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一种IGBT过压保护装置及方法
申请号	CN202410123496.5	申请日	2024-01-29	公开(公告)号	CN117955468A	公开(公告)日	2024-04-30
申请人	国网智能电网研究院有限公司; 国家电网有限公司;			发明人	客金坤; 漆良波; 李霄; 许京涛; 高冲; 池浦田;
摘要	本发明涉及高压输电技术领域，公开了一种IGBT过压保护装置及方法，包括：控制器、过压判断单元、电压采集单元及驱动电路，其中，电压采集单元，其用于采集IGBT的集电极与发射极之间的电压；过压判断单元，其用于将采集电压与多个基准电压进行比较后输出多个过压判断结果；驱动电路，其用于基于驱动信号控制IGBT的通断；控制器判断IGBT当前运行工况后，选择与当前运行工况对应的过压判断结果，基于该过压判断结果驱动驱动电路对IGBT进行过压保护。本发明根据IGBT的工况选取该工况下对应的电压比较结果，并按照该电压比较结果控制IGBT导通对应时间，实现对IGBT的可控快速过压保护。
权利要求	1.一种IGBT过压保护装置，其特征在于，包括：控制器、过压判断单元、电压采集单元及驱动电路，其中，电压采集单元，其与所述IGBT连接，其还与所述控制器及所述过压判断单元连接，其用于采集所述IGBT的集电极与发射极之间的电压后，将采集电压发送至所述控制器及所述过压判断单元；过压判断单元，其与所述控制器连接，其用于将所述采集电压与多个基准电压进行比较后，输出多个过压判断结果至所述控制器；驱动电路，其与所述控制器及所述IGBT的栅极连接，其用于基于所述控制器发送的驱动信号控制所述IGBT的通断；控制器，其与IGBT的控制系统连接并获取所述控制系统的工作状态；每个所述基准电压分别等于所述IGBT在一个运行工况下的正常工作电压；所述控制器基于所述采集电压及所述控制系统的工作状态，判断所述IGBT当前运行工况后，选择与当前运行工况对应的过压判断结果，基于该过压判断结果驱动所述驱动电路对所述IGBT进行过压保护。 2.根据权利要求1所述的IGBT过压保护装置，其特征在于，所述过压判断单元包括多个电压比较电路；每个所述电压比较电路均输入采集电压及一个基准电压，并与所述控制器连接；所述电压比较电路用于将所述采集电压与一个基准电压进行比较后，输出与该基准电压对应的过压判断结果。 3.根据权利要求2所述的IGBT过压保护装置，其特征在于，所述电压比较电路包括：运算放大器，其输入采集电压及一个基准电压，并与所述控制器连接；所述运算放大器用于将所述采集电压与一个基准电压进行比较后，输出与该基准电压对应的过压判断结果。 4.根据权利要求2所述的IGBT过压保护装置，其特征在于，还包括：多个基准电压产生电路；每个所述基准电压产生电路分别与一个所述电压比较电路连接；每个所述基准电压产生电路分别用于产生与所述IGBT在一个运行工况下的正常工作电压相等的基准电压。 5.根据权利要求1所述的IGBT过压保护装置，其特征在于，还包括：控制系统监测单元，其与所述控制系统及所述控制器连接，其用于监测所述控制系统的工作状态，并将所述控制系统的工作状态发送至所述控制器。 6.根据权利要求1所述的IGBT过压保护装置，其特征在于，还包括：所述驱动电路用于将所述IGBT的工作状态发送至所述控制器。 7.一种IGBT过压保护方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任一项所述的IGBT过压保护装置，所述方法包括：控制器获取所述IGBT的采集电压、所述控制系统的工作状态及所述过压判断单元生成的多个过压判断结果；所述控制器基于所述采集电压及所述控制系统的工作状态判断IGBT当前运行工况；所述控制器选取IGBT当前运行工况对应的过压判断结果后，基于该过压判断结果驱动驱动电路对所述IGBT进行过压保护。 8.根据权利要求7所述的IGBT过压保护方法，其特征在于，所述控制器选取IGBT当前运行工况对应的过压判断结果的过程，包括：所述控制器判断所述IGBT在当前运行工况下的标准工作电压；所述控制器选取与所述标准工作电压相同的基准电压，并获取在该基准电压作用下的所述电压比较电路输出的过压判断结果。 9.根据权利要求7所述的IGBT过压保护方法，其特征在于，所述基于该过压判断结果驱动所述驱动电路对所述IGBT进行过压保护的过程，包括：所述控制器基于所述过压判断结果判断当前工况下所述IGBT是否发生过压；若判断发生过压，则所述控制器控制所述驱动电路触发所述IGBT导通，从而对所述IGBT进行过压保护；若判断未发生过压，则所述控制器控制所述驱动电路维持所述IGBT闭锁状态。 10.根据权利要求9所述的IGBT过压保护方法，其特征在于，所述控制器控制所述驱动电路触发所述IGBT导通的过程，包括：所述控制器获取当前工况下所述IGBT的触发时长后，控制所述驱动电路按照所述触发时长触发所述IGBT导通。
说明书全文	一种IGBT过压保护装置及方法技术领域 [0001] 本发明涉及高压输电技术领域，具体涉及一种IGBT过压保护装置及方法。背景技术 [0002] IGBT是能源变换与传输的核心器件，广泛应用于电力电子装置中。IGBT在运行过程中可能会因为一次回路故障或者在关断过程中发生浪涌过电压，从而发生集电极‑发射极的过压，最终导致IGBT失效。 [0003] 针对IGBT关断过程中发生的浪涌过电压，现有的比较常见的解决方案是在IGBT两端并联RCD吸收回路，起到吸收钳位过电压的作用；或者采用软关断或有源钳位电路，起到减小关断电压尖峰的作用。但是，在高压输电领域的一些应用实例中，受限于一次回路参数要求，难以设计并联吸收回路，或者需要对一次回路故障产生的母线过电压进行保护。此时，需要设计一种IGBT集电极‑发射极快速过压保护方法，在IGBT集电极‑发射极发生过压时能够快速导通IGBT，达到快速降低集电极‑发射极电压的目的。发明内容 [0004] 因此，本发明要解决的技术问题在于解决现有技术不能在IGBT及其控制电路不同的工作状态下，对IGBT进行过压保护的问题，从而提供一种IGBT过压保护装置及方法。 [0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案： [0006] 第一方面，本发明提供一种IGBT过压保护装置，包括：控制器、过压判断单元、电压采集单元及驱动电路，其中，电压采集单元，其与IGBT连接，其还与控制器及过压判断单元连接，其用于采集IGBT的集电极与发射极之间的电压后，将采集电压发送至控制器及过压判断单元；过压判断单元，其与控制器连接，其用于将采集电压与多个基准电压进行比较后，输出多个过压判断结果至控制器；驱动电路，其与控制器及IGBT的栅极连接，其用于基于控制器发送的驱动信号控制IGBT的通断；控制器，其与IGBT的控制系统连接并获取控制系统的工作状态；每个基准电压分别等于IGBT在一个运行工况下的正常工作电压；控制器基于采集电压及控制系统的工作状态，判断IGBT当前运行工况后，选择与当前运行工况对应的过压判断结果，基于该过压判断结果驱动驱动电路对IGBT进行过压保护。 [0007] 本发明提供的IGBT过压保护装置，先将IGBT在各种工况下的正常工作电压作为基准电压存储下来，并将IGBT的实时电压与多个基准电压进行比对后输出多个比对结果后，根据IGBT的实时电压及控制系统的工作状态判断IGBT的工况，从而选择与该工况对应的过压判断结果，判断IGBT在当前工况下是否发生过压，从而对IGBT进行快速过压保护，可以对IGBT多种工况下的过压情况进行监测，保护范围全面，保护响应速度快。 [0008] 在一种可选的实施方式中，过压判断单元包括多个电压比较电路；每个电压比较电路均输入采集电压及一个基准电压，并与控制器连接；电压比较电路用于将采集电压与一个基准电压进行比较后，输出与该基准电压对应的过压判断结果。 [0009] 本发明提供的IGBT过压保护装置，根据IGBT不同的工况设置不同的基准电压，从而提高不同工况下过压判断的精确度。 [0010] 在一种可选的实施方式中，电压比较电路包括：运算放大器，其输入采集电压及一个基准电压，并与控制器连接；运算放大器用于将采集电压与一个基准电压进行比较后，输出与该基准电压对应的过压判断结果。 [0011] 在一种可选的实施方式中，IGBT过压保护装置还包括：多个基准电压产生电路；每个基准电压产生电路分别与一个电压比较电路连接；每个基准电压产生电路分别用于产生与IGBT在一个运行工况下的正常工作电压相等的基准电压。 [0012] 在一种可选的实施方式中，IGBT过压保护装置还包括：控制系统监测单元，其与控制系统及控制器连接，其用于监测控制系统的工作状态，并将控制系统的工作状态发送至控制器。 [0013] 本发明提供的IGBT过压保护装置，通过获取控制系统的工作状态，从而快速获取IGBT的工况。 [0014] 在一种可选的实施方式中，IGBT过压保护装置还包括：驱动电路用于将IGBT的工作状态发送至控制器。 [0015] 第二方面，本发明提供一种IGBT过压保护方法，应用于第一方面的IGBT过压保护装置，方法包括：控制器获取IGBT的采集电压、控制系统的工作状态及过压判断单元生成的多个过压判断结果；控制器基于采集电压及控制系统的工作状态判断IGBT当前运行工况；控制器选取IGBT当前运行工况对应的过压判断结果后，基于该过压判断结果驱动驱动电路对IGBT进行过压保护。 [0016] 本发明提供的IGBT过压保护方法，先将IGBT在各种工况下的正常工作电压作为基准电压存储下来，并将IGBT的实时电压与多个基准电压进行比对后输出多个比对结果后，根据IGBT的实时电压及控制系统的工作状态判断IGBT的工况，从而选择与该工况对应的过压判断结果，判断IGBT在当前工况下是否发生过压，从而对IGBT进行快速过压保护，可以对IGBT多种工况下的过压情况进行监测，保护范围全面，保护响应速度快。 [0017] 在一种可选的实施方式中，控制器选取IGBT当前运行工况对应的过压判断结果的过程，包括：控制器判断IGBT在当前运行工况下的标准工作电压；控制器选取与标准工作电压相同的基准电压，并获取在该基准电压作用下的电压比较电路输出的过压判断结果。 [0018] 在一种可选的实施方式中，基于该过压判断结果驱动驱动电路对IGBT进行过压保护的过程，包括：控制器基于过压判断结果判断当前工况下IGBT是否发生过压；若判断发生过压，则控制器控制驱动电路触发IGBT导通，从而对IGBT进行过压保护；若判断未发生过压，则控制器控制驱动电路维持IGBT闭锁状态。 [0019] 在一种可选的实施方式中，控制器控制驱动电路触发IGBT导通的过程，包括：控制器获取当前工况下IGBT的触发时长后，控制驱动电路按照触发时长触发IGBT导通。 [0020] 本发明提供的IGBT过压保护方法，根据不同的过压判断结果控制IGBT在对应工况下导通对应的时长，过压控制手段与IGBT的工况一一对应，能够精准的对IGBT进行过压保护。附图说明 [0021] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0022] 图1是根据本发明实施例的IGBT过压保护装置的一个具体示例的组成图； [0023] 图2是根据本发明实施例的IGBT过压保护装置的一个具体电路的结构图； [0024] 图3是根据本发明实施例的IGBT过压保护方法的一个流程示意图； [0025] 图4是根据本发明实施例的IGBT过压保护方法的一个过压保护逻辑图。具体实施方式 [0026] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0027] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0028] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0029] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。 [0030] 本实施例提供一种IGBT过压保护装置，如图1所示，包括：控制器1、过压判断单元2、电压采集单元3及驱动电路4，需要说明的是，本实施例不仅限于对IGBT的过压保护，还可以为其它功率器件的过压保护，在此不作限制。 [0031] 如图1所示，电压采集单元3，其与IGBT连接，其还与控制器1及过压判断单元2连接，其用于采集IGBT的集电极与发射极之间的电压后，将采集电压VCE发送至控制器1及过压判断单元2；过压判断单元2，其与控制器1连接，其用于将采集电压VCE与多个基准电压(Vref(1)～Vref(n))进行比较后，输出多个过压判断结果(S(1)～S(n))至控制器1；驱动电路4，其与控制器1及IGBT的栅极连接，其用于基于控制器1发送的驱动信号控制IGBT的通断；控制器1，其与IGBT的控制系统连接并获取控制系统的工作状态。 [0032] 图1中，每个基准电压分别等于IGBT在一个运行工况下的正常工作电压；控制器1基于采集电压VCE(即IGBT发射极‑集电极电压)及控制系统的工作状态，判断IGBT当前运行工况后，选择与当前运行工况对应的过压判断结果，基于该过压判断结果驱动驱动电路4对IGBT进行过压保护。 [0033] 具体地，图1中，电压采集单元3实时采集IGBT的集电极‑发射极电压后，将采集电压VCE发送至控制器1及过压判断单元2，控制系统用于根据预设参数控制IGBT工作，控制器1通过监测控制系统的工作状态，并根据采集电压VCE，可以判断出IGBT的当前运行工况，从而获取IGBT在当前运行工况下的正常工作电压。同时，通过对IGBT在各种工况下进行测试，将IGBT在每个工况下的正常工作电压作为基准电压(Vref(1)～Vref(n))储存在过压判断单元2中，过压判断单元2将接收到的采集电压VCE与每个基准电压(Vref(1)～Vref(n))进行比较后，输出全部的过压判断结果(S(1)～S(n))至控制器1。 [0034] 具体地，图1中，控制器1根据IGBT当前的运行工况查找出在该工况下IGBT的正常工作电压后，选择与该正常工作电压大小相等的基准电压，获取根据该基准电压输出的过压判断结果，若根据该过压判断结果识别出IGBT发生过压时，控制器1驱动驱动电路4对IGBT进行该工况下对应的过压保护；若根据该过压判断结果识别出IGBT未发生过压时，控制器1不向驱动电路4发送驱动信号，使IGBT维持当前工作状态。 [0035] 示例性地，图1中，若选择出的基准电压为Vref(1)，则获取根据该基准电压Vref(1)输出的过压判断结果S(1)，并根据该过压判断结果S(1)判断IGBT是否发生过压。 [0036] 示例性地，图1中，第一基准值为制造商规定的IGBT最大耐压，该第一基准值的基准电压Vref(1)可以由分压电路生成，Vref(1)＝0.85VCEmax；第二基准值为FPGA输出的数字信号经DA芯片转变的模拟信号，FPGA通过当前母线电流值计算出IGBT两端电压的变化率:dVCE/dt＝i/C，其中dVCE/dt为IGBT集电极‑射极电压变化率，i为母线电流值，C为IGBT两端等效电容值。再根据Vref(2)＝0.8VCEmax‑td×dVCE/dt，确定考虑了保护延时的第二基准值的基准电压Vref(2)，其中td为控制器1的延时时长。 [0037] 示例性地，图1中，当系统工作在正常工况下时，选择Vref(1)作为基准电压，当IGBT集射极电压超过此基准电压时，将IGBT导通，时长固定。当控制器1检测到当前母线电流值超过某阈值，或者控制器1与远程的通信链路断开时，或者IGBT集射极电压在短时间内的平均值超过0.8倍的IGBT最大耐压值时，选择Vref(2)作为基准电压,当IGBT集射极电压超过Vref(2)时，将IGBT导通，导通时长由当前母线电流大小及控制器通信链路工作状态确定。 [0038] 示例性地，IGBT不同工况下对应的过压保护方法包括但不限于不同工况下对应的过压保护时长。 [0039] 示例性地，IGBT运行工况的判断包括对IGBT集电极‑发射极电压信息和控制系统状态信息的处理及对处理结果的逻辑判断。对IGBT电压信息和控制系统状态信息的处理内容包括但不限于计算IGBT集电极‑发射极的电压变化率，计算IGBT结温，计算IGBT运行功耗等模拟量，以及判断与远程控制器的通信链路是否工作正常、本地控制系统是否工作正常等布尔量。对运行工况的判断基于对上述处理结果的判断，判断依据包括但不限于对模拟量结果是否超过或低于设定阈值的判断以及对布尔量结果的判断，或者上述判断结果的组合逻辑运算。 [0040] 示例性地，电压采集单元的电压采集方法包括但不限于利用电阻分压、电容分压、阻容分压、磁耦合，或者AD转换电路等方法实现。 [0041] 本实施例提供的IGBT过压保护装置，先将IGBT在各种工况下的正常工作电压作为基准电压存储下来，并将IGBT的实时电压与多个基准电压进行比对后输出多个比对结果后，根据IGBT的实时电压及控制系统的工作状态判断IGBT的工况，从而选择与该工况对应的过压判断结果，判断IGBT在当前工况下是否发生过压，从而对IGBT进行快速过压保护，可以对IGBT多种工况下的过压情况进行监测，保护范围全面，保护响应速度快。 [0042] 在一些可选的实施方式中，过压判断单元包括多个电压比较电路，如图2所示，电压比较电路由运算放大器U组成，其输入采集电压VCE及一个基准电压Vref(i)，并与控制器1连接；运算放大器U用于将采集电压VCE与一个基准电压Vref(i)进行比较后，输出与该基准电压Vref(i)对应的过压判断结果S(i)，其中i为1～n的任意一个数字，n为IGBT的工况数量。 [0043] 图2中，IGBT过压保护装置还包括：多个基准电压产生电路(#1～#n)；每个基准电压产生电路分别与一个运算放大器U连接；每个基准电压产生电路分别用于产生与IGBT在一个运行工况下的正常工作电压相等的基准电压。控制器1还用于获取当前工况下IGBT的触发时长后，控制驱动电路4按照触发时长触发IGBT导通。 [0044] 具体地，图2中，每个基准电压产生电路(#1～#n)产生的基准电压均可调，可以根据不同的IGBT的不同工况设置输出的基准电压，灵活性高，用于产生稳定的直流基准电压。 [0045] 示例性地，图2中，每个运算放大器U均用于将两个输入端的基准电压Vref(i)与采集电压VCE进行比较；当采集电压VCE大于或等于基准电压Vref(i)时，则输出高电平的过压判断结果S(i)，控制器1基于高电平的过压判断结果S(i)识别出IGBT发生过压，同时，控制器1根据IGBT当前的工况获取对应的触发时长后，控制驱动电路4按照该触发时长触发IGBT导通，进行过压保护；当采集电压VCE小于基准电压Vref(i)时，则输出低电平的过压判断结果S(i)，控制器1基于低电平的过压判断结果S(i)识别出IGBT未发生过压，控制器1不向驱动电路4发送驱动信号，使IGBT维持当前工作状态。 [0046] 示例性地，过压判断结果的形式包括但不限于电平信号、差分信号、遵守特定通信协议的编码等。 [0047] 示例性地，控制器的类型包括但不限于ARM、FPGA、CPLD、DSP、微机等处理器。 [0048] 示例性地，基准电压产生电路的其电路形式包括但不限于由固定或可调电阻器等被动元件组成的分压电路，或者D/A转换电路，或者是带有全控电力电子开关的稳压电源电路，或者低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)等。 [0049] 在一些可选的实施方式中，如图2所示，IGBT过压保护装置还包括：控制系统监测单元5，其与控制系统及控制器1连接，其用于监测控制系统的工作状态，并将控制系统的工作状态发送至控制器1。驱动电路用于将IGBT的工作状态发送至控制器。 [0050] 示例性地，驱动电路能够执行控制器的命令，产生可靠、精确的开通/关断IGBT的触发脉冲，也能够将IGBT的工作状态信息回传给控制器，回传的状态信息包括但不限于栅极电源故障、开通失败、关断失败等。 [0051] 示例性地，系统监测单元的监测内容包括但不限于本地或远程控制系统的电源状态、本地或远程控制系统的各控制单元运行状态、本地或远程控制系统内部的通信状态、本地及远程控制系统之间的通信状态、远程控制系统经通信链路发送给控制器的一次系统电压或电流参数等。 [0052] 本实施例提供一种IGBT过压保护方法，应用于以上实施例及其任一可选实施方式的IGBT过压保护装置，如图3所示，方法包括： [0053] 步骤S1：控制器获取IGBT的采集电压、控制系统的工作状态及过压判断单元生成的多个过压判断结果。 [0054] 具体地，参考图2，则生成的多个过压判断结果的过程包括：(1)控制器1判断IGBT在当前运行工况下的标准工作电压；(2)控制器1选取与标准工作电压相同的基准电压，并获取在该基准电压作用下的电压比较电路输出的过压判断结果。 [0055] 步骤S2：控制器基于采集电压及控制系统的工作状态判断IGBT当前运行工况。 [0056] 步骤S3：控制器选取IGBT当前运行工况对应的过压判断结果后，基于该过压判断结果驱动驱动电路对IGBT进行过压保护。 [0057] 具体地，参考图2，则进行过压保护的过程包括：(1)控制器1基于过压判断结果判断当前工况下IGBT是否发生过压；(2)若判断发生过压，则控制器1控制驱动电路4触发IGBT导通，从而对IGBT进行过压保护；(3)若判断未发生过压，则控制器1控制驱动电路4维持IGBT闭锁状态。 [0058] 示例性地，图4为过压保护方法的一个逻辑示意图，本实施例中涉及的过压判断、保护方法及保护逻辑，与以上实施例及其任一可选实施方式中描述的内容一致，在此不再赘述。 [0059] 本实施例提供的IGBT过压保护方法，先将IGBT在各种工况下的正常工作电压作为基准电压存储下来，并将IGBT的实时电压与多个基准电压进行比对后输出多个比对结果后，根据IGBT的实时电压及控制系统的工作状态判断IGBT的工况，从而选择与该工况对应的过压判断结果，判断IGBT在当前工况下是否发生过压，从而对IGBT进行快速过压保护，可以对IGBT多种工况下的过压情况进行监测，保护范围全面，保护响应速度快。 [0060] 虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

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