CN103391084B - 用于高压固体开关的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压固体开关的驱动电路。其中，该驱动电路包括：第一控制电路，用于将初始控制信号进行信号调制生成第一控制信号，其中，第一控制信号为导通宽度可调的信号；耦合电路，与第一控制电路连接，用于将第一控制信号进行耦合生成耦合控制信号；第二控制电路，与耦合电路连接，用于对耦合控制信号进行信号调整生成驱动高压固体开关的触发信号。通过本发明，实现了各级驱动电路间的相互绝缘和对控制端的保护，克服了高压固体开关驱动电路的绝缘问题，简化了驱动结构，为高压固体开关的安全运行提供保障。

Description

用于高压固体开关的驱动电路

技术领域

本发明涉及控制电路领域，具体而言，涉及一种用于高压固体开关的驱动电路。

背景技术

高压固体开关采用多级功率MOSFET管或绝缘栅双极型晶体管（IGBT）串联而成，其难点包括驱动供能、驱动同步触发、级间绝缘以及静动态均压的设计。因此设计良好的驱动电路电能供给、驱动电路同步触发、各级串联驱动电路的相互绝缘以及串联电力电子器件间的静动态均压是保障高压固体开关稳定安全工作的前提。

高压固体开关的驱动电路主要完成电能供给、多级串联的同步触发以及串联级间的相互绝缘。

现有高压固体开关触发方式主要以下三种：1）电磁触发；2）光触发；3）光电触发。电磁触发方式核心器件是脉冲变压器，是基于电磁耦合原理，将低电位的触发信号经过脉冲变压器隔离后传送到高电位晶闸管门级，实现多路同步触发；光触发的核心器件是光空晶闸管，但由于光控晶闸管国内基本无定型产品，而国外产品价格昂贵，所以目前无法推广此方法。光电触发核心器件是光纤线、光电发生器和接收器，是基于光电转化和光纤通信原理，触发信号通过光纤传送到高压侧，经处理后驱动各个电力电子器件的门极，实现多路同步触发。光电触发方式具有触发陡度小、同步性好、抗干扰能力高的优点。光纤触发方式采用光纤线替代了传统的电缆进行信号传输，巧妙的解决了控制信号与高压信号间的隔离，但光纤触发方式也存在接线复杂、价格昂贵、高压悬浮电源、设计繁琐、设备体积大等缺点，这些缺点制约着高压固体开关光电触发方式的使用和推广。而现有的电磁触发方式大多输出路数少、体积庞大、增减输出路数复杂、触发同步性差等缺点。

由上可知，现有的光电触发方式价格昂贵、接线复杂、高压悬浮电源，现有的光触发方式的光控晶闸管价格昂贵，型号无定型产品等缺点导致成本高，以及现有的电磁触发输出路数少、体积庞大、增加输出路数复杂、触发同步性差。

针对现有技术中电磁触发使用光纤线体积大成本高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术电磁触发使用光纤线体积大成本高的问题，目前尚未提出有效的解决方案，为此，本发明的主要目的在于提供一种用于高压固体开关的驱动电路，以解决上述问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于高压固体开关的驱动电路，该驱动电路包括：第一控制电路，用于将初始控制信号进行信号调制生成第一控制信号，其中，第一控制信号为导通宽度可调的信号；耦合电路，与第一控制电路连接，用于将第一控制信号进行耦合生成耦合控制信号；第二控制电路，与耦合电路连接，用于对耦合控制信号进行信号调整生成驱动高压固体开关的触发信号。

进一步地，第一控制电路包括：PWM控制单元，用于生成PWM信号；第一控制单元，与PWM控制单元连接，用于使用PWM信号对初始控制信号进行信号调制生成调制控制信号；开关电路，与第一控制单元连接，用于通过使用调制控制信号控制开关电路的通断以输出第一控制信号。

进一步地，第一控制电路还包括：光电单元，初始控制信号通过光电单元输入运放单元；运放单元，与光电单元连接，用于对初始控制信号进行放大得到第二控制信号；第一控制单元还用于使用PWM信号对第二控制信号进行信号调制生成调制控制信号。

进一步地，开关电路包括功率管。

进一步地，耦合电路包括：磁芯；原边线圈，与第一控制电路连接；副边线圈，与第二控制电路连接，其中，原边线圈和副边线圈缠绕在磁芯上，通过原边线圈输入第一控制信号，以驱动磁芯感应产生主磁通形成原边主磁通回路，磁芯将原边主磁通回路上的电流耦合至副边线圈生成耦合控制信号，副边线圈输出耦合控制信号。

进一步地，第二控制电路包括一个或多个控制子电路，其中，每个控制子电路包括：整流单元，与耦合电路连接，用于对耦合控制信号进行整流得到初始直流信号；滤波单元，与整流单元连接，用于对初始直流信号进行滤波处理得到触发信号；稳压单元，与滤波单元连接，用于将触发信号稳压输出。

进一步地，第一控制电路和耦合电路的原边线圈设置在控制板上。

进一步地，耦合电路的副边线圈、耦合电路的磁芯以及第二控制电路设置在高压板上。

进一步地，控制板与高压板通过原边线圈连接。

通过本发明，采用本发明的驱动电路，通过第一控制电路将初始控制信号进行信号调制生成第一控制信号，其中，第一控制信号为导通宽度可调的信号，然后耦合电路将第一控制信号进行耦合生成耦合控制信号，并通过第二控制电路对耦合控制信号进行信号调整生成驱动高压固体开关的触发信号，使用该触发信号控制多级串联IGBT的导通和关断。上述驱动电路第一控制电路将产生的可控的控制信号，通过耦合电路的脉冲变压器耦合到第二控制电路，然后第二控制电路将耦合的耦合控制信号经信号调整（其中可包括整流、滤波、稳压等处理）后，形成驱动高压固体开关的触发信号。该驱动电路（即电磁驱动装置），通过光电隔离和电磁隔离，实现了各级驱动电路间的相互绝缘和对控制端的保护，克服了高压固体开关驱动电路的绝缘问题，解决了现有技术中电磁触发使用光纤线体积大成本高的问题。并且，采用本发明的驱动电路简化了驱动结构，为高压固体开关的安全运行提供保障。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的用于高压固体开关的驱动电路的示意图；

图2是根据图1所示实施例的用于高压固体开关的驱动电路的结构图；以及

图3是根据本发明实施例的用于高压固体开关的驱动电路接线图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是根据本发明实施例的用于高压固体开关的驱动电路的示意图。图2是根据图1所示实施例的用于高压固体开关的驱动电路的结构图。

如图1和图2所示，该驱动电路包括：第一控制电路10，用于将初始控制信号进行信号调制生成第一控制信号，其中，第一控制信号为导通宽度可调的信号；耦合电路30，与第一控制电路10连接，用于将第一控制信号进行耦合生成耦合控制信号；第二控制电路50，与耦合电路30连接，用于对耦合控制信号进行信号调整生成驱动高压固体开关的触发信号。

采用本发明的驱动电路，通过第一控制电路将初始控制信号进行信号调制生成第一控制信号，其中，第一控制信号为导通宽度可调的信号，然后耦合电路将第一控制信号进行耦合生成耦合控制信号，并通过第二控制电路对耦合控制信号进行信号调整生成驱动高压固体开关的触发信号，使用该触发信号控制多级串联IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的导通和关断。上述驱动电路第一控制电路将产生的可控的控制信号，通过耦合电路的脉冲变压器耦合到第二控制电路，然后第二控制电路将耦合的耦合控制信号经信号调整（其中可包括整流、滤波、稳压等处理）后，形成驱动高压固体开关的触发信号。该驱动电路（即电磁驱动装置），通过光电隔离和电磁隔离，实现了各级驱动电路间的相互绝缘和对控制端的保护，克服了高压固体开关驱动电路的绝缘问题，解决了现有技术中电磁触发使用光纤线体积大成本高的问题。并且，采用本发明的驱动电路简化了驱动结构，为高压固体开关的安全运行提供保障。

其中，导通宽度可调的信号即为上述实施例中的可控的控制信号。

本发明中的第一控制信号是初始控制信号通过逻辑与门芯片和PWM信号调制产生导通宽度随意可调的控制信号，耦合电路将调制后的第一控制信号通过高导磁率的磁芯耦合到第二控制电路，第二控制电路可以根据需要配置多个控制子电路，将耦合控制信号经整流、滤波、稳压处理后，形成驱动各级电力电子器件的触发信号。

根据本发明的上述实施例，第一控制电路可以包括：PWM控制单元11，用于生成PWM信号；第一控制单元13，与PWM控制单元连接，用于使用PWM信号对初始控制信号进行信号调制生成调制控制信号；开关电路，与第一控制单元连接，用于通过使用调制控制信号控制开关电路的通断以输出第一控制信号。

根据本发明的上述实施例，第一控制电路还可以包括：光电单元15，初始控制信号通过光电单元输入运放单元；运放单元17，与光电单元连接，用于对初始控制信号进行放大得到第二控制信号；第一控制单元还用于使用PWM信号对第二控制信号进行信号调制生成调制控制信号。

其中，优选地，开关电路可以包括功率管。

具体地，如图2所示，直流电源产生的初始控制信号通过光电单元和运放单元输出至第一控制单元，PWM控制单元输出的PWM信号与初始控制信号共同经过第一控制单元（即与门控制单元）调制，输出调制后的调制控制信号（该信号为PWM波），该调制控制信号控制开关电路中的功率管（即MOSFET管）的门极，具体地，控制功率管的漏源极的通断，以驱动耦合电路。

其中，第一控制电路中的光电单元由光耦芯片和滤波电路构成，实现信号隔单元，保护信号控制源（在本实施例中可以是直流电源）的效果。

PWM控制单元优选可产生20kHz～220kHz频率可调的PWM波，开关电路中的功率管MOSFET的门极驱动通过第一控制单元（在本申请中可以是与门控制单元中的芯片）进行PWM调制，产生的调制控制信号的频率可控可调的。

根据本发明的上述实施例，耦合电路30可以包括：磁芯31；原边线圈33，与第一控制电路连接；副边线圈35，与第二控制电路连接，其中，原边线圈和副边线圈缠绕在磁芯上，通过原边线圈输入第一控制信号，以驱动磁芯感应产生主磁通形成原边主磁通回路，磁芯将原边主磁通回路37上的电流耦合至副边线圈生成耦合控制信号，副边线圈输出耦合控制信号。其中，副边线圈可以有多个。

具体地，调制控制信号输入耦合电路的原边线圈，使得磁芯感应产生原边主磁通，形成图2所示的原边主磁通回路，使得在原边主磁通回路上产生高频的电流，然后经高磁导率的磁芯耦合到各个副边线圈（即各个次级），并通过副边线圈输出耦合控制信号。通过耦合电路的磁芯及原边、副边的线圈，可以起到电压隔离和阻抗匹配的作用，并且利用电磁耦合原理，解决了多级串联间的绝缘问题。

上述实施例中的耦合电路可以采用脉冲变压器实现，其中的磁芯具有漏感小、磁耦合性能好和绕制方便的优点。

优选地，原边线圈和副边线圈均能承受绝缘的要求，并且原边线圈的绝缘设计指标可以高于各个副边线圈的绝缘设计指标。

根据本发明的上述实施例，第二控制电路50可以包括一个或多个控制子电路，其中，每个控制子电路可以包括：整流单元51，与耦合电路连接，用于对耦合控制信号进行整流得到初始直流信号；滤波单元53，与整流单元连接，用于对初始直流信号进行滤波处理得到触发信号。

优选地，每个控制子电路还可以包括：稳压单元55，与滤波单元连接，用于将触发信号稳压输出。稳压单元为该驱动电路的驱动保护电路。

上述实施例中的第二控制电路可以包括多个控制子电路，以可以实现多路输出，并且可以实现同步电磁触发和给固体开关供能以维持持续导通，其触发时间在微秒级，且导通时间可以任意控制。

具体地，耦合控制信号通过副边线圈输出至整流单元和滤波单元输出触发信号（即脉宽一定的直流电压），从而可以使用该触发信号为IGBT门极供能并触发各级IGBT管70的同步通断。

其中，整流单元可以通过整流桥实现，整流桥可以由超快恢复二极管UF4007组成。

根据本发明的上述实施例，第一控制电路和耦合电路的原边线圈设置在控制板上。并且，耦合电路的副边线圈、耦合电路的磁芯以及第二控制电路设置在高压板上。具体地，控制板与高压板通过原边线圈连接。

具体地，光电单元、PWM控制单元、第一控制单元（即与门控制单元）、开关电路、原边线圈形成单元共同构成一个整体，焊接在控制板（即矩形电路板）上。脉冲变压器、整流单元（该整流单元可以为全桥整流单元）、门级驱动供能、第二控制电路以及IGBT串联单元共同构成一个整体，焊接在高压板上，其中，优选地，高压板可以是两块圆形高压板，两块高压板串联连接，其中，每块高压电路板可以包括一个磁芯、6路电磁触发电路、6级IGBT串联构成，即在该实施例中，耦合电路的副边线圈可以为六个，也即六个次级，每个次级分别通过一个控制子电路与IGBT串联连接。

上述的控制板和高压板通过脉冲变压器的原边线圈接线相连，原边线圈为高压绝缘线，如100kV高压绝缘线，同时该高压绝缘线缠绕在磁芯的原边，脉冲变压器的副边线圈的接线缠绕在磁芯上，两端直接焊接的高压板上，上述的缠绕线均可以为漆包线。

优选地，磁芯为猛芯铁氧体磁芯相对磁导率为12000，工作频率在百kHz级别，具有漏感小，磁耦合性能好，绕制方便的优点。其中，优先选用的原副边线圈的匝数比为4:4，原边线圈匝数为单匝。

采用本发明的上述实施例价格相对低廉、具有多路同步输出、高压隔离性能良好和驱动脉宽可调的优点。通过多个控制子电路可以克服现有电磁触发方式输出路数少的缺点，可实现多路输出，并且增减输出路数简单、方便，通过多个控制子电路输出多个触发信号，从而可以实现多级串联晶闸管的同步触发；通过控制板和高压板的连接，可以使得驱动电路的体积小、稳定性能好；另外，通过上述实施例可以有效避免使用高压悬浮电源，实现多级串联IGBT的电能供给；采用光电单元和脉冲变压器，实现电-光-电，电-磁-电的转换，有效地保护器件，提高了整体的可靠性和安全性；通过与门控制单元输出的调制控制信号可以在较宽的范围内，开通的脉宽可根据需要进行自由控制输出。

采用本发明的上述实施例，初始控制信号首先经过光电单元15和运放单元17进行输出，与PWM控制单元11输出的PWM信号，共同经过第一控制单元（即与门控制单元）13调制，输出调制后的调制控制信号（即PWM波），然后使用调制控制信号控制功率管的门极，以控制功率管漏源极的通断，从而驱动原边主磁通形成原边主磁通回路37，使得在磁芯的原边线圈形成的回路上产生高频的电流，经高磁导率的磁芯31耦合到各个副边线圈（即各个次级），再经过整流单元51、滤波单元53以及稳压电路55输出脉宽一定的触发信号（在该实施例中触发信号可以为直流电压），从而为IGBT门极供能并触发各级IGBT管子的同步通断。

图3是根据本发明实施例的用于高压固体开关的驱动电路接线图。如图3所示，矩形控制板有4个外部接线端口。编号1为+15V电源端口；编号2为初始控制信号的输入端口；编号3为+30V电源端口；编号4为第一控制信号输出端口。圆形高压板有5个外部接线端口，6个每部接线端口，编号5为高压电源输入端口；编号6和编号7均为级联端口，连接编号7端口；编号8为接地端口；编号9为第一控制信号输入的接线端，与矩形控制板编号4号端口相连，所用的连接线为高压绝缘线，如100kV高压绝缘线；编号10为6个内部控制信号耦合输出接线端，接线端是可以直接焊接在电路板上的。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：采用本发明的驱动电路，通过第一控制电路将初始控制信号进行信号调制生成第一控制信号，其中，第一控制信号为导通宽度可调的信号，然后耦合电路将第一控制信号进行耦合生成耦合控制信号，并通过第二控制电路对耦合控制信号进行信号调整生成驱动高压固体开关的触发信号，使用该触发信号控制多级串联IGBT的导通和关断。上述驱动电路第一控制电路将产生的可控的控制信号，通过耦合电路的脉冲变压器耦合到第二控制电路，然后第二控制电路将耦合的耦合控制信号经信号调整（其中可包括整流、滤波、稳压等处理）后，形成驱动高压固体开关的触发信号。该驱动电路（即电磁驱动装置），通过光电隔离和电磁隔离，实现了各级驱动电路间的相互绝缘和对控制端的保护，克服了高压固体开关驱动电路的绝缘问题，解决了现有技术中电磁触发使用光纤线体积大成本高的问题，并且，采用本发明简化了驱动结构，为高压固体开关的安全运行提供保障。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于高压固体开关的驱动电路，其特征在于，包括：

第一控制电路，用于将初始控制信号进行信号调制生成第一控制信号，其中，所述第一控制信号为导通宽度可调的信号；

耦合电路，与所述第一控制电路连接，用于将所述第一控制信号进行耦合生成耦合控制信号；

第二控制电路，与所述耦合电路连接，用于对所述耦合控制信号进行信号调整生成驱动高压固体开关的触发信号；

其中，所述第一控制电路和所述耦合电路的原边线圈设置在控制板上；所述耦合电路的副边线圈、所述耦合电路的磁芯以及所述第二控制电路设置在高压板上；所述控制板与所述高压板通过所述原边线圈连接。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一控制电路包括：

PWM控制单元，用于生成PWM信号；

第一控制单元，与所述PWM控制单元连接，用于使用所述PWM信号对所述初始控制信号进行信号调制生成调制控制信号；

开关电路，与所述第一控制单元连接，用于通过使用所述调制控制信号控制所述开关电路的通断以输出所述第一控制信号。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一控制电路还包括：

光电单元，所述初始控制信号通过所述光电单元输入运放单元；

所述运放单元，与所述光电单元连接，用于对所述初始控制信号进行放大得到第二控制信号；

所述第一控制单元还用于使用所述PWM信号对所述第二控制信号进行信号调制生成所述调制控制信号。

4.根据权利要求2或3所述的电路，其特征在于，所述开关电路包括功率管。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述耦合电路包括：

磁芯；

原边线圈，与所述第一控制电路连接；

副边线圈，与所述第二控制电路连接，

其中，所述原边线圈和所述副边线圈缠绕在所述磁芯上，通过所述原边线圈输入所述第一控制信号，以驱动所述磁芯感应产生主磁通形成原边主磁通回路，所述磁芯将所述原边主磁通回路上的电流耦合至所述副边线圈生成所述耦合控制信号，所述副边线圈输出所述耦合控制信号。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，第二控制电路包括一个或多个控制子电路，其中，每个所述控制子电路包括：

整流单元，与所述耦合电路连接，用于对所述耦合控制信号进行整流得到初始直流信号；

滤波单元，与所述整流单元连接，用于对所述初始直流信号进行滤波处理得到所述触发信号；

稳压单元，与所述滤波单元连接，用于将所述触发信号稳压输出。