高兼容性IGBT驱动装置.pdf

本发明涉及功率模块的驱动技术，具体为一种高兼容性IGBT驱动装置。本发明针对功率模块中IGBT的开关控制，IGBT驱动装置负责接收TCU的驱动信号，将驱动信号进行隔离变换，控制IGBT的开通和关断。同时IGBT驱动装置将控制电源和IGBT侧的高压进行隔离，防止主回路的高压对其他电路的损害。本发明所述IGBT驱动装置的设计要点：1、将驱动电路与配置电路分开设计，配置电路可直接安装在IGBT器件上，增强驱动回路的抗干扰性能；2、驱动功率大，可提供+15V/-10V的驱动电压；3、具有较完善的保护功能:如采用动态Vce监测实现短路保护，采用动态箝位实现关断时过压保护；4、高低压回路之间的隔离电压等级高，兼容性好，满足了6500V及以下电压等级的IGBT驱动及保护。

权利要求书1.  一种高兼容性IGBT驱动装置，其特征在于，包括一个数据采集控制电路；数据采集控制电路包括内部电路U1以及驱动电阻R8，R9，R10，R11；所述U1上设有SO、GND、VCC、VDC、VCE、REF、ACL、GL、V0、GH、V+、V-端口；U1的SO端口通过施密特触发变换器U2连接电阻R1；U2包括U2A和U2B两个通道，U2A的第十四引脚与U1的VCC端连接，同时还通过电容C2接地，U2A的第七引脚接地；U1的VCC端通过电容C1接地；U1的VCC端通过电容C1接地，VCC端与VDC端相连接；U1的VCE端分成两路，一路通过电阻R2连接有二极管D61，D61的负极与U1的V+端连接，另一路通过电容C3与U1的V-端连接；R2与二极管D61正极相连接的一端还分别连接有电阻R3和R4；电阻R4的一端作为信号输入端输入SC信号；R3的两端并联有二极管D71，D71的正极与U1的V-端连接；U1的REF端通过电阻R12与U1的V0端连接；U1的ACL端分成两路，一路连接有电阻R5，电阻R5的一端作为信号输入端输入ACL1信号，另一路连接有电阻R6，电阻R6的一端作为信号输入端输入ACL2信号；U1的GL端分成三路，第一路通过顺次连接的驱动电阻R8和R9与U1的GH端连接，驱动电阻R8和R9的连接端作为信号输出端输出G2信号，第二路通过驱动电阻R10以及R11与U1的GH端连接，驱动电阻R10和R11的连接端作为信号输出端输出G1信号，第三路通过电阻R7与U1的V-端连接；U1的V+端与V0端之间连接有电容C4，V0端与V-端之间连接有电容C5。2.  如权利要求1所述的高兼容性IGBT驱动装置，其特征在于，U1包括高压隔离变压器T01和数据采集控制芯片U01；U01上设有V0、V+、Gh、Gl、ACL、Vce、IN、OUT及V-端口；T01原边的第一接线端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q01，T01原边的第二接线端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q02，Q01的漏极与T01原边的第一接线端连接，Q02的漏极与T01原边的第二接线端连接，Q01的源极与Q02的源极连接并接地；原边增加中间抽头，中间抽头分为两路，一路作为U1的VCC端，另一路通过电容C01接地；T01副边的一个接线端分成两路，一路连接有二极管D01，另一路连接有二极管D03；T01副边的另一个接线端也分成两路，一路连接有二极管D02，另一路连接有二极管D04；D01的正极与T01副边的一个接线端相连接，D02的正极与T01的副边的另一个接线端相连接，D01及D02的负极均与U01的V+端相连接；D03的负极与T01副边的一个接线端相连接，D04的负极与T01副边的另一个接线端相连接，D03及D04的正极均与U01的V-端相连接；U01的V+端与V-端之间顺次连接有电容C02和C03；U01的V+端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q03，U01的V-端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q04，U01的V+端与Q03的漏极连接，U01的Gh端与Q03的栅极连接，Q03的源极作为U1的GH端；Q04的源极与U01的V-端连接，Q04的栅极与U01的Gl端连接，Q04的漏极作为U1的GL端；U01的V0端连接在电容C02和C03之间；U1还包括光纤发射器U02及光纤接收器U03；U03的第一引脚通过电阻R01与U01的V+端连接，U03的第一引脚还连接有施密特触发变换器U04，U03的第三引脚与第二引脚之间连接有电容C05并与U01的V0端连接，U04的一个通道U04A的第十四引脚与U01的V+端连接，U04A的第十四引脚还通过电容C04与U01的V0端连接，U04A的第二引脚与U01的IN端相连接，U04A的第七引脚与U01的V0端连接；U02的第五引脚分别与其第四引脚、第三引脚、第八引脚和第二引脚连接并与U01的V0端连接，U02的第一引脚与第二引脚之间连接有二极管D05，D05的两端并联有电阻R02，D05的正极与U02的第二引脚连接，D05的负极与U02的第一引脚连接；U02的第一引脚还通过稳压二极管D06以及电阻R03与U01的OUT端连接，D06的正极与U02第一引脚连接，D06的负极与电阻R03连接，D06的负极还通过电容C06与U01的V0端连接。3.  如权利要求2所述的高兼容性IGBT驱动装置，其特征在于，U01的V+端通过电容C07与V0端连接，V+端还通过电阻R04、R05以及稳压二极管D08与V0端连接，R05与D08的两端并联有电容C08，C08两端并联有单向TVS管D07；电阻R05两端并联有电阻R06，R06两端并联有电阻R07；D08的正极与U01的V0端连接，D08两端并联有电容C09，电容C09与U03的第三引脚连接。4.  如权利要求2或3所述的高兼容性IGBT驱动装置，其特征在于，所述驱动电阻R8、R9、R10、R11和U1均集成在一个电路板上；电路板上还集成有电源电路（1）。

说明书高兼容性IGBT驱动装置
技术领域
本发明涉及功率模块的驱动技术，具体为一种高兼容性IGBT驱动装置。
背景技术
随着列车交流技术的发展，采用高频大功率IGBT作为开关元件的变流器应用日益广泛。功率模块是列车变流器中最关键的部件之一，其驱动电路的设计，对整个功率模块正确、可靠的工作有着极其重要的影响。现有技术的IGBT驱动及保护虽然有成熟技术，但在6500V及6500V以下的不同电压等级的兼容性差、可靠性差。
牵引控制单元Traction Control Unit（以下简称TCU）与驱动电路之间信号传输采用电缆，传输信号抗干扰性差。同时驱动电路的兼容性差，6500V电压等级驱动电路驱动6500V以下电压等级功率器件IGBT可操作性差、可靠性差。
发明内容
本发明为解决IGBT驱动电路兼容性差可靠性差的技术问题，提供一种高兼容性IGBT驱动装置。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种高兼容性IGBT驱动装置，包括一个数据采集控制电路；数据采集控制电路包括内部电路U1以及驱动电阻R8，R9，R10，R11；所述U1上设有SO、GND、VCC、VDC、VCE、REF、ACL、GL、V0、GH、V+、V-端口；U1的SO端口通过施密特触发变换器U2连接电阻R1；U2包括U2A和U2B两个通道，U2A的第十四引脚与U1的VCC端连接，同时还通过电容C2接地，U2A的第七引脚接地；U1的VCC端通过电容C1接地；U1的VCC端通过电容C1接地，VCC端与VDC端相连接；U1的VCE端分成两路，一路通过电阻R2连接有二极管D61，D61的负极与U1的V+端连接，另一路通过电容C3与U1的V-端连接；R2与二极管D61正极相连接的一端还分别连接有电阻R3和R4；电阻R4的一端作为信号输入端输入SC信号；R3的两端并联有二极管D71，D71的正极与U1的V-端连接；U1的REF端通过电阻R12与U1的V0端连接；U1的ACL端分成两路，一路连接有电阻R5，电阻R5的一端作为信号输入端输入ACL1信号，另一路连接有电阻R6，电阻R6的一端作为信号输入端输入ACL2信号；U1的GL端分成三路，第一路通过顺次连接的驱动电阻R8和R9与U1的GH端连接，驱动电阻R8和R9的连接端作为信号输出端输出G2信号，第二路通过驱动电阻R10以及R11与U1的GH端连接，驱动电阻R10和R11的连接端作为信号输出端输出G1信号，第三路通过电阻R7与U1的V-端连接；U1的V+端与V0端之间连接有电容C4，V0端与V-端之间连接有电容C5。
本发明从现有技术的缺点出发，主要解决了以下几方面问题：
1）高压IGBT驱动装置脉冲信号和状态反馈信号接口采用光纤接口，光纤信号传输抗干扰性强；
2）IGBT驱动装置驱动功率高，满足了单管和双管并联的驱动；
3）高压IGBT驱动装置高低压回路之间的隔离电压等级高，兼容性好，满足了6500V及6500V以下电压等级的IGBT驱动及保护。
本发明的所述IGBT驱动装置的工作原理：
针对功率模块中IGBT的开关控制，IGBT驱动装置负责接收TCU的驱动信号，将驱动信号进行隔离变换，控制IGBT的开通和关断。同时IGBT驱动装置将控制电源和IGBT侧的高压进行隔离，防止主回路的高压对其他电路的损害。
本发明的所述IGBT驱动装置的设计要点：
1、将驱动电路与配置电路分开设计，配置电路可直接安装在IGBT器件上，增强驱动回路的抗干扰性能；
2、驱动功率大，可提供+15V/-10V的驱动电压；
3、具有较完善的保护功能:如采用动态Vce监测实现短路保护，采用动态箝位实现关断时过压保护；
4、高低压回路之间的隔离电压等级高，兼容性好，满足了6500V及6500V以下电压等级的IGBT驱动及保护。
进一步的，U1包括高压隔离变压器T01和数据采集控制芯片U01；U01上设有V0、V+、Gh、Gl、ACL、Vce、IN、OUT及V-端口；T01原边的第一接线端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q01，T01原边的第二接线端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q02，Q01的漏极与T01原边的第一接线端连接，Q02的漏极与T01原边的第二接线端连接，Q01的源极与Q02的源极连接并接地；原边增加中间抽头，中间抽头分为两路，一路作为U1的VCC端，另一路通过电容C01接地；T01副边的一个接线端分成两路，一路连接有二极管D01，另一路连接有二极管D03；T01副边的另一个接线端也分成两路，一路连接有二极管D02，另一路连接有二极管D04；D01的正极与T01副边的一个接线端相连接，D02的正极与T01的副边的另一个接线端相连接，D01及D02的负极均与U01的V+端相连接；D03的负极与T01副边的一个接线端相连接，D04的负极与T01副边的另一个接线端相连接，D03及D04的正极均与U01的V-端相连接；U01的V+端与V-端之间顺次连接有电容C02和C03；U01的V+端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q03，U01的V-端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q04，U01的V+端与Q03的漏极连接，U01的Gh端与Q03的栅极连接，Q03的源极作为U1的GH端；Q04的源极与U01的V-端连接，Q04的栅极与U01的Gl端连接，Q04的漏极作为U1的GL端；U01的V0端连接在电容C02和C03之间；U1还包括光纤发射器U02及光纤接收器U03；U03的第一引脚通过电阻R01与U01的V+端连接，U03的第一引脚还连接有施密特触发变换器U04，U03的第三引脚与第二引脚之间连接有电容C05并与U01的V0端连接，U04的一个通道U04A的第十四引脚与U01的V+端连接，U04A的第十四引脚还通过电容C04与U01的V0端连接，U04A的第二引脚与U01的IN端相连接，U04A的第七引脚与U01的V0端连接；U02的第五引脚分别与其第四引脚、第三引脚、第八引脚和第二引脚连接并与U01的V0端连接，U02的第一引脚与第二引脚之间连接有二极管D05，D05的两端并联有电阻R02，D05的正极与U02的第二引脚连接，D05的负极与U02的第一引脚连接；U02的第一引脚还通过稳压二极管D06以及电阻R03与U01的OUT端连接，D06的正极与U02第一引脚连接，D06的负极与电阻R03连接，D06的负极还通过电容C06与U01的V0端连接。
图2中U1的驱动功率大，可提供+15V/-10V的驱动电压，可满足单管和双管并联的驱动。通过调节驱动电阻R8、R9、R10、R11的阻值可匹配各个等级IGBT。U1将IGBT退饱和电压监测值与参考值比较，实现动态Vce监测短路保护功能；U1还配备动态箝位ACL功能，实现关断时过压保护。
    图3、图4、图5、图6为图2中U1的主要电路原理图。
图3中T01为高压隔离变压器将低压控制电路和IGBT侧的高压进行电气隔离，防止主回路的高压对其他电路的损害。
T01电气隔离不小于10.2kV。隔离电压等级高，可满足了6500V及6500V以下电压等级的IGBT驱动隔离保护要求，具有较高的兼容性。
驱动信号和反馈故障信号均采用光电隔离技术，光纤信号传输抗干扰性强。控制单元的驱动光信号通过图4中U03 为光纤接收器进行光电转换，驱动信号经过U04A进行整形送入芯片U01及驱动电阻R8、R9、R10、R11后送至IGBT门级控制其导通与关断；故障信号由U01送至U02光纤发射器完成电光转换，控制单元接受到故障信号后封锁驱动脉冲完成对IGBT保护。
本发明有益效果：
1）高压IGBT驱动装置脉冲信号和状态反馈信号接口采用光纤接口，光纤信号传输抗干扰性强；
2）高压IGBT驱动装置高低压回路之间的隔离电压等级高，兼容性好，满足不同电压等级的IGBT驱动及保护技术；
3）高压IGBT驱动装置有完善的保护控制，提高了IGBT的使用寿命和可靠性。
附图说明
图1 本发明外部结构示意图。
图2本发明所述内部电路U1与驱动电阻的连接结构示意图。
图3U1的局部结构示意图一（U01的连接示意图）。
图4 U1的局部结构示意图二（U03的连接示意图）。
图5U1的局部结构示意图三（U02的连接示意图）。
图6 U1的局部结构示意图四。
1-电源电路。
具体实施方式
一种高兼容性IGBT驱动装置，包括一个数据采集控制电路；数据采集控制电路包括内部电路U1以及驱动电阻R8，R9，R10，R11；所述U1上设有SO、GND、VCC、VDC、VCE、REF、ACL、GL、V0、GH、V+、V-端口；U1的SO端口通过施密特触发变换器U2连接电阻R1；U2包括U2A和U2B两个通道，U2A的第十四引脚与U1的VCC端连接，同时还通过电容C2接地，U2A的第七引脚接地；U1的VCC端通过电容C1接地；U1的VCC端通过电容C1接地，VCC端与VDC端相连接；U1的VCE端分成两路，一路通过电阻R2连接有二极管D61，D61的负极与U1的V+端连接，另一路通过电容C3与U1的V-端连接；R2与二极管D61正极相连接的一端还分别连接有电阻R3和R4；电阻R4的一端作为信号输入端输入SC信号；R3的两端并联有二极管D71，D71的正极与U1的V-端连接；U1的REF端通过电阻R12与U1的V0端连接；U1的ACL端分成两路，一路连接有电阻R5，电阻R5的一端作为信号输入端输入ACL1信号，另一路连接有电阻R6，电阻R6的一端作为信号输入端输入ACL2信号；U1的GL端分成三路，第一路通过顺次连接的驱动电阻R8和R9与U1的GH端连接，驱动电阻R8和R9的连接端作为信号输出端输出G2信号，第二路通过驱动电阻R10以及R11与U1的GH端连接，驱动电阻R10和R11的连接端作为信号输出端输出G1信号，第三路通过电阻R7与U1的V-端连接；U1的V+端与V0端之间连接有电容C4，V0端与V-端之间连接有电容C5。
U1包括高压隔离变压器T01和数据采集控制芯片U01（IGBT驱动混合集成电路）；U01上设有V0、V+、Gh、Gl、ACL、Vce、IN、OUT及V-端口；T01原边的第一接线端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q01，T01原边的第二接线端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q02，Q01的漏极与T01原边的第一接线端连接，Q02的漏极与T01原边的第二接线端连接，Q01的源极与Q02的源极连接并接地；原边增加中间抽头，中间抽头分为两路，一路作为U1的VCC端，另一路通过电容C01接地；T01副边的一个接线端分成两路，一路连接有二极管D01，另一路连接有二极管D03；T01副边的另一个接线端也分成两路，一路连接有二极管D02，另一路连接有二极管D04；D01的正极与T01副边的一个接线端相连接，D02的正极与T01的副边的另一个接线端相连接，D01及D02的负极均与U01的V+端相连接；D03的负极与T01副边的一个接线端相连接，D04的负极与T01副边的另一个接线端相连接，D03及D04的正极均与U01的V-端相连接；U01的V+端与V-端之间顺次连接有电容C02和C03；U01的V+端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q03，U01的V-端连接有N沟道绝缘栅增强型场效应管Q04，U01的V+端与Q03的漏极连接，U01的Gh端与Q03的栅极连接，Q03的源极作为U1的GH端；Q04的源极与U01的V-端连接，Q04的栅极与U01的Gl端连接，Q04的漏极作为U1的GL端；U01的V0端连接在电容C02和C03之间；U1还包括光纤发射器U02及光纤接收器U03；U03的第一引脚通过电阻R01与U01的V+端连接，U03的第一引脚还连接有施密特触发变换器U04，U03的第三引脚与第二引脚之间连接有电容C05并与U01的V0端连接（类似接地，因原边和副边地不能连接，所以原边用GND代表地，用V0代表副边的地），U04的一个通道U04A的第十四引脚与U01的V+端连接，U04A的第十四引脚还通过电容C04与U01的V0端连接（类似接地， V0代表副边的地），U04A的第二引脚与U01的IN端相连接，U04A的第七引脚与U01的V0端连接（类似接地， V0代表副边的地）；U02的第五引脚分别与其第四引脚、第三引脚、第八引脚和第二引脚连接并与U01的V0端连接，U02的第一引脚与第二引脚之间连接有二极管D05，D05的两端并联有电阻R02，D05的正极与U02的第二引脚连接，D05的负极与U02的第一引脚连接；U02的第一引脚还通过稳压二极管D06以及电阻R03与U01的OUT端连接，D06的正极与U02第一引脚连接，D06的负极与电阻R03连接，D06的负极还通过电容C06与U01的V0端连接。
U01的V+端通过电容C07与V0端连接，V+端还通过电阻R04、R05以及稳压二极管D08与V0端连接，R05与D08的两端并联有电容C08，C08两端并联有单向TVS管D07；电阻R05两端并联有电阻R06，R06两端并联有电阻R07；D08的正极与U01的V0端连接，D08两端并联有电容C09，电容C09与U03的第三引脚连接。
所述驱动电阻R8、R9、R10、R11和U1均集成在一个电路板上；电路板上还集成有电源电路1。如图1所示。