一种高压直串式IGBT的驱动电路及方法与流程

本发明涉及电力电子，具体涉及一种高压直串式igbt的驱动电路及方法。

背景技术：

1、在中高压电力电子装置中，单只igbt模块的耐压通常难以直接满足母线电压或交流侧峰值电压要求，因此常采用多只igbt直串承压。直串式igbt在提高等效耐压的同时，也使各igbt的门极驱动状态更容易受到器件参数差异、寄生参数差异以及开关瞬态过程的影响。

2、现有igbt驱动电路通常主要围绕单只igbt的开通和关断进行设计，在高压直串式igbt应用中，不同工况下对门极充放电速度、关断过程以及故障状态下电压变化过程的要求并不相同，若仍采用较为单一的门极驱动通路，则难以兼顾正常开通、正常关断和故障关断过程中的驱动稳定性，容易影响高压直串式igbt的可靠驱动。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高压直串式igbt的驱动电路及方法，以解决普通igbt驱动电路在高压直串应用中难以兼顾门极驱动、发射极参考调节、动态均压检测和故障受控关断的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种高压直串式igbt的驱动电路，用于驱动高压直串支路中的任一igbt，包括门极侧桥臂、发射极参考侧桥臂和驱动电阻网络；

3、驱动电阻网络包括开通支路、关断支路、第一故障关断支路、第二故障关断支路和发射极参考支路；

4、门极侧桥臂包括第一开关器件和第二开关器件，第一开关器件的第一连接端与正向驱动电源连接，第一开关器件的第二连接端通过开通支路与igbt的门极连接；第二开关器件的第一连接端通过关断支路与门极连接，第二开关器件的第二连接端与低电位参考端连接；

5、发射极参考侧桥臂包括第三开关器件、第四开关器件和第五开关器件，第三开关器件和第四开关器件的第一连接端均与正向驱动电源连接，第三开关器件的第二连接端通过第一故障关断支路与igbt的发射极参考节点连接，第四开关器件的第二连接端通过第二故障关断支路与发射极参考节点连接，第五开关器件的第一连接端通过发射极参考支路与发射极参考节点连接，第五开关器件的第二连接端与低电位参考端连接；

6、门极侧桥臂用于调节门极的电位，发射极参考侧桥臂用于调节发射极参考节点的电位，以在门极和发射极之间形成开通、关断或故障关断所需的门极-发射极驱动电压；

7、其中，发射极参考节点为与igbt的辅助发射极端或发射极端通过独立设置的低电感连接导体电连接的局部参考节点。

8、本发明中设置相互配合的门极侧桥臂和发射极参考侧桥臂，能够分别调节igbt的门极电位和发射极参考电位，并通过不同支路形成正常开通、正常关断和故障关断所需的门极—发射极驱动电压，该结构可以在不同工作状态下对门极—发射极电压进行更有针对性的控制，使正常驱动与故障关断采用相互独立的通路，减少不同驱动状态之间的相互影响，并有利于提高高压直串igbt驱动过程的可控性和故障关断可靠性。

9、在一种可选的实施方式中，开通支路包括第一门极电阻，第一门极电阻连接于第一开关器件的第二连接端与门极之间；

10、关断支路包括第二门极电阻，第二门极电阻连接于门极与第二开关器件的第一连接端之间；

11、第一故障关断支路包括第一发射极侧电阻，第一发射极侧电阻连接于第三开关器件的第二连接端与发射极参考节点之间；

12、第二故障关断支路包括第二发射极侧电阻，第二发射极侧电阻连接于第四开关器件的第二连接端与发射极参考节点之间；

13、发射极参考支路包括第三发射极侧电阻，第三发射极侧电阻连接于第五开关器件的第一连接端与发射极参考节点之间；

14、第一发射极侧电阻的阻值小于第二发射极侧电阻的阻值。

15、在一种可选的实施方式中，在正常开通状态下，第一开关器件和第五开关器件导通，第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件关断，使正向驱动电源经开通支路向门极充电，并使发射极参考节点接近低电位参考端；

16、在正常关断状态下，第一开关器件和第五开关器件关断，第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件导通，使门极经关断支路放电，并使发射极参考节点被调节至相对高电位；

17、在故障关断状态下，第一开关器件和第五开关器件关断；当进入故障关断状态前第二开关器件处于导通状态时，第二开关器件保持导通，当进入故障关断状态前第二开关器件处于关断状态时，在第一开关器件关断并经过门极侧死区时间后第二开关器件导通；在第二开关器件导通后进入第一阶段，第三开关器件导通且第四开关器件关断，以接入第一故障关断支路；当igbt的门极-发射极电压下降至第一切换阈值或第一阶段的持续时间达到第一预设时长时，第三开关器件关断，并在经过发射极参考侧换相死区时间后第四开关器件导通，以接入第二故障关断支路并进入第二阶段，直至门极-发射极电压达到关断阈值或第二阶段的持续时间达到第二预设时长。

18、正常开通时，第一开关器件和第五开关器件导通，使门极经开通支路被充电、发射极参考节点接近低电位参考端，从而形成正向vge。正常关断时，第二开关器件导通，门极经关断支路放电，发射极参考侧桥臂配合将发射极参考节点调节至相对高电位，从而使vge向关断方向变化。

19、故障关断时，先通过阻值较小的第一故障关断支路快速调节发射极参考节点电位，使vge快速降低以抑制故障电流继续上升；随后通过阻值较大的第二故障关断支路进行受限调节，以降低关断电压尖峰和直串igbt动态分压冲击。

20、在一种可选的实施方式中，还包括命令整形互锁电路以及故障逻辑与锁存反馈电路；

21、命令整形互锁电路包括命令输入电路、整形逻辑电路、互锁逻辑电路和延时电路，命令输入电路的输出端与整形逻辑电路的输入端连接，整形逻辑电路的输出端与互锁逻辑电路的输入端连接，延时电路与互锁逻辑电路连接，互锁逻辑电路的输出端分别与第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件和第五开关器件的控制端连接；

22、故障逻辑与锁存反馈电路包括故障逻辑电路和锁存逻辑电路，故障逻辑电路的输出端与锁存逻辑电路的输入端连接，锁存逻辑电路的输出端与互锁逻辑电路连接，以在故障信号产生后封锁正常开通命令并保持故障关断状态。

23、命令整形互锁电路对开通命令、关断命令和故障关断命令进行整形、互锁和延时处理，防止门极侧桥臂或发射极参考侧桥臂中的上、下开关器件直通；故障逻辑与锁存反馈电路在保护信号有效后封锁正常开通命令并保持故障关断状态。

24、在一种可选的实施方式中，还包括静态均压与动态采样协同电路，静态均压与动态采样协同电路包括静态均压电阻、串联电阻电路、串联电容电路和二极管钳位电路；

25、静态均压电阻并联于igbt的集电极和发射极之间；

26、串联电阻电路连接于igbt的集电极与集电极侧采样节点之间，串联电容电路与串联电阻电路并联，集电极侧采样节点位于串联电阻电路和串联电容电路远离igbt集电极的低压侧，用于形成表征igbt集电极电位变化的采样信号；

27、二极管钳位电路连接于igbt的集电极与钳位采样节点之间，用于将igbt集电极-发射极电压的动态变化转换成电压幅值处于后级保护电路允许范围内的钳位采样信号。

28、静态均压电阻用于减小漏电差异造成的稳态分压偏差；串联电阻电路、串联电容电路和二极管钳位电路将igbt集电极-发射极电压的动态变化转换为后级保护电路可处理的低压采样信号。

29、在一种可选的实施方式中，还包括di/dt保护电路，di/dt保护电路包括di/dt比较器和di/dt阈值分压网络，发射极侧动态采样节点与igbt的发射极功率端或其检测引出点连接；di/dt比较器的第一输入端与发射极侧动态采样节点连接，di/dt比较器的第二输入端与发射极参考节点及di/dt阈值分压网络连接，di/dt比较器的输出端与故障逻辑电路的输入端连接，以通过发射极侧动态电位差间接表征di/dt异常。

30、在一种可选的实施方式中，还包括退饱和保护电路，退饱和保护电路包括第一退饱和保护支路、第二退饱和保护支路和第三退饱和保护支路；

31、第一退饱和保护支路包括第一输入网络和第一比较器，第一输入网络的输入端与集电极侧采样节点连接，第一输入网络的输出端形成第一采样信号并与第一比较器的采样侧输入端连接，第一比较器根据第一采样信号形成快速短路或硬退饱和保护信号；

32、第二退饱和保护支路包括第二输入网络和第二比较器，第二输入网络的输入端与钳位采样节点连接，第二输入网络的输出端形成第二采样信号并与第二比较器的采样侧输入端连接，第二比较器在开通消隐时间结束后根据第二采样信号形成退饱和确认信号；

33、第三退饱和保护支路包括第三比较器，第三比较器的采样侧输入端与第二输入网络的输出端连接，以与第二退饱和保护支路共用第二采样信号，且第三退饱和保护支路具有不同于第二退饱和保护支路的比较阈值或滤波时间常数。

34、在一种可选的实施方式中，还包括辅助保护电路，辅助保护电路包括门极电压检测电路和驱动电源检测电路；

35、门极电压检测电路包括vge采样电路和vge窗口比较器，vge采样电路连接于门极和发射极之间，vge窗口比较器用于判断门极-发射极电压是否处于对应驱动状态的允许电压窗口内；

36、驱动电源检测电路包括电源分压电路和电源窗口比较器，电源分压电路分别与正向驱动电源、逻辑电源及参考电源连接，电源窗口比较器的输入端与电源分压电路连接，电源窗口比较器的输出端与故障逻辑电路连接。

37、di/dt保护电路通过发射极侧动态电位差间接表征di/dt异常；退饱和保护电路通过快速短路、消隐后退饱和确认以及慢过流或动态分压异常辅助确认实现分层保护；门极电压检测电路和驱动电源检测电路分别对vge窗口和驱动电源窗口进行检测。

38、第二方面，本发明提供了一种高压直串式igbt的驱动方法，应用于上述第一方面或其对应的任一实施方式的高压直串式igbt的驱动电路，包括：

39、接收驱动命令，并根据驱动命令确定igbt的目标驱动状态，目标驱动状态包括正常开通状态、正常关断状态和故障关断状态；

40、当目标驱动状态为正常开通状态时，控制第一开关器件和第五开关器件导通，并控制第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件关断；

41、当目标驱动状态为正常关断状态时，控制第一开关器件和第五开关器件关断，并控制第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件导通；

42、当目标驱动状态为故障关断状态时，控制第一开关器件和第五开关器件关断；当进入故障关断状态前第二开关器件处于导通状态时，控制第二开关器件保持导通，当进入故障关断状态前第二开关器件处于关断状态时，在第一开关器件关断并经过门极侧死区时间后控制第二开关器件导通；并通过控制第三开关器件和第四开关器件分阶段接入第一故障关断支路和第二故障关断支路。

43、在一种可选的实施方式中，通过控制第三开关器件和第四开关器件分阶段接入第一故障关断支路和第二故障关断支路，包括：

44、第一阶段控制第三开关器件导通，并控制第四开关器件关断，使发射极参考节点经第一故障关断支路被快速调节，以快速降低门极-发射极电压；

45、当门极-发射极电压下降至第一切换阈值或第一阶段的持续时间达到第一预设时长时，控制第三开关器件关断，经过发射极参考侧换相死区时间后控制第四开关器件导通并进入第二阶段，使发射极参考节点经第二故障关断支路被受限调节，以降低关断电压尖峰和直串igbt动态分压冲击；当门极-发射极电压达到关断阈值或第二阶段的持续时间达到第二预设时长时，结束第二阶段并保持故障关断状态。