CN103647437A - 高压大电流igbt驱动*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压驱动IGBT技术领域。本发明的高压大电流IGBT驱动***，包括波形整形器、DC/DC变换器、时钟振荡器、双路输入互锁控制模块、死区时间控制模块、DC/DC控制信号模块、窄脉冲抑制模块A、窄脉冲抑制模块B和故障处理模块，波形整形器与双路输入互锁控制模块电连接，双路输入互锁控制模块分别与窄脉冲控制模块A、窄脉冲控制模块B、死区时间控制模块连接，时钟振荡器分别与窄脉冲抑制模块、死区时间控制模块、DC/DC控制信号模块、窄脉冲控制模块A、窄脉冲控制模块B电连接，DC/DC变换器与DC/DC控制信号模块连接。本发明使得在IGBT驱动电路的性能上得到大大提高。

Description

高压大电流IGBT驱动***

技术领域

本发明涉及高压驱动IGBT技术领域，尤其涉及一种高压大电流IGBT驱动电路。

背景技术

随着电力电子技术的发展，IGBT（绝缘栅双极性晶体管）得到了广泛应用。IGBT具有耐高压、耐大电流、高速和低饱和压降等特点,在高压变频器、风机变流器、太阳能并网逆变器等电力电子产品中得到广泛应用。驱动电路作为控制电路和功率半导体器件之间的桥梁,其性能决定着***的可靠性,驱动电路设计不仅要有极高的可靠性和良好的电气隔离,还必须要关注电磁兼容、成本等诸多因素，高压大电流IGBT驱动器也得到了广泛应用。

高压大功率IGBT驱动模块的在目前的发展中遇到了更高的要求。

1.更高的集成度

目前大功率IGBT驱动模块的体积还比较大，为了增加隔离电压耐量，通常都会采用变压器来实现隔离，变压器的体积和重量相对比较大，而且比较难于实现集成化。因此，未来的驱动器会采用体积更小、更容易集成化的隔离器件，比如：应用压电式变压器或者先进的磁集成技术来减小隔离元件的体积和重量，增加集成度。可以预见的是未来大功率IGBT必将和其驱动电路集成在同一个模块内部，用户只需要将控制信号直接引入功率模块就可以实现对IGBT的控制。

2.更高的隔离电压

当前驱动器都是采用光耦和变压器来实现隔离，光耦的优点是体积小，但存在隔离电压比较低、容易老化和延迟较大等不足。变压器隔离的隔离电压较高，延迟较小，但体积较大。因此，在需要高压隔离的场合还多数采用变压器来实现隔离，当前，变压器隔离的驱动模块的最高隔离电压大约为3300V左右。而IGBT的最高电压等级已经达到6500V，为了适应更高电压应用场合，必须采用隔离电压更高的驱动器。

3.更大的驱动功率

IGBT模块的容量在不断增加，单个模块的电流容量已经可以做到3600A，有时为了增加容量，通常采用并联的方式工作，对驱动器的驱动功率也提出了更高的要求，驱动器的最大输出电流必须相应地增加，特别是在多个模块并联应用时，驱动器平均输出功率要求达到5W～10W，瞬时最大输出电流要求达到30A以上。

4.更高的开关频率

为了适应在感应加热电源等方面的应用，IGBT的开关频率不断增加，随着制造技术的发展，IGBT最高的开关频率已经可以做到100khz以上，已经可以部分替代功率MOS管，对于驱动器来讲，意味着必须提供更大的驱动功率，而且还要驱动器具有更短的驱动脉冲延迟时间和上升、下降时间，提供更大的瞬时最大驱动电流等。

5.更完备的功能

现在广泛应用的门极驱动技术无法实现对IGBT开关过程中引起的di/dt，dv/dt的控制，从而控制变换电路的EMI。有源门极驱动技术可以有效地控制IGBT开关造成的较高的di/dt，dv/dt，相应地可以使IGBT工作在更加安全的工作区，减小其开关过程中产生的EMI，相应地减小IGBT的缓冲吸收电路。其中三段有源门极驱动技术是一种应用前景比较广泛的有源门极驱动技术。另外，为了满足串、并联IGBT应用的需要，驱动器还必须具备动态均压和均流功能。

IGBT作为电力电子***的一种关键的电力半导体器件已经持续增长了若干年，由于它使电力电子装置和设备实现了更高的效率，更高的开关频率和功率变换装置小型化的设计，随着性能不断提升，IGBT器件的应用领域已经扩展到更宽的范围，不仅在工业中，而且在许多其他功率变换***中，它已经取代了大功率双极晶体管(GTR)、功率MOS场效应管(MOSFET)，甚至出现替代门关断晶闸管(GTO)的现实趋势。大功率IGBT驱动模块技术将不断完善，集成度也将提高，进而减小IGBT功耗和EMI，提高***的可靠性。随着IGBT制造技术的发展，和应用领域将进一步增加，对于其驱动器的性能的要求也在不断提高。

发明内容

为了解决目前IGBT驱动电路已经不能满足IGBT使用要求的问题，提供一种高压大电流IGBT驱动***。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括波形整形器、DC/DC变换器、时钟振荡器、双路输入互锁控制模块、死区时间控制模块、DC/DC控制信号模块、窄脉冲抑制模块A、窄脉冲抑制模块B和故障处理模块，波形整形器与双路输入互锁控制模块电连接，双路输入互锁控制模块分别与窄脉冲控制模块A、窄脉冲控制模块B、死区时间控制模块连接，时钟振荡器分别与窄脉冲抑制模块、死区时间控制模块、DC/DC控制信号模块、窄脉冲控制模块A、窄脉冲控制模块B电连接，DC/DC变换器与DC/DC控制信号模块连接；其中，死区时间控制模块用来设置死区时间，故障处理模块将电路中的故障信号收集并反馈。

当驱动模块输出两路脉冲信号分别控制同一桥臂上面的上、下两只IGBT时，如果驱动信号同时控制两只IGBT导通，则会出现直通短路的现象，可能造成IGBT或其它器件的损坏。为了防止出现上述情况，在驱动模块的内部设计了双路输入互锁控制模块，确保当输入两路脉冲信号同时为高时，两路输出同时为低电平，防止出现直通现象。当需要双路驱动信号独立控制时，也可以通过外部端子屏蔽互锁功能。

窄脉冲抑制模块A和窄脉冲抑制模块B均包括短路保护电路。由于控制电路或者干扰等原因造成的窄脉冲信号，通过驱动器加到IGBT的栅极，可能造成IGBT在短时间内完成一个开关过程，过短的脉冲信号使IGBT还未完全开通又转为关断，对变换器的输出产生不良影响，并且增加了IGBT的开关损耗，降低了***的效率。在驱动器中设计了滤波电路，去除窄脉冲信号，有利于提高IGBT可靠性。

本发明采用的IGBT短路或过流保护方式是通过检测VCE的电压值来实现的，当IGBT出现短路或过流时，其工作区将退出饱和区而使VCE电压升高。通过二极管D与IGBT的集电极相连来实现IGBT的欠饱和检测，VCE电压升高将相应地使串联二极管的阳极电位升高，当超过设定的短路门限时保护电路动作，关断IGBT。由于IGBT在开通初期的集电极电压比较高，如果此时保护电路工作可能造成误动作，必须设置一个盲区时间，在此时间内短路保护电路是不工作的。此功能是通过开关S和外接并联电阻RCE和电容CCE来实现的，当IGBT关断时，S开通，电容CCE被充电到15V，当IGBT开通时，S关断，CCE电容经RCE放电，放电终止电压为：

$V_{\mathrm{rref}}=\frac{10*R_{\mathrm{ce}}}{R_3+R_{\mathrm{ce}}}$

这样就可以使得在IGBT开通初期，参考电压高于检测电压，防止保护电路误动作。

波形整形器采用调制脉冲信号，将上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号。双路输入互锁控制模块有两种工作模式，双路同时触发模式和单路触发模式。对于高压大功率IGBT，通常采用的方法是调制驱动脉冲信号，将其上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号，脉冲变压器只是将这两个脉冲信号耦合到次级，再通过次级重构的方法还原驱动脉冲信号。此种方法可称为脉冲边缘耦合传递方式。这种方式的优点是脉冲变压器只传递脉冲宽度固定的窄脉冲信号，可以适应占空比宽范围变化的驱动脉冲信号。由于变压器传递的是窄脉冲信号，变压器的磁芯和绕组可以取比较小的值，相应的漏感和分布电容也比较小，这都有利于脉冲变压器的设计和信号的传输。

DC/DC变换器为DC/DC控制信号模块提供控制所需的电源。大功率IGBT驱动模块为了方便用户对驱动电源的设计，内部通常都自带了DC/DC变换器。具有高隔离电压等级的DC/DC变换器无需用户单独设计隔离电源，集成的隔离变换器通常采用半桥式或推挽式的结构，为了增加隔离电压，简化变换器控制电路，一般不带闭环控制，个别驱动器在输出端增加了线性稳压电源来实现驱动电压的稳定。为了减小变压器的体积，工作频率多在100khz以上。在高压大功率应用场合，根据不同的母线电压，驱动器初次级之间必须要求具有很高的隔离电压耐量，900VDC的母线电压要求至少有4KV AC的隔离电压。另外一个必须考虑的因素是dv/dt耐量，当IGBT高速开关时，可能产生非常高的dv/dt，此信号可以经过隔离变压器或脉冲变压器耦合到初级控制电路，对控制电路产生干扰。因此，在隔离变压器的设计时还要求其具有非常小的初次级耦合电容，根据对dv/dt耐量具体的要求来决定其变压器耦合电容容量大小，通常情况下都要小于20pf。

故障处理模块将电路中的故障信号收集并反馈。

驱动电路的外接模块采用不同的接口板。

死区时间控制模块用来设置死区时间。在半桥式的工作模式下，两只IGBT必须轮流导通，为了防止两只IGBT在开关交替过程中出现两管同时处于开通状态，在两管交替导通时必须加入一定的死区时间，根据不同特性的IGBT，死区时间也不相同。在双路大功率驱动模块中，内部设计了死区控制电路，都可以通过外部端子的不同接法来调节死区的大小。

本发明采用如上技术方案使得在IGBT驱动电路的性能上得到大大提高，实现了高压大电流的IGBT驱动。

附图说明

图1驱动电路模块示意框图；

图2波形整形器变换后的初级波形；

图3短路保护电路示意图；

图4短路保护电路信号波形；

图5脉冲边缘耦合传递方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的高压大电流IGBT驱动***包括波形整形器、DC/DC变换器、时钟振荡器、双路输入互锁控制模块、死区时间控制模块、DC/DC控制信号模块、窄脉冲抑制模块A、窄脉冲抑制模块B和故障处理模块，波形整形器与双路输入互锁控制模块电连接，双路输入互锁控制模块分别与窄脉冲控制模块A、窄脉冲控制模块B、死区时间控制模块连接，时钟振荡器分别与窄脉冲抑制模块、死区时间控制模块、DC/DC控制信号模块、窄脉冲控制模块A、窄脉冲控制模块B电连接，DC/DC变换器与DC/DC控制信号模块连接；其中，死区时间控制模块用来设置死区时间，故障处理模块将电路中的故障信号收集并反馈。

窄脉冲抑制模块A和窄脉冲抑制模块B均包括短路保护电路。本发明采用的IGBT短路或过流保护方式是通过检测VCE的电压值来实现的，当IGBT出现短路或过流时，其工作区将退出饱和区而使VCE电压升高。通过二极管D与IGBT的集电极相连来实现IGBT的欠饱和检测，VCE电压升高将相应地使串联二极管的阳极电位升高，当超过设定的短路门限时保护电路动作，关断IGBT。由于IGBT在开通初期的集电极电压比较高，如果此时保护电路工作可能造成误动作，必须设置一个盲区时间，在此时间内短路保护电路是不工作的。此功能是通过开关S和外接并联电阻RCE和电容CCE来实现的，当IGBT关断时，S开通，电容CCE被充电到15V，当IGBT开通时，S关断，CCE电容经RCE放电，放电终止电压为：

$V_{\mathrm{ref}}=\frac{10*R_{\mathrm{ce}}}{R_3+R_{\mathrm{ce}}}$

这样就可以使得在IGBT开通初期，参考电压高于检测电压，防止保护电路误动作。

波形整形器采用调制脉冲信号，将上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号。

DC/DC变换器为DC/DC控制信号模块提供控制所需的电源。

故障处理模块将电路中的故障信号收集并反馈。

双路输入互锁控制模块有两种工作模式，双路同时触发模式和单路路触发模式。

驱动电路的外接模块采用不同的接口板。为了适应不同的厂商封装的IGBT模块，IGBT驱动器必须具有友好的用户接口。同时还要具有广泛的灵活性和经济的成本。由于驱动模块(驱动芯)只提供驱动器中最重要的通用功能，因此它在不同的应用中与不同模块的连接需要依靠接口板来完成。整个模块-驱动单元包括了一个具有弹簧接口的功率模块、一个标准版或增强版驱动芯以及连接驱动芯到指定模块的接口板。可以用户化的接口板有一个突出的优点：用户可以自己调整并决定IGBT的开关特性，例如：通过调整RGON或RGOFF来改变IGBT开通或关断的速度；调整死区时间或禁止互锁功能；调整VCE保护点和窗口时间等。

死区时间控制模块用来设置死区时间。死区时间控制模块用来设置死区时间。在半桥式的工作模式下，两只IGBT必须轮流导通，为了防止两只IGBT在开关交替过程中出现两管同时处于开通状态，在两管交替导通时必须加入一定的死区时间，根据不同特性的IGBT，死区时间也不相同。在双路大功率驱动模块中，内部设计了死区控制电路，都可以通过外部端子的不同接法来调节死区的大小。

Claims (6)

1.一种高压大电流IGBT驱动***，其特征在于，包括波形整形器、DC/DC变换器、时钟振荡器、双路输入互锁控制模块、死区时间控制模块、DC/DC控制信号模块、窄脉冲抑制模块A、窄脉冲抑制模块B和故障处理模块，波形整形器与双路输入互锁控制模块电连接，双路输入互锁控制模块分别与窄脉冲控制模块A、窄脉冲控制模块B、死区时间控制模块连接，时钟振荡器分别与窄脉冲抑制模块、死区时间控制模块、DC/DC控制信号模块、窄脉冲控制模块A、窄脉冲控制模块B电连接，DC/DC变换器与DC/DC控制信号模块连接；其中，死区时间控制模块用来设置死区时间，故障处理模块将电路中的故障信号收集并反馈。

2.根据权利要求1所述的高压大电流IGBT驱动***，其特征在于，窄脉冲抑制模块A和窄脉冲抑制模块B均包括短路保护电路。

3.根据权利要求1所述的高压大电流IGBT驱动***，其特征在于，波形整形器采用调制脉冲信号，将上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的高压大电流IGBT驱动***，其特征在于，DC/DC变换器为DC/DC控制信号模块提供控制所需的电源。

5.根据权利要求1所述的高压大电流IGBT驱动***，其特征在于，双路输入互锁控制模块包括双路同时触发模式和单路触发模式。

6.根据权利要求1所述的高压大电流IGBT驱动***，其特征在于，驱动电路的外接模块采用不同的接口板。

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