CN104617753B - 门极驱动电路板、门极驱动单元及其驱动方法 - Google Patents

门极驱动电路板、门极驱动单元及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种门极驱动电路板，用以驱动控制大功率IGBT晶体管，包括CPLD主控芯片、初级低压PCB、次级高压PCB、隔离驱动变压器及高压分压PCB，门极驱动电路板内的门极驱动单元包括电源模块，高压分压模块，短路保护模块，故障显示模块，故障反馈模块，自检自恢复模块及光纤启动模块。本发明的门极驱动电路板、门极驱动单元及其驱动方法为国内外过去一直用的同规格GDU‑DYTP 140A提供更新替换提供可选方案，并且同比进口产品而言，不但降低了成本，提高了效率，以更优的性能更优的服务确定了其明显的优势。

Description

门极驱动电路板、门极驱动单元及其驱动方法
技术领域
本发明涉及牵引***，尤其是一种用于牵引***中控制及监视IGBT状态的门极驱动电路板、门极驱动单元及其驱动方法。
背景技术
牵引***中，VVVF逆变及斩波的控制多由高功率晶体管模块IGBT的通断来完成，因而IGBT在这一***中起着关键性作用。高效的控制及监视IGBT的状态必然成为整个牵引***中的最为关键的一个部分。
门极驱动单元(Gate Drive Unit，简称GDU)，一种用以驱动控制大功率IGBT晶体管的可编程印刷电路板，尤其在牵引控制中广泛应用。在过去的10年里，国内外动车、地铁等车辆的牵引控制基本用的主流的几家如BOMBARDIER、SIEMENS、ALSTOM等，其成熟的技术，稳定的性能及业内深远的影响占据主要市场。
然而近年来，国内外现用车辆上使用的牵引控制设备部分部件已基本到其使用寿命，尤其是直接关联IGBT大功率负载的GDU原本就是高故障率高易损率的部件即将迎来大规模的老化、损坏而必须更换的局面。然原装部件(如BOMBARDIER)供货周期长，价格高，且就该部件而言只有售前服务没有售后技术支持。由于国内外相关客户近年来认知的不断提高，对相关技术都有一定的了解，关键组成元件的熟悉，认为GDU该部件的集成度有限，就成本和销售价格比差过大，进口价格过高，周期过长，且期望在GDU故障、损坏时能够提供技术支持，不影响基本性能的情况下能够维修或提供改善建议，而对于这些需求原装进口就不能达到。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了提供一种门极驱动电路板、门极驱动单元及其驱动方法，集成度高、成本较低，保证了IGBT的使用性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种门极驱动电路板，用以驱动控制大功率IGBT晶体管，包括CPLD主控芯片、初级低压PCB、次级高压PCB、隔离驱动变压器及高压分压PCB，所述初级低压PCB、次级高压PCB之间通过隔离驱动变压器连接，所述CPLD主控芯片、高压分压PCB固定在次级高压PCB上。
所述初级低压PCB上设置有电源接口，连接电源电压24V DC(+5％，-10％)，所述次级高压PCB上设置有门极接口和发射极接口集合体，连接IGBT门极和发射极，集电极接口，连接不同电压等级的IGBT集电极，发射极接口，连接IGBT发射极，CPLD主控芯片程序下载接口和测试接口，光纤接收接口，IGBT开关信号，光纤发送接口，GDU故障反馈信号。
所述高压分压PCB采用基材S1141，代替原进口陶瓷板方式，配置特质高精度大功率电阻完成电路配置，在功能上达到原装方式要求，在性能上高于原装设计，更精确及时的监控IGBT状态。且采用基材S1141替代原装陶瓷板工艺上方便处理，成本上得到进一步控制。
所述次级高压PCB上设置有状态指示灯，包括绿灯和红灯，用于显示IGBT及GDU是否正常工作。
本发明还提供一种门极驱动单元，包括
电源模块，接收外部直流供电电压，并将电压转换成各逻辑器件所需的电压及IGBT的驱动控制电压；
高压分压模块，连接不同电压等级的IGBT集电极，通过分压电路按比例缩小VCE并实时监控，确定IGBT工作状态及正常与否；
短路保护模块，连接IGBT的门极-发射极，用于监控IGBT门极和发射极电流，并判断是否启动或关断IGBT；
故障显示模块，与电源模块、高压分压模块、短路保护模块连接，指示电源模块状态，实时监测高压分压模块、短路保护模块，并将故障信号报错显示；
故障反馈模块，与故障显示模块连接，将故障信号反馈给上级DCU；
自检自恢复模块，与高压分压模块、短路保护模块连接，故障移除后进行自检，确认各功能状态正常后自动复位进入正常工作状态；
光纤启动模块，与自检自恢复模块连接，自检正常后按上级DCU给定信号开关IGBT。
所述短路保护模块中，短路电流限制在290mA，超过即判定为短路进入保护状态，关断IGBT的同时锁定开信号，直到故障移除电流监测在正常范围内恢复正常工作状态。
所述短路保护模块中还设置有IGBT发射极Emain监控模块，用于监控IGBT发射极状态，监测IGBT的Emain＝＞Ekelvin的电流变化超过5kA/ms，电压变化量超过150V时，判定为短路保护，及时关断IGBT并锁定开信号，直到故障移除自检通过后恢复正常工作状态。
本发明还提供一种门极驱动单元的驱动方法，包括如下步骤：
(1)根据所选IGBT型号参数配置正确的CPLD程序并固件加载；
(2)将该门极驱动单元与IGBT连接；
(3)上电，发送启动信号，门极驱动单元通过自检并进入正常工作模式；
(4)工作过程中检测门极驱动单元及IGBT各参数性能，发生过压、过流故障时关断IGBT并指示报错；
(5)故障时信号反馈于上级DCU，并锁定启动信号，直到故障排查移除；
(6)等待故障移除后，自检通过，延时复位进入正常工作状态。
本发明的有益效果是：本发明的门极驱动电路板、门极驱动单元及其驱动方法迎合了当下环境，为国内外过去一直用的同规格GDU-DYTP 140A提供更新替换提供可选方案，且由自主研发代替进口成品采购也解决了客户对于该部件损耗的怀疑，提供可靠的技术支持及专业的售后服务，并且同比进口产品而言，不但降低了成本，提高了效率，以更优的性能更优的服务确定了其明显的优势。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明门极驱动电路板的结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种门极驱动电路板，用以驱动控制大功率IGBT晶体管，包括CPLD主控芯片5、初级低压PCB1、次级高压PCB3、隔离驱动变压器2及高压分压PCB4，所述初级低压PCB1、次级高压PCB3之间通过隔离驱动变压器2连接，所述CPLD主控芯片5、高压分压PCB4固定在次级高压PCB3上，所述高压分压PCB4采用基材S1141，所述初级低压PCB1上设置有电源接口6，所述次级高压PCB3上设置有门极接口和发射极接口集合体8、集电极接口9、发射极接口7、CPLD主控芯片程序下载接口和测试接口12、光纤接收接口10、光纤发送接口11及状态指示灯13。
该门极驱动电路板是一款驱动控制大功率IGBT的PCB，由其主要功能是对IGBT门极的驱动控制及对IGBT各项电性能监控，由功能定义命名门极驱动单元(GDU)。该GDU在牵引控制应用中尤为广泛，是为牵引控制***的核心部件之一。
该GDU是通用型驱动单元，适用于多种不同厂家型号IGBT，加载不同的配置程序使其对应匹配不同型号IGBT实现不同位置功能。主要实现以下功能：过压、过流保护；短路保护；自恢复二极管控制；优化、补偿开关损耗；调节控制dVCE/dt和dIC/dt确保开关速度；IGBT状态监测，故障反馈。
该GDU正常工作时自成回路，由各主功能部件配合软硬件逻辑进行自我监控及对IGBT的监控。
该门极驱动电路板包含了一种门极驱动单元，包括
电源模块，通过电源接口6接收外部直流供电电压，并将电压转换成各逻辑器件所需的电压及IGBT的驱动控制电压，24VDC(+5％，-10％)供电，经过我司自主研发的隔离驱动变压器初次级隔离，经过电源转换芯片二次转化成+3.3V，+5V，+17V和±15V各逻辑器件所需的及IGBT的驱动控制电压，外部直流供电电压上升至18-21V即可进入正常工作状态，并且各电源电位保持在正常电位方能正常工作并对IGBT驱动控制，电源自检不通过皆故障指示并锁定IGBT启动功能直到电源故障移除后自恢复进入正常工作模式；
高压分压模块，通过集电极接口9连接不同电压等级的IGBT集电极，通过分压电路按比例缩小VCE并实时监控，确定IGBT工作状态及正常与否，并且该部分电路设有过压保护功能，监控IGBT过压时会立即关断IGBT并锁定开信号，直到过压移除后延时3-4秒恢复GDU正常工作状态，并且该组件通过低压24VDC给IGBT预充电，确保开关时的速率，减小损耗，该功能直接关联的IGBT集电极接口，根据不同规格型号的IGBT选择不同的电压等级接线方式；
短路保护模块，通过门极接口和发射极接口集合体8连接IGBT的门极和发射极，用于启动和关断IGBT的同时监控门射极电流IGE，限制在290mA，超过即判定为短路进入保护状态，关断IGBT的同时锁定开信号，直到故障移除电流监测在正常范围内GDU恢复正常工作状态，发射极接口连接IGBT发射极Emain，监控IGBT发射极状态，当IGBT开通时，监测IGBT的Emain＝＞Ekelvin的电流变化超过5kA/ms，电压变化量超过150V时，判定为短路保护，及时关断IGBT并锁定开信号，直到故障移除自检通过后恢复正常工作模式；
故障显示模块，与高压分压模块、短路保护模块连接，实时监测高压分压模块、短路保护模块，并将故障信号报错显示，启动工作时，GDU与外部IGBT关联的所有端子门极接口和发射极接口集合体、集电极接口、发射极接口的状态皆实时监测，当连接错误或短路等情况皆会及时红色LED闪烁故障报错，待检修并改正后恢复正常工作模式；
故障反馈模块，与故障显示模块连接，并通过光纤发送接口11与上级DCU连接，在正常工作时不反馈，故障时给予光信号于上级DCU；
自检自恢复模块，与高压分压模块、短路保护模块连接，故障移除后进行自检，确认各功能状态正常后延时3-4s自动复位进入正常工作状态；
光纤启动模块，与自检自恢复模块连接，并通过光纤接收接口10与上级DCU连接，接收来自于上级DCU的启动信号，自检正常后按给定信号开关IGBT。
该门极驱动单元的驱动方法，包括如下步骤：
(1)根据所选IGBT型号参数配置正确的CPLD程序并固件加载；
(2)将该门极驱动单元与IGBT连接；
(3)上电，发送启动信号，门极驱动单元通过自检并进入正常工作模式；
(4)工作过程中检测门极驱动单元及IGBT各参数性能，发生过压、过流等故障时关断IGBT并指示报错；
(5)故障时信号反馈于上级DCU，并锁定启动信号，直到故障排查移除；
(6)等待故障移除后，自检通过，延时复位进入正常工作状态。
本发明已兼容大部分GDU需求功能，能够直接替代同类其他产品，虽然与庞巴迪等同类产品在使用上能够互相替换，但其本身的绝对优势又决定了其在选型应用中不可替代的地位。
本发明的门极驱动电路板、门极驱动单元及其驱动方法迎合了当下环境，为国内外过去一直用的同规格GDU-DYTP 140A提供更新替换提供可选方案，且由自主研发代替进口成品采购也解决了客户对于该部件损耗的怀疑，提供可靠的技术支持及专业的售后服务，并且同比进口产品而言，不但降低了成本，提高了效率，以更优的性能更优的服务确定了其明显的优势。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种门极驱动单元，采用门极驱动电路板，门极驱动电路板用以驱动控制大功率IGBT晶体管，门极驱动电路板包括CPLD主控芯片、初级低压PCB、次级高压PCB、隔离驱动变压器及高压分压PCB，所述初级低压PCB、次级高压PCB之间通过隔离驱动变压器连接，所述CPLD主控芯片、高压分压PCB固定在次级高压PCB上，其特征在于，门极驱动单元包括：
电源模块，接收外部直流供电电压，并将电压转换成各逻辑器件所需的电压及IGBT的驱动控制电压；
高压分压模块，连接不同电压等级的IGBT集电极，通过分压电路按比例缩小VCE并实时监控，确定IGBT工作状态及正常与否；
短路保护模块，连接IGBT的门极-发射极，用于监控IGBT门极和发射极电流，并判断是否启动或关断IGBT；
故障显示模块，与电源模块、高压分压模块、短路保护模块连接，指示电源模块状态，实时监测高压分压模块、短路保护模块，并将故障信号报错显示；
故障反馈模块，与故障显示模块连接，将故障信号反馈给上级DCU；
自检自恢复模块，与高压分压模块、短路保护模块连接，故障移除后进行自检，确认各功能状态正常后自动复位进入正常工作状态；
光纤启动模块，与自检自恢复模块连接，自检正常后按上级DCU给定信号开关IGBT。
2.如权利要求1所述的门极驱动单元，其特征在于：所述初级低压PCB上设置有电源接口，所述次级高压PCB上设置有门极接口和发射极接口集合体、集电极接口、发射极接口、CPLD主控芯片程序下载接口和测试接口、光纤接收接口及光纤发送接口。
3.如权利要求1所述的门极驱动单元，其特征在于：所述高压分压PCB采用基材S1141。
4.如权利要求1所述的门极驱动单元，其特征在于：所述次级高压PCB上设置有状态指示灯。
5.如权利要求1所述的门极驱动单元，其特征在于：所述短路保护模块中，短路电流限制在290mA，超过即判定为短路进入保护状态，关断IGBT的同时锁定开信号，直到故障移除电流监测在正常范围内恢复正常工作状态。
6.如权利要求5所述的门极驱动单元，其特征在于：所述短路保护模块中还设置有IGBT发射极Emain监控模块，用于监控IGBT发射极状态，监测IGBT的Emain＝＞Ekelvin的电流变化超过5kA/ms，电压变化量超过150V时，判定为短路保护，及时关断IGBT并锁定开信号，直到故障移除自检通过后恢复正常工作状态。
7.一种采用如权利要求6所述的门极驱动单元的驱动方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)根据所选IGBT型号参数配置正确的CPLD程序并固件加载；
(2)将该门极驱动单元与IGBT连接；
(3)上电，发送启动信号，门极驱动单元通过自检并进入正常工作模式；
(4)工作过程中检测门极驱动单元及IGBT各参数性能，发生过压、过流故障时关断IGBT并指示报错；
(5)故障时信号反馈于上级DCU，并锁定启动信号，直到故障排查移除；
(6)等待故障移除后，自检通过，延时复位进入正常工作状态。
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