风能利用已受到世界各国的普遍重视。变速恒频风力发电技术是20世纪末发展起来的一种新型发电技术，它将电力电子技术、矢量控制技术和微机信息处理技术引入到发电机的控制中，从而获得了一种全新的、高质量的电能获取方式。随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风力发电机组的运行效率、安全性和稳定性就更加重要。目前兆瓦级风力发电机组已经成为国际上的主流机型，兆瓦级变流器中所采用的绝缘栅双极型晶体管（Insulated gate bipolar transistor, IGBT）的功率等级较高，对IGBT的驱动保护技术也提出了更高的要求：在大功率运行条件下保证IGBT可靠的导通、关断，减小IGBT的损耗，在过流、过压等故障情况下保证IGBT可靠的关断，从而保证机组的安全。本文着重分析介绍了一种用分立元器件设计的IGBT过流保护电路，对该驱动保护电路进行了试验研究。

1. 一种用分立元件构成的过流保护电路

为了防止过电流造成的IGBT损坏，电路必须有完善的故障检测和保护环节, 及时检测出过电流故障，并迅速关断。因为IGBT的通态饱和压降UCE与集电极电流IC呈近似线性关系, 所以IGBT的过电流保护可以采用集电极电压的检测方法, 即通过测量UCE的大小来判断集电极电流的大小来实现。

图1由分立元件构成的保护电路

对于保护电路的触发，稳压管D4起到了很关键的作用，它的选取与设定的保护电流值（等效为IGBT的UCE）有直接的关系。在正常情况下，D4是被击穿的，电容C21也被充电到一定电压值，三极管U13，U10不会导通，保护电路不会动作。UCE随着IC的升高而升高，一旦IC超过了设定值，三极管U13导通，保护电路被触发。下面给出稳压管D4稳压值选取的计算公式：

在大功率IGBT保护电路的触发问题上应注意：由于驱动电路驱动的是大功率IGBT，驱动电流较大，在IGBT连续工作状态下，电源电压会略有降低，且开关频率越高，电源电压降低越多，驱动正偏压降低。驱动正偏压越小，UCE就越高，这时，在相同的设定UCE保护值下对应的保护电流就变小，也就是说，在还没有达到设定的保护电流值时，保护电路就会动作。所以，设定UCE的保护值不应该按照在静态情况下UGE对应的UCE选取，应按照驱动电路实际工作状态下UGE对应的UCE选取。图2为1700V/1600A的IGBT模块FZ1600R17KE3的输出特性曲线。由图2可看出，不同的UGE对应不同的UCE与IC关系曲线。

图2 FZ1600R17KE3输出特性曲线

（2）故障信号的传递
IGBT保护电路一般都要设计故障信号传递的电路，通过该电路将故障信号传递到控制电路，并采取相应的措施。故障信号传递电路须具备隔离功能，将强电回路与控制回路隔离。图1所示的保护电路的故障信号，巧妙地利用了电源部分的脉冲变压器传递，既满足了故障信号隔离传递的要求，也无须单独设计故障信号传递电路。如图1所示，当保护电路触发时，三极管U10导通，变压器的原边电流是副边的2 倍，在电阻R5上产生较大的压降，使得三极管U7导通，发出故障信号，故障信号为低电平。

（3）硬件关断及实现软关断
在IGBT发生过流时，硬件关断可以快速、有效地直接将IGBT关断，确保了IGBT在过流时可靠关断。图1所示电路将保护电路与驱动电路的二级推挽电路驱动级（设为B点）相连接。当有故障时，将B点的电压升高，最后一级推挽电路中的N-MOS管就会导通，将负偏压加到IGBT上，迅速使IGBT关断，这就是硬件关断。

在IGBT过流的情况下关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，如不采取软关断措施，极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏，所以在过流情况下要采取软关断措施。正常情况下，图1中所示的软关断电阻R23是被MOS管U15旁路的，不参与IGBT关断。当过流故障发生时，三极管U13导通，从而三极管U12导通，MOS管U14也导通，MOS管U15的栅极电压接近为零，MOS管U15截止，电阻R23串入IGBT的关断回路中，栅极关断电阻增加，使IGBT实现软关断。

2. 试验
搭建保护试验平台如图3所示。

图3保护试验平台

设定过流保护值为1000A，驱动正偏压为+15V，按照图2 所示的FZ1600R17KE3的输出特性曲线，1000A的集电极电流对应的UCE是1.8 V；代入公式（1），计算得到的稳压管D4的稳压值为9.592 V，因此选用9.6 V稳压管。控制器TMS320F240为主构成，发出控制脉冲。调节690V调压器，吸合接触器KM1后，通过三相不控整流桥整流，电容C1滤波后，输出300V直流电压，由控制器发出200us的单脉冲，通过驱动电路控制IGBT导通，IGBT导通后，保护电路在集电极电流达到1000A后动作，关断IGBT，并输出故障信号。试验波形如图4所示。

图4 试验波形

由图4可看出：当过流时，保护电路触发，输出的故障信号为低电平，驱动信号在过流时电压减小，关断IGBT，且关断下降变得较缓，实现了软关断。

3. 结论

本文介绍了由分立元件构成的过流保护电路。该电路独特的故障信号传输电路，利用电源部分的脉冲变压器巧妙地实现了故障信号的传输，不仅解决了强电回路与控制回路的隔离的问题，而且省略了故障信号传输电路的单独设计，节约了成本。硬件关断及软关断不仅确保了IGBT在过流时的可靠关断，并且减小了集电极电流下降率，从而确保在主电路的分布电感上感应出的电压不超过安全工作区，不至于损坏IGBT。该电路设计灵活，成本较低，适用于风力发电中大功率IGBT的驱动保护。

试验证明，该电路完全可以满足大功率IGBT的驱动、过流保护，已在1.5 MW双馈变流器中投入使用，运行情况良好。