本實用新型涉及保護電路領域，特別涉及一種I型三電平保護電路。
背景技術：
：隨著全球能源的日漸枯竭，需要為全球能源供應創(chuàng)造一個新基礎，可再生能源的使用是其中的一個關鍵問題。太陽能是目前使用較為廣泛的一種可再生能源，光伏系統(tǒng)擔負著將太陽能轉換為電能的重任，而其中的光伏逆變器存在巨大的技術優(yōu)化潛力。與傳統(tǒng)的常用于光伏逆變器的兩電平拓撲結構相比，三電平逆變器以其輸出電壓更接近正弦波、電壓和電流諧波含量少、開關器件電壓應力小、開關頻率低、開關損耗小等優(yōu)點受到越來越廣泛的關注和應用。隨著三電平技術在光伏領域的應用越來越廣泛，光伏逆變器在運行過程中通常會有各種故障。當逆變器發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)的兩電平技術只要檢測出故障，關斷其中的一個開關管，切斷短路回路就可以進行保護。而對于I型拓撲結構的逆變器來說，對關斷時序有特定的要求，即需要遵循先關外管，后關內管的原則。現(xiàn)有技術的保護電路中，雖然實現(xiàn)了"先關外管，后關內管"，但卻不能確保各個IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體管)在短路大電流、系統(tǒng)雜散電感過大導致的過壓情況下能夠安全進行關斷和得到保護。技術實現(xiàn)要素：本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術中不能確保各個IGBT在短路大電流、系統(tǒng)雜散電感過大導致的過壓情況下能夠安全進行關斷和得到保護的問題，提出一種I型三電平保護電路。為解決上述技術問題，本實用新型采用以下技術方案：一種I型三電平保護電路，包括門極保護電路、有源鉗位保護電路、短路保護電路和驅動及軟關斷保護電路；所述短路保護電路與IGBT的集電極連接并與所述驅動及軟關斷電路串聯(lián)，所述門極保護電路串聯(lián)在所述驅動及軟關斷電路和IGBT的門極之間，所述有源鉗位保護電路設置在IGBT的門極和集電極之間；所述門極保護電路控制IGBT的開通和關斷；所述有源鉗位保護電路用于抑制IGBT關斷時的過電壓應力；所述短路保護電路用于在IGBT發(fā)生短路時先關閉I型三電平逆變器電路中兩端的IGBT，然后再關閉中間的IGBT；所述驅動及軟關斷保護電路用于驅動IGBT并實現(xiàn)IGBT的軟開通、軟關斷。在一些優(yōu)選的實施方式中，IGBT的門極串聯(lián)有一個上拉鉗位二極管，起抑制門極開通時電壓過沖的作用。在進一步優(yōu)選的實施方式中，IGBT的門極與發(fā)射極之間設有一穩(wěn)壓管，用于在門極出現(xiàn)過沖時限制門極開通、關斷的電壓。在更進一步優(yōu)選的實施方式中，IGBT的門極與發(fā)射極之間設有一個電容，用于抑制門極開通、關斷時的波形振蕩。在更加進一步優(yōu)選的實施方式中，IGBT的門極與發(fā)射極之間還設有一個電阻，所述電阻與電容并聯(lián)，用于為所述電容提供放電回路。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述有源鉗位保護電路還包括一個反接在負電壓處的鉗位二極管，用于在所述有源鉗位保護電路不動作時限制有源鉗位保護電路末端的電位的浮動幅度。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述有源鉗位保護電路包括第一級有源鉗位保護電路和第二級有源鉗位保護電路。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述門極保護電路包括開通電阻、關斷電阻、開關二極管，所述開關二極管將開通電阻和關斷電阻的導通回路分開。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述短路保護電路包括短路檢測電路、參考電壓調節(jié)電路和比較器，所述短路檢測電路將檢測到的IGBT的集電極的實時電壓輸送到比較器，所述參考電壓調節(jié)電路用于調節(jié)IGBT的集電極的參考電壓并將該參考電壓輸送到比較器，所述比較器將實時電壓和參考電壓進行比較。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述驅動及軟關斷保護電路包括驅動電路、軟關斷電阻、支撐電容、推挽三極管和鉗位二極管；所述推挽三極管和所述鉗位二極管橋接，所述支撐電容設置在所述推挽三極管和所述鉗位二極管的兩個公共端，所述軟關斷電阻串聯(lián)在所述驅動電路和位于負電壓一端的支撐電容之間；所述驅動電路包括串聯(lián)在一起的邏輯電路和限流電阻，所述驅動電路為IGBT提供驅動信號。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果有：先通過短路保護電路和門極保護電路實現(xiàn)“先關外管后關內管”，然后采用軟關斷保護和有源鉗位電路的雙重保護功能，使I型三電平的各個IGBT關斷時的過電壓應力都不會超過IGBT的正常工作范圍，從而確保各個IGBT在短路大電流、系統(tǒng)雜散電感過大導致的過壓情況下能夠安全進行關斷和得到保護。在優(yōu)選的實施例中，本實用新型還具有如下有益效果：進一步地，通過在IGBT的門極串聯(lián)有一個上拉鉗位二極管，在門極電壓超過開通電壓時，能夠打開上拉鉗位二極管，使門極電壓不會超過開通電壓，進而保護IGBT。進一步地，IGBT的門極與發(fā)射極之間設有一穩(wěn)壓管，使得門極電壓出現(xiàn)正負過沖時的開通、關斷電壓都在控制范圍內。進一步地，在IGBT的門極與發(fā)射極之間設有一個電容，可以在一定程度上抑制門極開通關斷時的波形振蕩；在IGBT的門極與發(fā)射極之間還設有一個電阻，讓IGBT關斷的時候可以為電容提供放電回路。進一步地，有源鉗位保護電路還包括一個反接在負電壓處的鉗位二極管，以確保在有源鉗位電路在不動作的時候，其末端的電位不會浮動得太厲害。進一步地，有源鉗位保護電路包括第一級有源鉗位保護電路和第二級有源鉗位保護電路，可反復鉗制住IGBT的集電極的電壓，以防止IGBT的集電極的電位過高。附圖說明圖1為本實用新型的實施方式提供的一種I型三電平保護電路的第一實施例的原理圖；圖2為本實用新型的實施方式提供的一種I型三電平保護電路的第一實施例的結構示意圖；圖3為本實用新型的實施方式提供的一種I型三電平保護電路的一種實施例的門極保護電路的結構示意圖；圖4為本實用新型實施方式提供的一種I型三電平保護電路的一種實施例的有源鉗位保護電路的結構示意圖；圖5為本實用新型實施方式提供的一種I型三電平保護電路的一種實施例的短路保護電路的結構示意圖；圖6為本實用新型實施方式提供的一種I型三電平保護電路的一種實施例的短路檢測電路的結構示意圖；圖7為本實用新型實施方式提供的一種I型三電平保護電路的一種實施例的RC參考曲線圖；圖8為本實用新型實施方式提供的一種I型三電平保護電路的一種實施例的驅動及軟關斷保護電路的結構示意圖；圖9為本實用新型的實施方式提供的一種I型三電平保護電路的第二實施例的結構示意圖；圖10為本實用新型的實施方式提供的一種I型三電平保護電路的第三實施例的結構示意圖；圖11為本實用新型的實施方式提供的一種I型三電平保護電路的第三實施例的結構示意圖；圖12為本實用新型的實施方式提供的一種I型三電平保護電路的第三實施例的結構示意圖；圖13為本實用新型的實施方式提供的一種I型三電平保護電路的第四實施例的結構示意圖。具體實施方式以下對本實用新型的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實用新型的范圍及其應用。第一實施例圖1為本實用新型的實施方式提供的一種I型三電平保護電路的第一實施例的原理圖，圖2為本實用新型的實施方式提供的一種I型三電平保護電路的第一實施例的結構示意圖，附圖中的x表示I型三電平保護電路中的第x個IGBT的下標。如圖1和2所示，在I型三電平保護電路中，每個IGBT的保護電路都包括門極保護電路1、有源鉗位保護電路2、短路保護電路3和驅動及軟關斷保護電路4。如圖2所示，短路保護電路3與IGBT的集電極連接并與驅動及軟關斷電路4串聯(lián)，門極保護電路1串聯(lián)在驅動及軟關斷電路4和IGBT的門極之間，有源鉗位保護電路2設置在IGBT的門極和集電極之間。其中，Ex表示連接門極保護電路1、驅動及軟關斷電路4和短路保護電路3的端點，VISOx+、VISOx-分別表示IGBT門極的正常工作電壓的正電壓端和負電壓端，SENSEx表示連接有源鉗位保護電路2和驅動及軟關斷電路4的推挽端。如圖2所示，在I型三電平保護電路中，當IGBT發(fā)生單管短路、直通短路或橋臂短路時，短路保護電路3能夠檢測出短路故障，并在短時間向驅動及軟關斷電路4發(fā)出故障信號SOx,驅動及軟關斷電路4會封鎖掉IGBT的門極的前一級驅動信號并控制門極保護電路1實現(xiàn)對IGBT的關斷，當前的驅動信號在驅動及軟關斷電路4中慢慢放電，以減緩IGBT的關斷速度。IGBT在開通、關斷的時候產生的尖峰電壓非常高，非常容易損壞。由于有源鉗位保護電路2的存在，能夠抑制IGBT關斷時的尖峰電壓，使IGBT的集電極和發(fā)射極不會因過壓損壞。在其它實施例中，如圖3，門極保護電路1包括開通電阻Rgonx1、Rgonx2，關斷電阻Rgoffx1、Rgoffx2，開關二極管Donx和Doffx；開關二極管Donx和Doffx分別控制開通電阻Rgonx1、Rgonx2和關斷電阻Rgoffx1、Rgoffx2的導通回路?？刂艻GBT開通時，驅動信號流入開關二極管Donx后再通過開通電阻Rgonx1、Rgonx2流入IGBT的門極。IGBT關斷時，電流流入開關二極管Doffx后再通過關斷電阻Rgoffx1、Rgoffx2。在其它實施例中，如圖4，有源鉗位保護電路2包括第一級有源鉗位保護電路201和第二級有源鉗位保護電路202。第一級有源鉗位保護電路201包括3個串聯(lián)在IGBT的集電極的TVS(TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSOR，瞬變電壓抑制二極管)管TVSx1、TVSx2、TVSx3以及串聯(lián)在IGBT的門極的鉗位二極管Dsx1、電阻RxI1。第二級有源鉗位保護電路202包括一個串聯(lián)在第一級有源鉗位保護電路201的末端和驅動及軟關斷保護電路之間的電阻RxI2。當IGBT集電極電位過高并超過有源鉗位保護電路的保護閾值時，TVS管TVSx1、TVSx2、TVSx3會被擊穿，會有電流I1先流進IGBT的門極，門極的電位得到一定程度的抬升，從而使關斷電流不會過于陡峭。如果擊穿TVS管的電流較大，還有一部分電流I2會流進驅動及軟關斷保護電路4，將I2進一步放大，使門極電位抬升的程度更大一些，使關斷電流更小，IGBT的集電極電位更低。由于這兩級有源鉗位的存在，可反復鉗制住集電極的電壓，進而保證IGBT不會損壞。在其它實施例中，如圖5，短路保護電路3包括短路檢測電路310、參考電壓調節(jié)電路320和比較器330。短路檢測電路310與參考電壓調節(jié)電路320串聯(lián)在IGBT的集電極上。短路檢測電路310將檢測到的IGBT的集電極的實時電壓Vcesatx輸送到比較器330，參考電壓調節(jié)電路用于調節(jié)IGBT的集電極的參考電壓Vref并將該參考電壓Vrefx輸送到比較器330，比較器330將實時電壓Vcesat和參考電壓Vref進行比較。如果實時電壓Vcesatx高于參考電壓Vref，比較器330發(fā)出故障信號SOx至驅動及軟關斷電路4。在進一步的實施例中，如圖6，短路檢測電路310包括串聯(lián)在一起的兩個高壓二極管Dh1x和Dh2x、電阻Rcx、電容CCx，參考電壓調節(jié)電路320包括并聯(lián)在一起的電阻Rx和電容Cx。電阻Rx調節(jié)參考電壓Vref，根據(jù)圖7的RC參考曲線，通過調節(jié)電阻Rx和電容Cx可改變參考時間tref，參考下表，從而實現(xiàn)IGBT在10uS內關斷，IGBT不會因短路的進一步發(fā)生而損壞。對于I型三電平這種拓撲結構而言，在系統(tǒng)中發(fā)生各種類型的短路故障時，一定會有外管參與其中的。通過調節(jié)電阻Rx和電容Cx改變參考時間tref，外管的短路檢測及保護時間要比內管的要短一些。這樣，在發(fā)生短路時，總能先檢測出外管的短路故障信號SOx，并對外管進行軟關斷。外管關斷一段時間后，短路電流會降低很多，此時檢測出內管的故障信號SOx，并對內管進行軟關斷之后，電壓尖峰就會非常小。通過這種低成本的精簡電路，很好地實現(xiàn)了短路故障時I型三電平這種拓撲結構“先關外管，再關內管”的原則，確保了各個IGBT的安全關斷。參考電壓VrefRX阻值CX＝0pFCX＝100pFCX＝220pFCX＝470pFCX＝1nF2VRX＝2kΩ0.5μs1.5μs3μs5μs7μs4VRX＝5.4kΩ1μs3μs4μs9μs6VRX＝12kΩ1μs4μs6μs8VRX＝32kΩ1μs5μs7μs9VRX＝70kΩ1μs5μs7μs在其它實施例中，如圖8，驅動及軟關斷保護電路4包括驅動電路410、軟關斷電阻Rssdx、兩個支撐電容Ce1x、Ce2x、推挽三極管420和鉗位二極管430。推挽三極管420和鉗位二極管430橋接，兩個支撐電容Ce1x、Ce2x分別連接到推挽三極管420和鉗位二極管430的兩個公共端P1x、P2x，軟關斷電阻Rssdx串聯(lián)在所驅動電路410和位于負電壓VISOx-一端的支撐電容Ce2x之間。驅動電路410包括串聯(lián)在一起的邏輯電路411和限流電阻Rmix，驅動電路410為IGBT提供驅動信號。當邏輯電路411接收到故障SOx時，門極驅動前一級的驅動信號會被封鎖，此時門極驅動信號會通過軟關斷電阻Rssdx慢慢放電，減緩IGBT的關斷速度，從而減小IGBT關斷時的尖峰電壓，進一步保證IGBT的關斷在安全范圍內。根據(jù)上述內容可知，本申請中的I型三電平保護電路，在IGBT發(fā)生發(fā)生短路故障時，可迅速實現(xiàn)對IGBT的軟關斷并確保各個IGBT關斷時的過電壓應力都不會超過IGBT的正常工作范圍。第二實施例如圖9，在一些實施例的基礎之上，在IGBT的門極串聯(lián)有一個上拉鉗位二極管Dtx。當門極電壓超過開通電壓VISOx+時，二極管Dtx能夠打開，這樣門極電壓就不會超過VISOx+，從而保護IGBT。第三實施例如圖10，在一些實施例的基礎之上，在IGBT的門極與發(fā)射極之間設置一個穩(wěn)壓管ZDx。當門極電壓出現(xiàn)正負過沖時，穩(wěn)壓管ZDx都會起作用，使門極開通、關斷的電壓都控制在正常工作范圍內。在進一步的實施例中，如圖11，IGBT的門極與發(fā)射極之間設有一個電容Cgex。這樣，通過電容Cgex可以抑制門極開通關斷時的波形振蕩。在更進一步的實施例中，如圖12，IGBT的門極與發(fā)射極之間還設有一個電阻Rgex，與電容Cgex并聯(lián)。在IGBT關斷的時候，電容Cgex會出現(xiàn)米勒效應，電阻Rgex的存在就為米勒電容Cgex提供了放電回路。第四實施例如圖13，在一些實施例的基礎之上，在有源鉗位保護電路2中加入一個反接在負電壓端VISOx-處的鉗位二極管Dsx2，這樣可以確保在有源鉗位保護電路2不動作的時候，有源鉗位保護電路2末端A的電位浮動的時候能夠限制在負電壓端。以上內容是結合具體/優(yōu)選的實施方式對本申請所作的進一步詳細說明，不能認定本申請的具體實施只局限于這些說明。對于本申請所屬
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本申請構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬于本申請的保護范圍。當前第1頁1 2 3