CN103427607B - 绝缘栅双极型晶体管的驱动电路 - Google Patents

绝缘栅双极型晶体管的驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种绝缘栅双极型晶体管的驱动电路。其中，所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路包括：高压隔离驱动电源、驱动信号调制电路、逻辑保护电路和故障反馈电路。本发明通过设置高压隔离驱动电源可有效的增强驱动回路的抗干扰性能；通过设置逻辑保护电路可有效降低绝缘栅双极型晶体管的关断电压尖峰，提高绝缘栅双极型晶体管的驱动电路的工作可靠性，降低故障率；通过设置故障反馈电路可在绝缘栅双极型晶体管出现故障时及时反馈信号，以使接收到该反馈信号的控制设备停止向所述驱动信号调制电路输出所述驱动脉冲信号，以免损坏绝缘栅双极型晶体管。此外，本发明提供的绝缘栅双极型晶体管的驱动电路结构简单，成本低。

Description

绝缘栅双极型晶体管的驱动电路
技术领域
本发明涉及绝缘栅双极型晶体管驱动技术，尤其涉及一种绝缘栅双极型晶体管的驱动电路。
背景技术
功率模块是机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。现有技术中驱动电路大多采用即插即用的方式，即驱动电路通过电缆与绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，以下简称IGBT）的辅助端子连接，实现IGBT的驱动与保护功能。现有的驱动电路普遍存在以下缺点：
1、IGBT的驱动电路中杂散电感较大，在IGBT开关过程中会在IGBT器件上产生较高的电压尖峰，对功率器件有一定的冲击，影响功率器件的寿命，也可能导致IGBT超过安全工作区而损坏，从而降低功率变换电路的可靠性。
2、驱动电路的抗干扰性能差，且驱动电路中的保护电路功能单一，无法很好满足IGBT使用过程中出现的过流、过压、短路等状况下的可靠工作。
3、驱动电路与IGBT采用电缆连接，传输信号的抗干扰性能差。
发明内容
本发明提供一种绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，以提高电路的抗干扰性，以及在高压、大电流工作环境下的工作可靠性。
本发明提供一种绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，包括：高压隔离驱动电源、驱动信号调制电路、逻辑保护电路和故障反馈电路；其中，
所述高压隔离驱动电源，用于将接收自第一设备输出的单向直流电压转化为驱动绝缘栅双极型晶体管所需的正负双向驱动电压，并电气隔离处于所述高压隔离驱动电源接入端和输出端的两侧回路；
所述驱动信号调制电路，用于对接收自第二设备输出的驱动脉冲信号进行调制和放大处理，并将放大后的脉冲信号输出至所述绝缘栅双极型晶体管；
所述逻辑保护电路，用于监测所述绝缘栅双极型晶体管的工作状态信息，并将所述工作状态信息输出至所述第二设备，以使所述第二设备依据所述工作状态信息对所述绝缘栅双极型晶体管进行相应的保护响应；
所述故障反馈电路，用于在监测到所述绝缘栅双极型晶体管发生故障时生成故障反馈信号，并将该故障反馈信号反馈至所述第二设备，以使所述第二设备停止向所述驱动信号调制电路输出所述驱动脉冲信号。
本发明的技术效果是：本发明提供的绝缘栅双极型晶体管的驱动电路中，高压隔离驱动电源的设置可有效的增强驱动回路的抗干扰性能；逻辑保护电路可有效提高驱动电路的工作可靠性，降低故障率；所述故障反馈电路通过监测IGBT是否出现故障，并能在出现故障时及时反馈信号，以使接收到该反馈信号的控制设备停止向所述驱动信号调制电路输出所述驱动脉冲信号，以免损坏IGBT。此外，本发明提供的绝缘栅双极型晶体管的驱动电路结构简单，较易实现。
附图说明
图1为本发明提供的所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路实施例中箝位控制电路和绝缘栅双极型晶体管退饱和保护电路实施例的电路原理图；
图3为本发明提供的所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路实施例的一具体应用实例的结构示意图；
图4为本发明提供的所述绝缘栅双极型晶体管的驱动电路实施例的一具体应用实例的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的绝缘栅双极型晶体管（以下简称IGBT）的驱动电路实施例的原理图。本实施例所述IGBT的驱动电路包括：高压隔离驱动电源1、驱动信号调制电路2、逻辑保护电路3和故障反馈电路4。其中，所述高压隔离驱动电源1用于将接收自第一设备5输出的单向直流电压转化为驱动绝缘栅双极型晶体管9所需的正负双向驱动电压，并电气隔离处于所述高压隔离驱动电源接入端和输出端的两侧回路；即图1中所示的处于高压隔离驱动电源1输入端的低压回路7和处于高压隔离驱动电源1输出端的高压回路8。所述驱动信号调制电路2用于对接收自第二设备6输出的驱动脉冲信号进行调制和放大处理，并将放大后的脉冲信号输出至所述绝缘栅双极型晶体管9。所述逻辑保护电路3用于监测所述绝缘栅双极型晶体管9的工作状态信息，并将所述工作状态信息输出至所述第二设备，以使所述第二设备依据所述工作状态信息对所述绝缘栅双极型晶体管9进行相应的保护响应。所述故障反馈电路4用于在监测到所述绝缘栅双极型晶体管9发生故障时生成故障反馈信号，并将该故障反馈信号反馈至所述第二设备6，以使所述第二设备6停止向所述驱动信号调制电路2输出所述驱动脉冲信号。
其中，上述实施例中所述第一设备5和所述第二设备6可以为同一设备的两个功能实现模块。具体地，在电力机车的牵引控制系统中，机车牵引控制单元（TractionControlUnit，简称TCU）既可以输出单向直流电压供所述高压隔离驱动电源，又能够依据预设控制程序输出驱动脉冲信号。因此，如图1所示，上述实施例所述的IGBT的驱动电路若应用在电力机车的牵引控制系统中，所述第一设备5和所述第二设备6可为同一设备，即机车牵引控制单元。所述高压隔离驱动电源的接入端应与机车牵引控制单元TCU的单向直流电压输出端相连，所述驱动信号调制电路接收自TCU输出的驱动脉冲信号。所述故障反馈电路向TCU反馈故障反馈信号。TCU接收到该故障反馈信号后将封锁驱动脉冲信号的输出，以免损坏IGBT。
这里需要说明的是，本发明中所述的电气隔离是指：两个电路之间没有电气上的直接联系，即两个电路之间是相互绝缘的，同时还能保证两个电路维持能量传输的关系。电气隔离的作用主要是减少两个不同电路之间的相互干扰。
本实施例通过设置高压隔离驱动电源有效地实现了驱动电路中低压回路和高压回路之间的高压隔离，进而防止了流经IGBT的高电压、大电流可能经驱动电路对与其连接的其它低压电路造成的损害，增强了驱动电路的抗干扰性能和工作稳定性。同时，本实施例通过设置逻辑保护电路可有效降低IGBT的关断电压尖峰，进一步提高IGBT的工作可靠性，降低故障率。所述故障反馈电路通过监测IGBT是否出现故障，并能在出现故障时及时反馈信号，以使接收到该反馈信号的设备（例如机车牵引控制单元）做出及时的控制响应，以免损坏IGBT。此外，本实施例采用IGBT驱动电路与IGBT直接连接的方式，可有效减少电路的杂散电感，有利于增强驱动回路的抗干扰性能，简化了电路结构，成本低。
进一步地，上述实施例中所述逻辑保护电路包括：有源箝位控制电路、退饱和保护电路和驱动电源监测电路。其中，所述有源箝位控制电路用于监测所述绝缘栅双极型晶体管是否处于关断状态，在所述绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时将监测到的关断状态信息反馈至所述第二设备；接收所述第二设备依据所述关断状态信息输出的箝位控制驱动信号对所述绝缘栅双极型晶体管进行箝位控制。所述退饱和保护电路用于监测绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极之间的电压信息，在所述电压超过预设电压值时将监测到的电压信息反馈至所述第二设备，以使所述第二设备依据所述电压信息调整输出的所述驱动脉冲信号对所述绝缘栅双极型晶体管进行退饱和保护。所述驱动电源监测电路用于监测所述高压隔离驱动电源输出的正向驱动电压和负向驱动电压，当所述正向驱动电压超出预设正向驱动电压值时或所述负向驱动电压超出预设负向驱动电压值时断开所述高压隔离驱动电源向所述绝缘栅双极型晶体管输出驱动电压。
再进一步地，上述实施例中，所述的有源箝位控制电路可采用图2所示的电路实现。如图中所示，所述有源箝位控制电路包括：稳压二极管Z、三极管V和第一电阻R1。其中，所述稳压二极管Z的正极与所述三极管V的集电极相连，所述稳压二极管Z的负极与所述IGBT的集电极C相连。所述三极管V的发射极与所述第一电阻R1的一端相连，所述三极管V的栅极与所述第二设备的箝位控制驱动信号输出端相连。所述第一电阻R1的另一端与所述IGBT的栅极G相连。其中，在电力机车牵引系统中，所述第二设备可为是机车牵引控制单元TCU中的一部分。
上述实施例中所述有源箝位控制电路的工作原理是：当IGBT关断时，三极管V栅极接入所述控制单元输出的箝位控制信号并导通，IGBT驱动电路通过栅极关断电阻Rgoff从IGBT栅极G抽取电流，栅极G电荷减少，IGBT沟道变窄并趋于消失，IGBT集电极和发射极之间的电压Vce开始上升，Vce低于稳压二极管Z的阈值时，有源箝位控制电路的回路中只有微弱的漏电流，作用可以忽略；但当Vce超过稳压二极管Z的阈值时，有源箝位控制电路的回路中就会有反馈电流流过稳压二极管Z和三级管V，注入IGBT栅极G。IGBT栅极G电荷增加，沟道变宽或重新建立，使得IGBT集电极和发射极之间的电压Vce被箝位于某一阈值，不能继续上升。其中三极管V保证了电流单向流动，稳压二极管Z决定了箝位控制的启动阈值。
进一步地，上述实施例中所述的退饱和保护电路可采用图2中所示结构的电路来实现。如图中所示，所述退饱和保护电路包括：比较器N、第二电阻R2和第三电阻R3。其中，所述第二电阻R2的一端与所述IGBT的集电极C相连，所述第二电阻R2的另一端与所述比较器N的第一输入端X相连。所述比较器N的第二输入端Y用于接入饱和下限信号，所述比较器N的比较结果输出端与所述第二设备的工作状态信息输入端相连，用于反馈所述比较器N输出的比较结果。所述第三电阻R3的一端与所述比较器N的第一输入端X相连，所述第三电阻R3的另一端与所述IGBT的发射极E相连。本实施例中所述的退饱和保护电路是依据IGBT的ic电流升高时IGBT集电极和发射极之间的电压Vce也跟着升高的现象，通过监测Vce的值，并将监测到的Vce值与饱和下限信号（即阈值电压）进行比较，将比较结果输出至所述第二设备，由所述第二设备依据比较结果调整输出的驱动脉冲信号来实现对IGBT的短路保护。
在实际应用中，上述各实施例中，所述用于输出所述驱动脉冲信号的第二设备的驱动脉冲信号输出端可通过光电转换板上的光纤电路与驱动信号调制电路的输入端连接。在电力机车牵引控制系统中，所述IGBT的驱动电路可设置在同一IGBT驱动板上，所述牵引控制单元TCU向所述驱动信号调制电路输出驱动脉冲信号，可通过光电转换板将驱动脉冲信号转换为光信号，该光信号再经光纤传输至所述驱动信号调制电路的输入端。同样地，上述各实施例中，所述故障反馈电路生成的故障反馈信号也可通过光电转换板上的光纤电路传输至所述第二设备（或牵引控制单元TCU）。本实施例通过采用光纤传输信号可有利于增强传输信号的抗干扰性能。
所述高压隔离驱动电源可采用电压转换电路和高压隔离电路来实现。所述电压转换电路用于将所述单向直流电压转化为驱动IGBT所需的正负双向电压。所述电压转换电路选用现有技术中能够实现转换功能的电路既可。所述高压隔离电路用于电气隔离处于所述高压隔离驱动电源接入端和输出端的两侧回路，以抑制处于所述高压隔离驱动电源接入端和输出端两侧回路的互相干扰。所述高压隔离电路可具体采用高压隔离变压器、高压隔离光电耦合器或高压隔离芯片。
本发明提供的IGBT的驱动电路各实施例可适用于机车牵引变流器主电路中的各种电路拓扑结构。下面以采用三相桥式逆变电路的牵引逆变功率模块为例，对本发明提供的IGBT驱动电路的应用实现作进一步说明。
如图3和图4所示，该逆变功率模块共有6个IGBT组成。在本应用实例中用于输出所述驱动脉冲信号的控制单元可具体为机车牵引控制单元TCU。机车牵引控制单元TCU输出驱动脉冲信号，驱动信号调制电路对驱动脉冲信号进行隔离和放大后输出，以控制6个IGBT的开通和关断。各逻辑保护电路监测所述绝缘栅双极型晶体管的工作状态信息，依据所述工作状态信息对所述绝缘栅双极型晶体管进行相应的保护响应。故障反馈电路在监测到某一IGBT出现故障时生成故障反馈信号，并将该故障反馈信号输出至所述机车牵引控制单元TCU。具体地，所述机车牵引控制单元TCU给高压隔离驱动电源提供单向直流电源，依据预设控制程序输出驱动脉冲信号，并在接收到所述故障反馈信号后将封锁输出的驱动脉冲信号。
高压隔离驱动电源将机车牵引控制单元提供的24VDC输入电源转化为驱动IGBT所需的+15V、-10V电源。机车牵引控制单元的驱动脉冲信号通过光电转换板上的光纤电路输入至驱动信号调制电路，并经驱动信号调制电路调制和放大后传输至IGBT，以控制IGBT导通或关断。IGBT开通电压为+15V，关断电压为-10V。如图4所示，各IGBT通过第二电阻R2、第三电阻R3和比较器N构成的电路实现短路保护。在IGBT关断时通过稳压二极管Z、三极管V和第一R1及IGBT栅极电阻Rgoff实现箝位控制以抑制过电压尖峰。当高压隔离驱动电源输出的正向驱动电压超出预设正向驱动电压值时或输出的负向驱动电压超出预设负向驱动电压值时所述驱动电源监测电路断开所述高压隔离驱动电源向各IGBT输出驱动电压。
本应用实例中所述驱动电路在驱动脉冲信号和故障反馈信号的传输均采用光纤传输。欲采用光纤传输，则在实际的实现过程中需采用光电转换板进行光信号和电信号之间的转换。该光电转换板的光信号端与光纤连接，所述光电转换板的电信号端与需接收或输出电信号的电路或设备接入端相连。高压隔离驱动电源在电源电路中采用高压隔离芯片，隔离电压可达到7.4kV；从而有效实现了IGBT驱动电路中低压回路和高压回路之间的高压隔离，有效防止了流经高压IGBT的高电压、大电流可能经驱动电路对与其连接的其它电路造成的损害。
本应用实例的具体工作过程如下：
步骤S1、机车牵引控制单元输出单向直流电压，并依据预设控制程序输出驱动脉冲信号；
步骤S2、高压隔离驱动电源将所述单向直流电压转化为驱动IGBT所需的正负双向电压；
步骤S3、驱动信号调制电路对所述驱动脉冲信号进行调制和放大处理，并将放大后的脉冲信号输出至IGBT；
步骤S4、所述退饱和保护电路监测所述IGBT集电极和发射极之间的电压值，并将监到的电压值与预设的电压值进行比较得出比较结果，生成比较结果反馈信号；所述机车牵引控制单元在接收到该比较结果反馈信号后会依据预设的程序相应的调整输出的驱动脉冲信号。
步骤S6、在上述各步骤中，所述有源箝位控制电路在所述IGBT处于关断状态时对IGBT进行箝位控制；所述驱动电源监测电路在监测到所述高压隔离驱动电源输出的正向驱动电压和负向驱动电压超出预设值时断开所述高压隔离驱动电源向所述绝缘栅双极型晶体管输出驱动电压。
这里需要说明的是：上述各步骤是无先后顺序的，实际上只要驱动电路一接入电源，构成电路的各单元或电路即开始工作进而完成上述各步骤。
本发明提供的IGBT的驱动电路，驱动功率大，可提供±35A的峰值电流；可监测IGBT驱动电压的电压状况及工作状态，依据监测结果对所述IGBT进行相应的保护响应，并在所述IGBT发生故障时生成反馈信号，以使外接控制设备（例如机车牵引控制单元）封锁向所述IGBT的驱动电路发送驱动脉冲信号。本发明提供的IGBT驱动电路目前已成功装配于四象限及逆变模块，并将应用在大功率电力机车上，能够满足了用户现场的实际需求，取得了良好的经济和社会效益。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，其特征在于，包括：高压隔离驱动电源、驱动信号调制电路、逻辑保护电路和故障反馈电路；其中，
所述高压隔离驱动电源，用于将接收自第一设备输出的单向直流电压转化为驱动绝缘栅双极型晶体管所需的正负双向驱动电压，并电气隔离处于所述高压隔离驱动电源接入端和输出端的两侧回路；
所述驱动信号调制电路，用于对接收自第二设备输出的驱动脉冲信号进行调制和放大处理，并将放大后的脉冲信号输出至所述绝缘栅双极型晶体管；
所述逻辑保护电路，用于监测所述绝缘栅双极型晶体管的工作状态信息，并将所述工作状态信息输出至所述第二设备，以使所述第二设备依据所述工作状态信息对所述绝缘栅双极型晶体管进行相应的保护响应；
所述故障反馈电路，用于在监测到所述绝缘栅双极型晶体管发生故障时生成故障反馈信号，并将该故障反馈信号反馈至所述第二设备，以使所述第二设备停止向所述驱动信号调制电路输出所述驱动脉冲信号；
其中，所述逻辑保护电路包括：有源箝位控制电路、退饱和保护电路和驱动电源监测电路；其中，
所述有源箝位控制电路，用于监测所述绝缘栅双极型晶体管是否处于关断状态，在所述绝缘栅双极型晶体管处于关断状态时将监测到的关断状态信息反馈至所述第二设备；接收所述第二设备依据所述关断状态信息输出的箝位控制驱动信号对所述绝缘栅双极型晶体管进行箝位控制；
所述退饱和保护电路，用于监测绝缘栅双极型晶体管集电极和发射极之间的电压信息，在所述电压超过预设电压值时将监测到的电压信息反馈至所述第二设备，以使所述第二设备依据所述电压信息调整输出的所述驱动脉冲信号对所述绝缘栅双极型晶体管进行退饱和保护；
所述驱动电源监测电路，用于监测所述高压隔离驱动电源输出的正向驱动电压和负向驱动电压，当所述正向驱动电压超出预设正向驱动电压值时或所述负向驱动电压超出预设负向驱动电压值时断开所述高压隔离驱动电源向所述绝缘栅双极型晶体管输出驱动电压；
所述有源箝位控制电路包括：稳压二极管、三极管和第一电阻；其中，
所述稳压二极管的正极与所述三极管的集电极相连，所述稳压二极管的负极与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极相连；
所述三极管的发射极与所述第一电阻的一端相连，所述三极管的栅极与所述第二设备的箝位控制驱动信号输出端相连；
所述第一电阻的另一端与所述绝缘栅双极型晶体管的栅极相连。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，其特征在于，所述退饱和保护电路包括：比较器、第二电阻和第三电阻；其中，
所述第二电阻的一端与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极相连，另一端与所述比较器的第一输入端相连；
所述比较器的第二输入端用于接入饱和下限信号，所述比较器的比较结果输出端与所述第二设备的工作状态信息输入端相连；
所述第三电阻的一端与所述比较器的第一输入端相连，所述第三电阻的另一端与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极相连。
3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，其特征在于，所述第二设备的驱动脉冲信号输出端通过光电转换板上的光纤电路与所述驱动信号调制电路的输入端连接。
4.根据权利要求1或3所述的绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，其特征在于，所述故障反馈电路生成的故障反馈信号通过光电转换板上的光纤电路传输至所述第二设备。
5.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，其特征在于，所述高压隔离驱动电源包括电压转换电路和高压隔离电路；其中，
所述电压转换电路，用于将所述单向直流电压转化为驱动绝缘栅双极型晶体管所需的正负双向电压；
所述高压隔离电路，用于电气隔离处于所述高压隔离驱动电源接入端和输出端的两侧回路。
6.根据权利要求5所述的绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，其特征在于，所述高压隔离电路为高压隔离变压器、高压隔离光电耦合器或高压隔离芯片。
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