风电机组变流器驱动控制电路设计

陈铁华，燕振元

(1.长春工程学院能源动力工程学院； 2.建筑能源环境控制中心，长春 130012；3.华能国际电力开发公司吉林通榆风电分公司，吉林 白城 137000)

风电机组变流器驱动控制电路设计

陈铁华1,2，燕振元3

(1.长春工程学院能源动力工程学院； 2.建筑能源环境控制中心，长春 130012；3.华能国际电力开发公司吉林通榆风电分公司，吉林 白城 137000)

IGBT被广泛应用于风电机组变流器中，其工作可靠性依赖于工作环境、电路条件和良好的驱动。以2SD315A作为风电机组变流器IGBT的驱动器，详细介绍了驱动控制电路的电源单元、触发输入单元、触发输出单元的构成。探讨了电路中过流保护阈值和栅极电阻的选取原则。现场实践运行表明，2SD315A适合于大功率高电压的IGBT驱动，所设计的电路能够保证IGBT稳定运行。

风电机组；变流器；驱动控制；IGBT

0 引言

以IGBT为核心元件的变流器是风力发电设备的关键部件之一，其功能是将风力发电机发出的电压和频率随风速变化的电能，转换为电压和频率都稳定的电能馈入电网，是风力发电机组不可缺少的能量变换设备。

现有变流器的驱动板由于模块间接线方式问题导致体积大，尤其IGBT模块的门极辅助端子采用线缆连接，连接线缆和电路板制作工艺容易受空间限制，加上变流器运行极易受环境的影响，导致IGBT故障，影响了风电机组运行的稳定性。本文采用集成模块方式驱动IGBT，接口电路简单，能够适应各种逻辑控制，同时减小了驱动电路板体积。通过双极性电压驱动，可适合各种级别的IGBT模块。另外，多个IGBT模块共用一个电源，大幅度降低了电磁干扰。

1 IGBT驱动电路的基本要求

由于风电机组运行环境恶劣，在运行中容易受到各种干扰，因此需要有可靠的驱动电路以保证其关键部分变流系统的安全稳定工作。对IGBT驱动电路的基本要求如下[1]：

1)提供适当的正向和反射输出电压，使IGBT能够可靠地开通和关断。

2)提供足够的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能够瞬时建立棚控电场而导通。

3)尽可能小的输入输出延时时间，以提高工作效率。

4)足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。

5)具有灵敏的过流保护能力。

2 IGBT驱动控制系统组成

IGBT驱动控制系统由电源单元、触发输入单元、触发输出单元3部分组成。其中电源单元包括：滤波电路和稳压电路。触发输入单元包括：保护回路、死区控制回路、故障报警回路、故障显示回路、故障信号放大及输出回路。触发输出单元包括：通道状态监测回路、检测回路、电压箝位电路、保护设置电路。电路图如图1所示。

2.1 电源的滤波和稳压电路

触发电源的滤波和稳压电路由C4、C16、V1组成。设置C16是为了补偿C4内部电感。V1为16 V的稳压管，稳压后的电压加至2SD315AI的VDC端17脚。

LDI控制回路电源的滤波电路为由L3、C3、C15组成的LC滤波网络，对电源电压进行二次滤波。设置C15补偿C3内部电感。滤波后的电压加至2SD315AI的VDD端(1，2脚)。R1为复位限流电阻。

图1 变流器IGBT驱动电路图

2.2 触发输入电路

触发输入电路由A、B两路输入保护电路组成。A路输入保护电路由V45、R12、R24、R15、C45组成。B路输入保护电路由V39、R18、R27、R21、C48组成。

由于驱动板通过引线与控制电路相连，因此，应对驱动电路的输入端InputA和InputB给予适当的保护，以便在掉电或输入信号为高阻状态时，输入端能够通过电阻R24和R27接地。电容C45和C48的作用是抑制输入端出现的短脉冲或有害的尖峰脉冲。该电路会产生大约1 μs的信号延迟。

驱动输入电路的死区控制回路有两路：一路由R6、C39组成，另一路由R9、C42组成，死区时间为4.6 μs。

故障报警电路电源控制电路由R142、R144、V79组成，R142、R144分别为V79的上偏置和下偏置电阻。建立V79的直流工作点，当SO1和SO2任意一端输出低电平故障信号时，V79导通，将15 V的直流电源加到故障报警和显示电路。

故障显示电路由R154、V88组成，当V79导通后其两端加上了15 V的电压，红色LED被点亮，发出故障报警显示信号。R154为负载电阻。

故障信号放大及输出电路由V156、R157、R164、R150、R160、R180、V84、C27等组成，当V84导通后该电路输出负脉冲，通过X1-25端子向上一级电路发出故障报警信号。其中R157、C27是保证当SO1或SO2故障信号返回后，V84提供的故障报警电源消失后，保持输出电路能输出足够宽的负脉冲信号，可靠地发出故障报警信号。当故障报警电源消失后，C27通过R157向R164、R150放电，保持V84继续导通一段时间。V156可避免C27向其他回路放电。R160、R180为V84的集电极负载电阻，R164、R150分别为V84的上偏置和下偏置电阻，建立V84的直流工作点，C27为防干扰电容器，防止受外界干扰时，误发故障信号。

2.3 触发输出电路

C12、C24和V9是VISO2输出电源的滤波和稳压电路，C24用于补偿C12内部电感。V9为16 V的稳压二极管。C51和C54为防干扰电容器。

R48、V69、V150为通道状态监视电路，当通道工作正常时，绿色发光LED点亮，否则LED灯灭。V150是肖特基二极管，当LED负极电压过高时，其击穿从而对元件进行保护。R48是LED器件的分压限流电阻。

3 驱动控制电路关键值选择原则

3.1 过流保护阈值

2SD315A内部设有过流和短路保护电路，如图2所示。驱动芯片输出端C1所接二极管是为了防止电流从IGBT的集电极流向驱动电路，从而保护2SD315AI。R20为驱动芯片C1端的输出电阻，通常取值180 Ω。在发生过流和短路时，该电路能及时有效地封锁输出以保护IGBT，其保护动作阈值电压可以通过改变外接参考电阻Rth来调整。

图2 过流保护电路图

根据IGBT特性，当其饱和导通时，集电极电流与管压降成正比。图2中，运算放大器在芯片内部构成了一个电压比较器，其输出端为驱动芯片内部的过流保护信号。当IGBT饱和导通时，如果管压降大于过流保护电压，则U+>U-，运算放大器输出端为高电平，芯片执行过流保护功能，驱动电路的输出为-15 V，以关断IGBT，同时故障输出端SO1为低电平。

根据运放虚短虚断的原理，临界过流状态时有如下公式：

(1)

式中：U+和U-分别为运放输入端正负极电压；Vceoff为过流保护电压；N为二极管的个数；R135为过流保护阈值设置电阻。VCE=5.85 V。

3.2 栅极电阻的选取

由IGBT特性可知，栅极电阻增大，则IGBT开通与关断时间Ton、Toff增加，但浪涌电流下降。所以栅极电阻的选取应在满足浪涌电流的前提下尽可能的小。图1中，当触发电路开通时，驱动电流经R52和R182并联电阻通过二极管V52和V55流向IGBT，开通电阻Ron=R52//R182，RG1关闭时，由于二极管V52的单向导电性，栅极经R61放电，即关断电阻Roff=R61。这样就使得开通的di/dt、dv/dt和关断的dv/dt可以分别控制，从而改善了开关过程，减少了开关损耗。

4 该变频器驱动控制电路主要特点

采用高压IGBT驱动模块2SD315A设计的功率转换器有以下特点：

1)驱动模块的接口非常简单，可处理5～15 V电平的各种逻辑信号。由于输入口内部有施密特触发器，它对输入端信号无特殊的边沿陡度要求，而且状态反馈输出端设计为集电极开路，因此，该电路可以适应任何电平逻辑。

2)由于采用双极性的驱动电压(15 V)，使得任何厂家的各种级别的IGBT模块都可安全运行；负偏置可使电路的抗干扰能力大大增强，这样就很容易实现IGBT模块的并联。

3)由于2SD315A的内部电压隔离技术，即使是驱动多个IGBT模块，也可以共用一个驱动电源，不但节省了资金，也可使电磁干扰程度大大降低。

4)过流保护能准确无误地动作，且简单易调。同时具有欠电压保护功能，并采取与过流保护同样的措施。

5)用变压器隔离输出级可使该驱动模块用在控制回路与功率回路电压相差较大或电压变化较大的装置中，同时脉冲变压器的双向工作，既可传输驱动信号，也可传输反馈信号。

6)2SD315A具有很强的动态驱动能力、陡峭的上升沿和下降沿以及较高的隔电能力，可以工作在较大的频率范围内。输入PWM信号可以根据用户需要在5 V和15 V之间选择，其输出驱动信号高电平为15 V，低电平为-15 V，最大峰值电流可达15 A左右，适合于驱动1 200 V和1 700 V的中大功率IGBT模块。另外，在驱动桥式电路的时候，该驱动器可以很方便地根据需求来设置死区时间。由此可见，2SD315A驱动器应用场合广泛，使用方便、灵活，外围配置电路简单、有效、可靠，是性能优良的新型IGBT集成驱动模块。

5 结语

本文采用2SD315A作为风电机组变流器IGBT的驱动器，试验表明，2SD315A不仅驱动能力强，而且隔离电压高，具有完善的保护功能。通过对实际电路板采取一定的防尘、防潮、防雷、抗干扰及触点抗氧化等措施，变流器运行的稳定性和可靠性均大大提高，在北方某风电场试运行1 a，实现了变流器的无故障运行。

[1] 覃韩，汪至中，荆龙.风电机组变流系统驱动及保护电路设计[J].能源研究与信息，2007(4)：221-224.

[2] 蒋晓春，陈洛忠.高压IGBT集成驱动模块2SD315AI-33的应用研究[J].国外电子元器件，2003(11):41-44.

[3] 叶林，赵燕峰.大型双馈式风电变流器的短路保护[J].云南电力技术，2014(12):358-370.

TheCircuitDesigntoWindTurbineConverterDriveControl

CHEN Tie-hua，et al.

(SchoolofEnergy&PowerEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

IGBT is widely used in the converter of wind turbine and its operational reliability depends on the working environment，circuit conditions and good driving.This paper takes 2SD315A as the driver of the converter IGBT of the wind turbine.The composition of the power unit，the triggered input unit and the triggered output unit of the drive control circuit are introduced in detail，and the selection principle of over current protection threshold and gate resistance in the circuit are also discussed in the thesis.The practical operation shows that 2SD315A is suitable for IGBT high power high voltage driving，and the driving circuit designed in this thesis can ensure the stable operation of IGBT.

wind turbine；converter；drive control；IGBT

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.017

2017-09-12

长春市科技局项目(14KG109) 吉林省发改委项目(2014Y122)

陈铁华(1972-)，女(汉)，吉林省吉林市，教授 主要研究远程监测与控制。

TM315

A

1009-8984(2017)03-0072-04