CN102594104A - 大功率igbt数字化智能驱动装置 - Google Patents

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本发明涉及大功率IGBT数字化智能驱动装置，包括DC/DC变换电路和CPLD逻辑控制模块、有源嵌位反馈模块、退保护过流反馈模块和两级di/dt检测模块，DC/DC变换电路的输出端连接有欠压保护模块，欠压保护模块的输出端与CPLD逻辑控制模块相连，CPLD逻辑控制模块的输入端连接有PWM脉宽调制器，CPLD逻辑控制模块的输出端连接有可变门极电阻模块。本发明集成了隔离电源、过流保护、di/dt、有源钳位等保护功能，采用可编程逻辑器件CPLD实现逻辑控制，实时变门极电阻驱动达到理想的驱动性能，根据过流程度选择合适关断电阻实现软关断，有效减小了开关损耗，削弱了米勒效应。

Description

大功率IGBT数字化智能驱动装置
技术领域
本发明涉及机车牵引、新能源发电等设备上用的兆瓦级变流器上大功率IGBT驱动装置，具体涉及大功率IGBT数字化智能驱动装置。
背景技术
现有成熟的IGBT驱动电路大致可分为3类：
单一功能型：主要由光耦和功率缓冲器组成，在实际应用时需另加入隔离驱动电源、逻辑处理电路等，其主要适用于驱动小功率IGBT，驱动能力十分有限，如需驱动600A以上IGBT不仅需要外接更大的功率缓冲电路，而且实现起来较为困难；多功能型：除了提供直接驱动IGBT功能外，还可以提供必要的短路保护功能，不过同样存在驱动能力有限的问题；全功能型：代表产品如CONCEPT公司的SCALE2系列驱动模块，自带电源欠压保护功能和复位功能，但是这类大功率IGBT驱动还有许多缺陷，比如IGBT的米勒效应、软关断技术差。
发明内容
本发明的目的在于解决上述存在的问题，而提供一种制作简单、易于实现的大功率IGBT数字化智能驱动装置。
为实现上述目的，本发明设计的一种大功率IGBT数字化智能驱动装置，包括DC/DC变换电路和CPLD逻辑控制模块，还包括有源嵌位反馈模块、退保护过流反馈模块和两级di/dt检测模块，所述DC/DC变换电路的输出端连接有欠压保护模块，所述欠压保护模块的输出端与CPLD逻辑控制模块相连，CPLD逻辑控制模块的输入端连接有PWM脉宽调制器，CPLD逻辑控制模块的输出端连接有可变门极电阻模块，所述可变门极电阻模块的两个输出端分别连接有电阻R1和电阻R2，所述电阻R1和电阻R2分别连接第一驱动控制端和第二驱动控制端，所述CPLD逻辑控制模块的输入端分别连接有源嵌位反馈模块、退保护过流反馈模块和两级di/dt检测模块，所述有源嵌位反馈模块的输入端通过两个串联连接的二极管D1和二极管D2分别连接到第一驱动控制端和第三驱动控制端，所述退保护过流反馈模块的输入端通过两个串联连接的二极管D3和二极管D4连接到第三驱动控制端，所述两级di/dt检测模块连接到第二驱动控制端。
在上述技术方案中，所述可变门极电阻模块包括两个漏极相连接的第一N-MOS管和第二N-MOS管、以及两个源极相连接的第一P-MOS管和第二P-MOS管，所述第一N-MOS管的源极与第一P-MOS管的漏极相连，所述第二N-MOS管的源极与第二P-MOS管的漏极相连。
在上述技术方案中，所述退保护过流反馈模块包括四个并联连接的退保护过流反馈电路，所述退保护过流反馈模块包括同向输入端级联的四个运算放大器U11A、U11B、U12A、U12B，所述运算放大器U11A的同向输入端上依次串联有电阻R57、二极管D14、D13、D12、D11、D10、D9D8，所述二极管D8的负极与IGBT的集电极连接，所述运算放大器U11A的同向输入端还连接有并联连接的电阻R47和电阻R48，电阻R47和电阻R48连接有VSS电源，所述运算放大器U11A的反相输入端连接一电阻R49，电阻R49与VSS电源连接，运算放大器U11A的反相输入端还连接有并联连接的电阻R68和电阻R63，所述电阻R68和电阻R63并联连接后与二极管D18的正极连接，二极管D18通过依次串联的二极管D17、二极管D16与IGBT的发射极连接，运算放大器U11A的4脚接地，8脚接VSS电源，8脚还通过一电容C38接地，运算放大器U11A的输出端通过一电阻R50接VDD电源；所述运算放大器U11B的反相输入端通过一电阻R51连接VSS电源，运算放大器U11B的反相输入端还通过并联连接的电阻R70和电阻R64与二极管D18的正极连接，运算放大器U11B的输出端通过一电阻R52接VDD电源；所述运算放大器U12A的反相输入端连接一电阻R53，电阻R53与VSS电源连接，运算放大器U12A的反相输入端还连接有并联连接的电阻R69和电阻R65，所述电阻R69和电阻R65并联连接后与二极管D18的正极连接，运算放大器U12A的4脚接地，8脚接VSS电源，8脚还通过一电容C39接地，运算放大器U12A的输出端通过一电阻R54接VDD电源；所述运算放大器U12B的反相输入端通过一电阻R55连接VSS电源，运算放大器U12B的反相输入端还通过并联连接的电阻R71和电阻R66与二极管D18的正极连接，运算放大器U12B的输出端通过一电阻R56接VDD电源。
在上述技术方案中，所述有源嵌位反馈模块包括依次串联连接的稳压二极管D26、D27、D28、D29，所述稳压二极管D29的负极与IGBT的集电极连接，所述稳压二极管D26的正极连接二极管D22的正极，二极管D22的负极连接双向稳压二极管D23，双向稳压二极管D23的两端并联连接一电阻R90，IGBT的门极和发射极分别与双向稳压二极管D23的两端连接。
在上述技术方案中，所述两级di/dt检测模块包括同相输入端级联的运算放大器U15A和U15B，所述运算放大器U15A的反向输入端通过电阻R76连接VCC电源，运算放大器U15A的反向输入端通过电阻R78与IGBT的发射极连接，运算放大器U15A的8脚与电源VCC连接，并通过电容C44接地，运算放大器U15A的4脚接地，运算放大器U15A的输出端通过电阻R77与电源VDD连接；所述运算放大器U15B的反向输入端通过电阻R83连接VCC电源，运算放大器U15B的反向输入端还通过电阻R91与IGBT的发射极连接；运算放大器U15B的同向输入端通过电阻R81连接VCC电源，运算放大器U15B的同向输入端还通过电阻R86与IGBT的发射极连接，运算放大器U15B的输出端通过电阻R82与电源VDD连接。
在上述技术方案中，所述CPLD逻辑控制模块连接有晶震器。
在上述技术方案中，所述CPLD逻辑控制模块的输出端连接有报警器。
在上述技术方案中，所述CPLD逻辑控制模块的输出端连接有LED指示灯。
本发明采用上述技术方案具有以下显著的技术进步：
1、本发明的可变门极电阻模块中的门极开通/关断电阻可调整，根据IGBT场效应管系统的反馈信号，调整门极电阻以适应不同的工作状况，整个控制过程通过逻辑控制器CPLD发出的信号可选择每50ns调整一次门极电阻以达到理想的驱动状态。在正常开通过程中的不同阶段利用不同的门极电阻，根据过流程度选择合适关断电阻实现软关断，不仅可以改善驱动性能，而且可以减小开关损耗。
2、本发明采用四级数字退饱和过流保护，第一级退饱和电压阀值较高而判断时间较短，用于判断硬短路状态，后三级退饱和电压阀值较低而判断时间依次增加，区分不同程度的软短路状态。四级退饱和的数值和判断时间取决于各种IGBT的器件类型，通用性高。
3、本发明采用两级di/dt检测保护，IGBT短路故障保护更可靠，di/dt保护基于对功率发射端和辅助发射端寄生电感的电压测量，根据公式V＝L*di/dt可知，电流变化速率越大，寄生电压也越大，在硬短路状态下，di/dt保护触发更快，保护效果更好，di/dt的限定同时保护了外部电路中与IGBT反并联的续流二极管，防止二极管由于di/dt过大引起的反向电压过大而击穿。
4、本发明采用有源箝位反馈，通过数字反馈功能将过压信号反馈给CPLD，然后通过一定的策略来调整门极电阻，使软关断更加适合IGBT的工作状况，减小di/dt降低尖峰电压更有效的保护了IGBT。
此外，本发明还采用了多重软关断技术、集成隔离直流DC/DC变换器、、数字滤波、短脉冲抑制等模块，集成了隔离电源，具备过流保护、di/dt、有源钳位等保护功能，采用可编程逻辑器件CPLD实现逻辑控制，实时改变门极电阻驱动以达到理想的驱动性能，减小了开关损耗，削弱了米勒效应。
附图说明
图1为本发明的实施例电路结构图；
图2为本发明退保护过流反馈模块电路结构图；
图3为本发明有源嵌位反馈模块电路结构图；
图4为本发明两级di/dt检测模块电路结构图；
图中：1、DC/DC变换电路，2、CPLD逻辑控制模块，3、欠压保护模块，4、可变门极电阻模块，5、第一驱动控制端，6、第二驱动控制端，7、第三驱动控制端，8、有源嵌位反馈模块，9、退保护过流反馈模块，10、两级di/dt检测模块，11、晶震器，12、报警器，13、LED指示灯，14、PWM脉宽调制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的大功率IGBT数字化智能驱动装置，包括DC/DC变换电路1和CPLD逻辑控制模块2，还包括有源嵌位反馈模块8、退保护过流反馈模块9和两级di/dt检测模块10，DC/DC变换电路1的输出端连接有欠压保护模块3，欠压保护模块3的输出端与CPLD逻辑控制模块2相连，CPLD逻辑控制模块2的输入端连接有PWM脉宽调制器14，CPLD逻辑控制模块2的输出端连接有可变门极电阻模块4，可变门极电阻模块4的两个输出端分别连接有电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2分别连接第一驱动控制端5和第二驱动控制端6，CPLD逻辑控制模块2的输入端分别连接有源嵌位反馈模块8、退保护过流反馈模块9和两级di/dt检测模块10，有源嵌位反馈模块8的输入端通过两个串联连接的二极管D1和二极管D2分别连接到第一驱动控制端5和第三驱动控制端7，退保护过流反馈模块9的输入端通过两个串联连接的二极管D3和二极管D4连接到第三驱动控制端7，两级di/dt检测模块10连接到第二驱动控制端6。可变门极电阻模块4包括两个漏极相连接的第一N-MOS管和第二N-MOS管、以及两个源极相连接的第一P-MOS管和第二P-MOS管，第一N-MOS管的源极与第一P-MOS管的漏极相连，第二N-MOS管的源极与第二P-MOS管的漏极相连。
退保护过流反馈模块9包括四个并联连接的退保护过流反馈电路，具体电路结构如图2所示，包括同向输入端级联的四个运算放大器U11A、U11B、U12A、U12B，运算放大器U11A的同向输入端上依次串联有电阻R57、二极管D14、D13、D12、D11、D10、D9D8，二极管D8的正极与二极管D9的负极连接，二极管D9的正极与二极管D10的负极连接，二极管D10的正极与二极管D11的负极连接，二极管D11的正极与二极管D12的负极连接，二极管D12的正极与二极管D13的负极连接，二极管D13的正极与二极管D14的负极连接，二极管D8的负极与IGBT的集电极连接，运算放大器U11A的同向输入端还连接有并联连接的电阻R47和电阻R48，电阻R47和电阻R48连接有VSS电源，运算放大器U11A的反相输入端连接一电阻R49，电阻R49与VSS电源连接，运算放大器U11A的反相输入端还连接有并联连接的电阻R68和电阻R63，电阻R68和电阻R63并联连接后与二极管D18的正极连接，二极管D18通过依次串联的二极管D17、二极管D16与IGBT的发射极连接，运算放大器U11A的4脚接地，8脚接VSS电源，8脚还通过一电容C38接地，运算放大器U11A的输出端通过一电阻R50接VDD电源；运算放大器U11B的反相输入端通过一电阻R51连接VSS电源，运算放大器U11B的反相输入端还通过并联连接的电阻R70和电阻R64与二极管D18的正极连接，运算放大器U11B的输出端通过一电阻R52接VDD电源；运算放大器U12A的反相输入端连接一电阻R53，电阻R53与VSS电源连接，运算放大器U12A的反相输入端还连接有并联连接的电阻R69和电阻R65，电阻R69和电阻R65并联连接后与二极管D18的正极连接，运算放大器U12A的4脚接地，8脚接VSS电源，8脚还通过一电容C39接地，运算放大器U12A的输出端通过一电阻R54接VDD电源；运算放大器U12B的反相输入端通过一电阻R55连接VSS电源，运算放大器U12B的反相输入端还通过并联连接的电阻R71和电阻R66与二极管D18的正极连接，运算放大器U12B的输出端通过一电阻R56接VDD电源。
有源嵌位反馈模块8的具体电路结构，参阅图3所示，包括依次串联连接的稳压二极管D26、D27、D28、D29，稳压二极管D29的负极与IGBT的集电极连接，稳压二极管D26的正极连接二极管D22的正极，二极管D22的负极连接双向稳压二极管D23，双向稳压二极管D23的两端并联连接一电阻R90，IGBT的门极和发射极分别与双向稳压二极管D23的两端连接。
两级di/dt检测模块10电路结构参阅图4所示，包括同相输入端级联的运算放大器U15A和U15B，运算放大器U15A的反向输入端通过电阻R76连接VCC电源，运算放大器U15A的反向输入端通过电阻R78与IGBT的发射极连接，运算放大器U15A的8脚与电源VCC连接，并通过电容C44接地，运算放大器U15A的4脚接地，运算放大器U15A的输出端通过电阻R77与电源VDD连接；运算放大器U15B的反向输入端通过电阻R83连接VCC电源，运算放大器U15B的反向输入端还通过电阻R91与IGBT的发射极连接；运算放大器U15B的同向输入端通过电阻R81连接VCC电源，运算放大器U15B的同向输入端还通过电阻R86与IGBT的发射极连接，运算放大器U15B的输出端通过电阻R82与电源VDD连接。
CPLD逻辑控制器包括滤波模块、软短路保护模块、硬短路保护模块、电源欠压保护模块，其中，滤波模块，作用是对输入的PWM信号进行滤波，消除不合理的窄脉宽；软短路保护模块，作用是根据退饱和过流保护反馈电路的输入信号，选择合理的门极电阻进行关断；硬短路保护模块：作用是根据两级di/dt检测信号或者最高级退饱和电路反馈信号，实时改变门极电阻，实现多重软关断；电源欠压保护模块：作用是电源掉电保护，锁存输出并报警CPLD逻辑控制模块2连接有晶震器11。CPLD逻辑控制模块2的输出端连接有报警器12。CPLD逻辑控制模块2的输出端连接有LED指示灯13。
本发明集成了隔离电源、过流保护、di/dt、有源钳位等保护功能，采用可编程逻辑器件CPLD实现逻辑控制，实时变门极电阻驱动达到理想的驱动性能，根据过流程度选择合适关断电阻实现软关断，并有效减小了开关损耗，削弱了米勒效应。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种大功率IGBT数字化智能驱动装置，包括DC/DC变换电路(1)和CPLD逻辑控制模块(2)，其特征在于：还包括有源嵌位反馈模块(8)、退保护过流反馈模块(9)和两级di/dt检测模块(10)，所述DC/DC变换电路(1)的输出端连接有欠压保护模块(3)，所述欠压保护模块(3)的输出端与CPLD逻辑控制模块(2)相连，CPLD逻辑控制模块(2)的输入端连接有PWM脉宽调制器(14)，CPLD逻辑控制模块(2)的输出端连接有可变门极电阻模块(4)，所述可变门极电阻模块(4)的两个输出端分别连接有电阻R1和电阻R2，所述电阻R1和电阻R2分别连接第一驱动控制端(5)和第二驱动控制端(6)，所述CPLD逻辑控制模块(2)的输入端分别连接有源嵌位反馈模块(8)、退保护过流反馈模块(9)和两级di/dt检测模块(10)，所述有源嵌位反馈模块(8)的输入端通过两个串联连接的二极管D1和二极管D2分别连接到第一驱动控制端(5)和第三驱动控制端(7)，所述退保护过流反馈模块(9)的输入端通过两个串联连接的二极管D3和二极管D4连接到第三驱动控制端(7)，所述两级di/dt检测模块(10)连接到第二驱动控制端(6)。
2.根据权利要求1所述的大功率IGBT数字化智能驱动装置，其特征在于：所述可变门极电阻模块(4)包括两个漏极相连接的第一N-MOS管和第二N-MOS管、以及两个源极相连接的第一P-MOS管和第二P-MOS管，所述第一N-MOS管的源极与第一P-MOS管的漏极相连，所述第二N-MOS管的源极与第二P-MOS管的漏极相连。
3.根据权利要求1所述的大功率IGBT数字化智能驱动装置，其特征在于：所述退保护过流反馈模块(9)包括四个并联连接的退保护过流反馈电路。
4.根据权利要求3所述的大功率IGBT数字化智能驱动装置，其特征在于：所述退保护过流反馈模块(9)包括同向输入端级联的四个运算放大器U11A、U11B、U12A、U12B，所述运算放大器U11A的同向输入端上依次串联有电阻R57、二极管D14、D13、D12、D11、D10、D9D8，所述二极管D8的负极与IGBT的集电极连接，所述运算放大器U11A的同向输入端还连接有并联连接的电阻R47和电阻R48，电阻R47和电阻R48连接有VSS电源，所述运算放大器U11A的反相输入端连接一电阻R49，电阻R49与VSS电源连接，运算放大器U11A的反相输入端还连接有并联连接的电阻R68和电阻R63，所述电阻R68和电阻R63并联连接后与二极管D18的正极连接，二极管D18通过依次串联的二极管D17、二极管D16与IGBT的发射极连接，运算放大器U11A的4脚接地，8脚接VSS电源，8脚还通过一电容C38接地，运算放大器U11A的输出端通过一电阻R50接VDD电源；所述运算放大器U11B的反相输入端通过一电阻R51连接VSS电源，运算放大器U11B的反相输入端还通过并联连接的电阻R70和电阻R64与二极管D18的正极连接，运算放大器U11B的输出端通过一电阻R52接VDD电源；所述运算放大器U12A的反相输入端连接一电阻R53，电阻R53与VSS电源连接，运算放大器U12A的反相输入端还连接有并联连接的电阻R69和电阻R65，所述电阻R69和电阻R65并联连接后与二极管D18的正极连接，运算放大器U12A的4脚接地，8脚接VSS电源，8脚还通过一电容C39接地，运算放大器U12A的输出端通过一电阻R54接VDD电源；所述运算放大器U12B的反相输入端通过一电阻R55连接VSS电源，运算放大器U12B的反相输入端还通过并联连接的电阻R71和电阻R66与二极管D18的正极连接，运算放大器U12B的输出端通过一电阻R56接VDD电源。
5.根据权利要求1或2或3所述的大功率IGBT数字化智能驱动装置，其特征在于：所述有源嵌位反馈模块(8)包括依次串联连接的稳压二极管D26、D27、D28、D29，所述稳压二极管D29的负极与IGBT的集电极连接，所述稳压二极管D26的正极连接二极管D22的正极，二极管D22的负极连接双向稳压二极管D23，双向稳压二极管D23的两端并联连接一电阻R90，IGBT的门极和发射极分别与双向稳压二极管D23的两端连接。
6.根据权利要求1或2或3所述的大功率IGBT数字化智能驱动装置，其特征在于：所述两级di/dt检测模块(10)包括同相输入端级联的运算放大器U15A和U15B，所述运算放大器U15A的反向输入端通过电阻R76连接VCC电源，运算放大器U15A的反向输入端通过电阻R78与IGBT的发射极连接，运算放大器U15A的8脚与电源VCC连接，并通过电容C44接地，运算放大器U15A的4脚接地，运算放大器U15A的输出端通过电阻R77与电源VDD连接；所述运算放大器U15B的反向输入端通过电阻R83连接VCC电源，运算放大器U15B的反向输入端还通过电阻R91与IGBT的发射极连接；运算放大器U15B的同向输入端通过电阻R81连接VCC电源，运算放大器U15B的同向输入端还通过电阻R86与IGBT的发射极连接，运算放大器U15B的输出端通过电阻R82与电源VDD连接。
7.根据权利要求1或2或3所述的大功率IGBT数字化智能驱动装置，其特征在于：所述CPLD逻辑控制模块(2)连接有晶震器(11)。
8.根据权利要求1或2或3所述的大功率IGBT数字化智能驱动装置，其特征在于：所述CPLD逻辑控制模块(2)的输出端连接有报警器(12)。
9.根据权利要求1或2或3所述的大功率IGBT数字化智能驱动装置，其特征在于：所述CPLD逻辑控制模块(2)的输出端连接有LED指示灯(13)。
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