊工况的时长内，降低过压反馈模块的动作次数，解决过压反馈模块由于持续动作容易失效的问题。

根据本发明实施例提供的igbt驱动电路的控制方法，当igbt的工况从正常工况变为过电压的特殊工况时，igbt的关断进入第一关断模式，其中第一关断模式中igbt的关断时长大于正常工况时第二关断模式中igbt的关断时长，通过进一步延长igbt的关断时长解决了igbt的过压击穿问题。此外，第一时长后，再次进行检测的步骤并根据第一检测信号进入第一关断模式，直至穿越特殊工况，使得特殊工况的时长内，过压反馈模块只动作有限次，而非持续动作，降低过压反馈模块由于持续动作容易失效的风险。

根据本发明实施例的一种变流器，解决igbt的过压击穿问题以提高igbt运行的可靠性，解决过压反馈模块由于持续动作容易失效的问题以提高igbt驱动电路以及变流器运行的可靠性。变流器应用于风力发电机组中时，可以减少风力发电机组的发电损失。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1示出根据本发明实施例的igbt驱动电路的结构框图；

图2示出根据本发明实施例的igbt驱动电路的电路结构图；

图3示出根据本发明实施例的igbt驱动电路的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1示出根据本发明实施例的igbt驱动电路的结构框图，该igbt驱动电路包括驱动模块110、推挽模块120、过压反馈模块130以及检测模块140。驱动模块110用于产生驱动igbt200动作的驱动信号。推挽模块120连接于驱动模块与igbt200之间，用于对驱动信号功率放大，并将功率放大后的驱动信号输出至igbt200的门极。过压反馈模块130连接于igbt200的集电极与推挽模块120之间，用于在igbt200关断过压时产生反馈动作。

检测模块140连接于过压反馈模块130与驱动模块110之间，用于根据过压反馈模块130的反馈动作产生检测信号送至驱动模块110，驱动模块110根据检测信号调节驱动信号以调节igbt200的通断速率。

根据本发明实施例提供的igbt驱动电路，增加检测模块140以向驱动模块110提供检测信号，驱动模块110根据该检测信号得知igbt200的工况从正常工况变为过电压的特殊工况，从而调节驱动信号110以调节igbt200的通断速率，可以进一步延长igbt200的关断时长，降低igbt200的关断尖峰电压，以解决igbt200的过压击穿问题。特殊工况下igbt200的关断时长大于正常工况下igbt200的关断时长，从而可以在特殊工况的时长内，降低过压反馈模块130的动作次数，解决过压反馈模块130由于持续动作容易失效的问题。

图2示出根据本发明实施例的igbt驱动电路的电路结构图，igbt200具有门极g0、集电极c0以及发射极e0。

推挽模块120包括极性不同且推挽连接的第一推挽三极管q21、第二推挽三极管q22，推挽模块120可以包括基极端b2以及发射极端e2，其中推挽模块120的发射极端e2连接igbt200的门极g0。在一些实施例中，推挽模块120的发射极端e2与igbt200的门极g0之间可以连接有第一电阻r21。

过压反馈模块130也即钳位电路，包括多个串接的瞬态抑制二极管(transientvoltagesuppressor，tvs)z1、z2、z3、z4，能够在igbt200的尖峰电压高于预定值时产生反馈动作。过压反馈模块130包括第一检测端c3以及反馈端a3。过压反馈模块130的阳极作为过压反馈模块130的反馈端a3，过压反馈模块130的阴极作为过压反馈模块130的第一检测端c3。其中过压反馈模块130的第一检测端c3连接igbt200的集电极c0，过压反馈模块130的反馈端a3连接推挽模块120。

在一些实施例中，过压反馈模块130的第一检测端c3与igbt200的集电极c0之间可以连接有第二电阻r31。在一些实施例中，过压反馈模块130的反馈端a3连接推挽模块120的基极端b2，并且两者之间可以设置第三电阻r32。在一些实施例中，过压反馈模块130的反馈端a3还连接igbt200的门极g0，并且两者之间可以设置第四电阻r33。

驱动模块110包括输入端pin以及输出端，驱动模块110的输出端连接推挽模块120。本实施例中，驱动模块110的输出端连接推挽模块120的基极端b2。

检测模块140包括第二检测端d4以及信号端s4，检测模块140的第二检测端d4连接过压反馈模块130的反馈端a3，检测模块140的信号端s4连接驱动模块110的输入端pin。检测模块140根据第二检测端d4检测到的过压反馈模块130的反馈动作产生检测信号，并且由信号端s4送至驱动模块110的输入端pin。

在本实施例中，驱动信号包括第一关断信号和第二关断信号。驱动模块110包括第一输出端t1以及第二输出端t2。驱动模块110的第一输出端t1与推挽模块120之间连接有用于传输第一关断信号的第一关断电路151，驱动模块110的第二输出端t2与推挽模块120之间连接有用于传输第二关断信号的第二关断电路152。其中，第一关断电路151的电阻值大于第二关断电路152的电阻值，使得推挽模块120接收第一关断信号产生动作的动作时长大于接收第二关断信号产生动作的动作时长。

本实施例的推挽模块120包括极性不同且推挽连接的第一推挽三极管q21、第二推挽三极管q22。在一些实施例中，第一推挽三极管q21为pnp型三极管，第二推挽三极管q22为npn型三极管。其中，第一关断信号、第二关断信号可以分别控制推挽模块120中的第一推挽三极管q21以不同的动作时长导通，进而分别控制igbt200以不同的动作时长关断。第一推挽三极管q21接收第一关断信号产生导通动作的动作时长大于接收第二关断信号产生导通动作的动作时长，使得在第一关断信号的驱动下igbt200的关断时长大于在第二关断信号的驱动下igbt200的关断时长。

在正常工况下控制igbt200关断时，采用第二关断信号进行关断动作。在igbt200的尖峰电压高于预定值的过电压特殊工况下，驱动电路可以采用第一关断信号进行关断动作，相对正常工况下延长igbt200的关断时长，降低igbt200的关断尖峰电压，避免igbt200的过压击穿。

由于采用第一关断信号使得关断时长显著延长，在整个特殊工况的时长内，采用第一关断信号驱动igbt200关断，相比正常工况下的关断方式，可以明显减少过压反馈模块130的动作次数，可以避免过压反馈模块130由于持续动作容易失效的问题。

在本实施例中，第一关断电路151上串接第一关断电阻r51，第二关断电路152上串接第二关断电阻r52，第一关断电阻r51远大于第二关断电阻r52，使得第一关断电路151的电阻远大于第二关断电路152的电阻，从而降低推挽电路120所包括器件的通路电流。

在一些实施例中，驱动信号还包括导通信号，驱动模块110还包括第三输出端t3，第三输出端t3与推挽模块120之间连接有用于传输导通信号的导通电路153。其中，在一些实施例中，导通电路153上可以串接导通电阻r53。

本实施例的驱动模块110包括检测三极管q4。其中，检测三级管q4的基极b4作为第二检测端d4连接过压反馈模块130的反馈端a3，检测三级管q4的集电极c4作为信号端s4通过复位电路141连接预定电压源，如前所述，信号端s4还连接驱动模块110的输入端pin。在一些实施例中，检测三级管q4的基极b4与过压反馈模块130的反馈端a3之间可以连接有第五电阻r41。

根据上述驱动模块110，可以实现将过压反馈模块130的反馈动作向驱动模块110反馈，驱动模块110对工况的判断区分。过压反馈模块130发生动作使得检测三极管q4导通并在信号端s4产生第一检测信号时，驱动模块110根据第一检测信号产生第一关断信号。检测三极管q4关断使得复位电路141在信号端s4产生第二检测信号时，驱动模块110根据第二检测信号产生第二关断信号。

根据本实施例的驱动模块110，通过设置检测三极管q4，能够以数字量的形式检测驱动电路中过压反馈模块130的动作，以方便驱动模块110对工况的判断区分并作出对应决策。

在本实施例中，检测三极管q4的发射极e4接地，复位电路141为上拉电阻，其连接有上拉电阻r42。上述的第一检测信号为低电平检测信号，上述的第二检测信号为高电平检测信号。

本实施例中，驱动模块110包括控制器111以及缓冲器112。其中，控制器111是igbt驱动电路的逻辑控制单元，包含可编程逻辑器件(field－programmablegatearray，fpga)，输入端pin设置于控制器111。缓冲器112与控制器111的电连接，上述的第一输出端t1、第二输出端t2、第三输出端t3设置于缓冲器112，并且分别通过第一关断电路151、第二关断电路152以及导通电路153与推挽模块120电连接。

本发明实施例还提供一种igbt驱动电路的控制方法，其可以应用于控制上述本发明实施例的igbt驱动电路。

图3示出根据本发明实施例的igbt驱动电路的控制方法的流程图。

在步骤s110中，检测过压反馈模块的动作，其中，在正常工况下，过压反馈模块不发生动作，在igbt的尖峰电压高于预定值的过电压特殊工况下，过压反馈模块发生反馈动作。

如果检测到过压反馈模块发生反馈动作则进行步骤s120，如果如果检测到过压反馈模块发生反馈动作则进行步骤s140。

步骤s120中，在检测到过压反馈模块发生反馈动作时获得第一检测信号。

接着进行步骤s130，根据第一检测信号进入第一关断模式。在第一关断模式，控制推挽模块在第一时长内完成动作，使得igbt在第一时长内关断。

在第一时长后切换至第二关断模式。其中，在第二关断模式，控制推挽模块在第二时长内完成动作，使得igbt在第二时长内关断，其中第一时长大于第二时长。

本发明实施例的控制方法中，在步骤s130进行的第一时长后，再次进行步骤s110检测的步骤，如果过压反馈模块发生反馈动作，说明仍然处于特殊工况中，根据第一检测信号进入第一关断模式，即检测到过压反馈模块发生反馈动作继续进行步骤s120。

上述步骤循环进行，直至检测到过压反馈模块未发生反馈动作，此时说明已经穿越特殊工况而进入正常工况，即检测到过压反馈模块未发生反馈动作进行步骤s140。

在步骤s140中，检测到过压反馈模块未发生反馈动作以获得第二检测信号。

接着进行步骤s150，根据第二检测信号进入第二关断模式。如前所述，第二关断模式使得igbt在第二时长内关断。

在本实施例中，igbt驱动电路的驱动模块的输出端与推挽模块之间连接有第一关断电路以及第二关断电路，其中第一关断电路的电阻大于第二关断电路的电阻。

在第一关断模式，驱动模块的输出端通过第一关断电路向推挽模块传输第一关断信号；在第二关断模式，驱动模块的输出端通过第二关断电路向推挽模块传输第二关断信号。

由于第一关断电路的电阻大于第二关断电路的电阻(通常第一关断电路的电阻远大于第二关断电路的电阻)，使得第一关断模式相对第二关断模式，推挽电路所包括器件的通路电流更低，从而降低推挽电路内器件的动作速率，相应地，第一关断模式下igbt的关断时长大于第二关断模式下igbt的关断时长，降低igbt的关断尖峰电压，避免igbt的过压击穿。

本实施例中，在整个特殊工况的时长内，驱动电路进行一次或循环有限次地进入第一关断模式，在相同的特殊工况时长内，由于第一关断模式下igbt关断时长远大于第二关断模式下igbt关断时长，其模式切换次数限制减少，可以显著减少过压反馈模块乃至整个驱动电路的动作次数，可以避免过压反馈模块由于持续动作容易失效的问题。

在一些实施例中，控制方法还可以包括：对获得的第一检测信号进行记录，当在预定时长内持续检测得到第一检测信号时，产生故障信息并向外发送。

例如在上述本发明实施例的驱动电路中，如果在一段时间内，驱动模块110的输入端pin持续检测到第一检测信号，则产生故障信息，当上述电路应用于风力发电机组的变流器中时，可以将该故障信息传送至变流器控制器，变流器控制器根据该故障信息进行停机检测。

本发明实施例还提供一种变流器，其包括上述任一实施例的igbt驱动电路。

根据本发明实施例的一种变流器，通过调节驱动信号以调节igbt的通断速率，可以进一步延长igbt的关断时长，降低其关断尖峰电压，以解决igbt的过压击穿问题，提高igbt运行的可靠性。此外还降低过压反馈模块的动作次数，解决过压反馈模块由于持续动作容易失效的问题，提高igbt驱动电路以及变流器运行的可靠性。在提高igbt以及igbt驱动电路以及变流器运行的可靠性的基础上，变流器应用于风力发电机组中时，可以减少风力发电机组的发电损失。

依照本发明如上文所述的实施例，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。