CN102957133A - 变频器的igbt退饱保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种变频器的IGBT退饱保护电路，包括主电路拓扑结构，还包括连接主电路拓扑结构的逆变桥IGBT、逆变桥IGBT驱动信号功率隔离及放大电路、逆变桥IGBT驱动信号封锁电路，还包括过流保护IGBT、过流管驱动及保护电路、过流管Uce检测及比较电路、过流管退饱和检测电路，所述过流保护IGBT串接在主电路拓扑结构的母线上。还提供相应的方法。本发明具有参数稳定、布线及调试简单、元件质量可靠等优点，不仅能够保护逆变桥IGBT，同时也能保护直流母线上其他功率元件，如整流桥等等，防止因直流母线电流失控导致整流桥损坏或PCB板一次回路铜箔烧毁。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT的退饱保护技术领域，尤其涉及一种三相双电平逆变器的IGBT退饱保护电路及方法。
背景技术
逆变器的主回路开关器件选用IGBT时，需要对IGBT进行退饱保护，其目的是检测出短路后，在IGBT允许承受的短路时间内关闭IGBT，以保证IGBT安全运行。现有技术中可采取的方法有：
方法1、利用电流传感器检测IGBT电流并与限幅阀值比较来判断IGBT是否退饱，并通过封锁各路栅极驱动信号来达到切断故障电流以保护IGBT的目的。
方法2、使用IGBT专用驱动及保护IC，如PC929、A316J等等。在线监测IGBT的集电极与发射极间电压通态压降UCE，一旦UCE超过内部的保护阀值，则马上降低栅极驱动电压，IGBT软关断，从而切断故障电流。
上述方法中，方法1具有简单易实现、硬件投入小的优势，但是其保护效果有限，实际应用发现，方法1在变频器输出被直接短路的情况下保护效果很不理想。
方法2在变频器输出被直接短路的情况下保护效果很好（保护参数合适的情况下），但是IGBT专用驱动及保护IC用量很大，一般是主回路有几个IGBT就需要几个专用驱动及保护IC，驱动板布线复杂，且各路专用驱动及保护IC故障输出信号取获后，送入CPU进行故障判断，因此其维修难度相对较大。
以上两种方法中，共同点是保护电路判定IGBT有故障时，迅速封锁IGBT的栅极驱动信号来达到保护IGBT的目的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种变频器的IGBT退饱保护电路和电路。
根据本发明的一个方面，提供一种变频器的IGBT退饱保护电路，包括主电路拓扑结构，还包括连接主电路拓扑结构的逆变桥IGBT、逆变桥IGBT驱动信号功率隔离及放大电路、逆变桥IGBT驱动信号封锁电路，其特征在于，还包括如下模块：
-过流保护IGBT，所述过流保护IGBT串接在主电路拓扑结构的母线上；
-过流管驱动及保护电路，所述过流管驱动及保护电路连接所述过流保护IGBT的栅极，主电路拓扑结构的CPU模块连接所述过流管驱动及保护电路；
-过流管Uce检测及比较电路，所述过流管Uce检测及比较电路连接在所述过流保护IGBT的集电极和发射极之间，主电路拓扑结构的CPU模块连接所述过流管Uce检测及比较电路；
-过流管退饱和检测电路，所述过流管退饱和检测电路连接至所述过流保护IGBT的集电极，所述过流管驱动及保护电路连接所述过流管退饱和检测电路。
优选地，所述过流管驱动及保护电路和过流管Uce检测及比较电路主要由A316J芯片构成，所述A316J芯片的引脚具体为：
-1引脚和2引脚连接所述CPU模块的过流管控制信号输出端口；
-11引脚作为A316J芯片的控制信号输入端串过第一栅极电阻Rg1后连至过流保护IGBT的栅极；
-6引脚作为故障输出端连接至所述CPU模块的故障I/O引脚；
-5引脚为故障复位端连接至所述CPU模块；
-14引脚连接至所述过流管退饱和检测电路。
优选地，所述过流管退饱和检测电路包括第一电阻R3、快速二极管D7、以及第一电容C3，其中，所述第一电容C3、第一电阻R3、快速二极管D7、过流保护IGBT依次连接。
优选地，所述逆变桥IGBT驱动信号功率隔离及放大电路主要由A3120芯片构成，所述A3120芯片的2引脚和3引脚作为驱动信号输入端，所述A3120芯片的5引脚和6引脚作为输出端串过第二栅极电阻Rg2连接至逆变桥IGBT的栅极。
根据本发明的另一个方面，还提供一种变频器的IGBT退饱保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：变频器上电；主电路拓扑结构的CPU模块检测硬件电路无异常后，向过流管驱动及保护电路发出开通过流保护IGBT的信号；过流管驱动及保护电路输出正向栅极电压，开通过流保护IGBT，过流管Uce检测及比较电路同时监测过流保护IGBT的Uce；
其中，所述过流保护IGBT串接在主电路拓扑结构的母线上，所述过流管驱动及保护电路连接所述过流保护IGBT的栅极，所述过流管Uce检测及比较电路连接在所述过流保护IGBT的集电极和发射极之间，主电路拓扑结构的CPU模块连接所述过流管Uce检测及比较电路；
步骤B：当变频器输出电流异常时，所述过流管Uce检测及比较电路对过流保护IGBT进行软关断，与此同时，过流管驱动及保护电路向所述CPU模块输出故障电平；
步骤C：所述CPU模块向逆变桥IGBT驱动信号封锁电路发送故障信号，逆变桥IGBT驱动信号封锁电路接收到故障信号后马上封锁逆变桥IGBT驱动信号功率隔离及放大电路的PWM输出；
步骤D：所述CPU模块检测到过流管驱动及保护电路的故障电平后马上执行相应的保护程序，并同时显示模块故障信息；
步骤E：当用户排除了硬件故障后，即进行复位操作，解除故障锁定，变频器即可重新运行。
优选地，所述过流管驱动及保护电路和过流管Uce检测及比较电路主要由A316J芯片构成，所述A316J芯片的引脚具体为：
-1引脚和2引脚连接所述CPU模块的过流管控制信号输出端口；
-11引脚作为A316J芯片的控制信号输入端串过第一栅极电阻Rg1后连至过流保护IGBT的栅极；
-6引脚作为故障输出端连接至所述CPU模块的故障I/O引脚；
-5引脚为故障复位端连接至所述CPU模块；
-14引脚连接至过流管退饱和检测电路。
优选地，所述过流管退饱和检测电路包括第一电阻R3、快速二极管D7、以及第一电容C3，其中，所述第一电容C3、第一电阻R3、快速二极管D7、过流保护IGBT依次连接。
优选地，所述逆变桥IGBT驱动信号功率隔离及放大电路主要由A3120芯片构成，所述A3120芯片的2引脚和3引脚作为驱动信号输入端，所述A3120芯片的5引脚和6引脚作为输出端串过第二栅极电阻Rg2连接至逆变桥IGBT的栅极。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的变频器的IGBT退饱保护电路具有参数稳定、布线及调试简单、元件质量可靠等优点；
2、本发明提供的变频器的IGBT退饱保护电路不仅能够保护逆变桥IGBT，同时也能保护直流母线上其他功率元件，如整流桥等等，防止因直流母线电流失控（如逆变桥IGBT发生闩锁效应导致直流母线短路）导致整流桥损坏或PCB板一次回路铜箔烧毁。
附图说明
通过阅读参照以下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：
图1为变频器的主电路拓扑结构电路图；
图2为保护电路整体结构框图；
图3为图1中VT1-VT7栅极隔离及驱动电路图。
图4为图1中VT8栅极隔离驱动及退饱检测电路图。
图1中：VT1-VT6是由6个IGBT组成的两电平逆变桥；VT8为过流保护IGBT；
图2中：1为变频器人机交互界面（HMI），2为变频器微处理器（CPU），3为过流保护IGBT驱动及保护电路，4为过流管Uce检测及比较电路，5为VT1-VT6驱动电路，6为制动管驱动电路。
图3中：A3120芯片的2、3引脚用于PWM输入；
图4中：A316J芯片的1、2引脚用于过流管控制信号输入，5引脚用于保护电路复位信号输入，6引脚用于模块退饱故障信号输出，3、4引脚用于芯片工作电源输入。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-4所示，根据本发明的一个方面提供的所述变频器的IGBT退饱保护电路包括一个串在主电路拓扑结构的母线上的过流保护IGBT（VT8）和一套故障检测及判断电路组成，本发明主要特点在于：只监测串在母线上的过流保护IGBT（VT8）来判断母线是否存在故障电流，其他逆变桥IGBT（VT1-VT7）只需简单驱动即可。
逆变桥IGBT（VT1-VT7）的栅极驱动信号的隔离放大采用专用A3120芯片，A3120芯片的2、3引脚为驱动信号输入端，5、6引脚端为输出端,该输出端串过栅极电阻Rg2连至逆变桥IGBT（VT1-VT7）的栅极G，如图3所示。
如图4所示，采用A316J芯片作为过流保护IGBT（VT8）的过流管驱动及保护电路和过流管Uce检测及比较电路，其具体连接方式是：
a、CPU模块控制过流保护IGBT（VT8）的弱电信号连至A316J芯片的1、2引脚，经A316J芯片内部驱动信号功率隔离及放大电路放大后由11脚输出，串过栅极电阻Rg1后连至过流保护IGBT（VT8）的栅极G。
b、第一电阻R3、快速二极管D 7、第一电容C3构成过流保护IGBT（VT8）的过流管退饱和检测电路，其中，第一电阻R3的作用是针对不同特性的IGBT可微调第一电阻R3以便找到最佳的退饱保护点；快速二极管D7用于阻断高压；第一电容C3为Uce滤波，防止保护电路误动作。
c、A316J芯片的6脚为故障输出，此信号连至CPU模块故障I/O引脚，供CPU对IGBT退饱及时响应。
d、A316J的5脚为故障复位，当IGBT故障消除后，CPU通过此引脚对A316J复位。
根据本发明的另一个方面提供一种变频器的IGBT退饱保护电路的保护方法，包括以下步骤：
步骤A：变频器上电；主电路拓扑结构的CPU模块检测硬件电路无异常后，向过流管驱动及保护电路发出开通过流保护IGBT（VT8）的信号；A316J芯片输出正向栅极电压，开通过流保护IGBT（VT8），并同时监测过流保护IGBT（VT8）的Uce；
步骤B：当变频器输出电流异常时，由于母线电流大于三相输出电流（约1.35倍），过流保护IGBT（VT8）相比其他IGBT(VT1-VT7)更容易退出饱和区，此时A316J芯片内部的所述过流管Uce检测及比较电路对过流保护IGBT进行软关断（降栅压直至其完全关断），与此同时，A316J芯片故障输出脚（6脚）向所述CPU模块输出故障电平；
步骤C：所述CPU模块向逆变桥IGBT驱动信号封锁电路发送故障信号，逆变桥IGBT驱动信号封锁电路接收到故障信号后马上封锁逆变桥IGBT驱动信号功率隔离及放大电路的六路PWM输出，保护逆变桥IGBT；
步骤D：所述CPU模块检测到A316J芯片的故障电平后马上执行相应的保护程序，并同时显示模块故障信息；
步骤E：当用户排除了硬件故障后，即可在HMI上进行复位操作，解除故障锁定，变频器即可重新运行。
下面结合一个具体实施例对本发明进一步说明。
在图3中，逆变及制动逆变桥IGBT（VT1-VT7）的栅极驱动电路由A3120芯片组成。A3120芯片的2、3引脚为驱动信号输入端，2脚对应内部发光二极管的阳极，3脚对应内部发光二极管的阴极，5、6引脚同为输出端，该输出端串过栅极电阻连至逆变桥IGBT（VT1-VT7）的栅极G，当来自控制板的驱动信号令其2脚电压高于3脚2V时，A3120芯片进入开通IGBT状态，其5、6脚输出高电平，继而开通其对应的IGBT，当其2脚电压低于或等于3脚电压时，A3120芯片进入关断IGBT状态，其5、6脚输出低电平，继而关断其对应的IGBT。
本领域技术人员应该理解，所述A316J芯片以及A3120芯片的其它引脚可以根据现有技术（例如芯片的DATDSHEET）和实际需要进行必要的连接，在此不予赘述。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种变频器的IGBT退饱保护电路，包括主电路拓扑结构，还包括连接主电路拓扑结构的逆变桥IGBT、逆变桥IGBT驱动信号功率隔离及放大电路、逆变桥IGBT驱动信号封锁电路，其特征在于，还包括如下模块：
-过流保护IGBT，所述过流保护IGBT串接在主电路拓扑结构的母线上；
-过流管驱动及保护电路，所述过流管驱动及保护电路连接所述过流保护IGBT的栅极，主电路拓扑结构的CPU模块连接所述过流管驱动及保护电路；
-过流管Uce检测及比较电路，所述过流管Uce检测及比较电路连接在所述过流保护IGBT的集电极和发射极之间，主电路拓扑结构的CPU模块连接所述过流管Uce检测及比较电路；
-过流管退饱和检测电路，所述过流管退饱和检测电路连接至所述过流保护IGBT的集电极，所述过流管驱动及保护电路连接所述过流管退饱和检测电路。
2.根据权利要求1所述的变频器的IGBT退饱保护电路，其特征在于，所述过流管驱动及保护电路和过流管Uce检测及比较电路主要由A316J芯片构成，所述A316J芯片的引脚具体为：
-1引脚和2引脚连接所述CPU模块的过流管控制信号输出端口；
-11引脚作为A316J芯片的控制信号输入端串过第一栅极电阻Rg1后连至过流保护IGBT的栅极；
-6引脚作为故障输出端连接至所述CPU模块的故障I/O引脚；
-5引脚为故障复位端连接至所述CPU模块；
-14引脚连接至所述过流管退饱和检测电路。
3.根据权利要求1所述的变频器的IGBT退饱保护电路，其特征在于，所述过流管退饱和检测电路包括第一电阻R3、快速二极管D7、以及第一电容C3，其中，所述第一电容C3、第一电阻R3、快速二极管D7、过流保护IGBT依次连接。
4.根据权利要求1所述的变频器的IGBT退饱保护电路，其特征在于，所述逆变桥IGBT驱动信号功率隔离及放大电路主要由A3120芯片构成，所述A3120芯片的2引脚和3引脚作为驱动信号输入端，所述A3120芯片的5引脚和6引脚作为输出端串过第二栅极电阻Rg2连接至逆变桥IGBT的栅极。
5.一种变频器的IGBT退饱保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：变频器上电；主电路拓扑结构的CPU模块检测硬件电路无异常后，向过流管驱动及保护电路发出开通过流保护IGBT的信号；过流管驱动及保护电路输出正向栅极电压，开通过流保护IGBT，过流管Uce检测及比较电路同时监测过流保护IGBT的Uce；
其中，所述过流保护IGBT串接在主电路拓扑结构的母线上，所述过流管驱动及保护电路连接所述过流保护IGBT的栅极，所述过流管Uce检测及比较电路连接在所述过流保护IGBT的集电极和发射极之间，主电路拓扑结构的CPU模块连接所述过流管Uce检测及比较电路；
步骤B：当变频器输出电流异常时，所述过流管Uce检测及比较电路对过流保护IGBT进行软关断，与此同时，过流管驱动及保护电路向所述CPU模块输出故障电平；
步骤C：所述CPU模块向逆变桥IGBT驱动信号封锁电路发送故障信号，逆变桥IGBT驱动信号封锁电路接收到故障信号后马上封锁逆变桥IGBT驱动信号功率隔离及放大电路的PWM输出；
步骤D：所述CPU模块检测到过流管驱动及保护电路的故障电平后马上执行相应的保护程序，并同时显示模块故障信息；
步骤E：当用户排除了硬件故障后，即进行复位操作，解除故障锁定，变频器即可重新运行。
6.根据权利要求5所述的变频器的IGBT退饱保护方法，其特征在于，所述过流管驱动及保护电路和过流管Uce检测及比较电路主要由A316J 芯片构成，所述A316J 芯片的引脚具体为：
-1引脚和2引脚连接所述CPU模块的过流管控制信号输出端口；
-11引脚作为A316J 芯片的控制信号输入端串过第一栅极电阻Rg1后连至过流保护IGBT的栅极；
-6引脚作为故障输出端连接至所述CPU模块的故障I/O引脚；
-5引脚为故障复位端连接至所述CPU模块；
-14引脚连接至过流管退饱和检测电路。
7.根据权利要求6所述的变频器的IGBT退饱保护电路，其特征在于，所述过流管退饱和检测电路包括第一电阻R3、快速二极管D7、以及第一电容C3，其中，所述第一电容C3、第一电阻R3、快速二极管D7、过流保护IGBT依次连接。
8.根据权利要求5所述的变频器的IGBT退饱保护电路，其特征在于，所述逆变桥IGBT驱动信号功率隔离及放大电路主要由A3120芯片构成，所述A3120芯片的2引脚和3引脚作为驱动信号输入端，所述A3120芯片的5引脚和6引脚作为输出端串过第二栅极电阻Rg2连接至逆变桥IGBT的栅极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160413 |