CN103546020A

CN103546020A - 高压igbt驱动及保护电路

Info

Publication number: CN103546020A
Application number: CN201310517146.9A
Authority: CN
Inventors: 吴健; 马春华
Original assignee: Beijing Sino-Railway Co
Current assignee: Beijing Sino-Railway Co
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-10-28
Also published as: CN103546020B

Abstract

本发明公开了高压IGBT驱动及保护电路，包括：信号处理电路、隔离变压器传输电路、隔离电源电路、欠压保护电路、门极箝位电路、短路保护电路、IGBT动态故障检测电路、绝缘栅双极型晶体管、供电电源；本发明的优点是能够工作在高压运行环境中并能输出较大的功率，本发明具有很高的工作效率，本发明能快速响应，低输入输出延迟时间在μs级别，具有较强的抗干扰能力，输入的1800V的母线电压，能够实现驱动隔离能力在4000V以上，大大保证了系统的安全；同时通过反馈信号传输到本发明的工作状态信息能远程被中央控制单元进行实时监测和控制，极大地提高了系统的可靠性，本发明可以广泛应用于对于电源转化有需要的工业控制领域。

Description

高压IGBT驱动及保护电路

技术领域

本发明涉及高压IGBT驱动及保护电路，属于电力电子技术领域。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大，MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

目前，大功率IGBT器件在现代电力机车传动系统中得到了广泛的使用。在高压大功率应用中，系统工作频率不高，IGBT一般工作在硬开关方式下，对器件驱动保护的要求较高。目前高压大电流IGBT的发展趋向于减小饱和电压VCE，关断损耗Eoff，提高短路耐受能力，使IGBT关断柔和及反并联二极管软恢复。IGBT门极电路作为连接控制端与主电路的桥梁，对控制IGBT的导通状态、优化开关性能和保护IGBT具有重要作用。

随着电力电子技术的不断发展，电气传动控制起着极为重要的作用，为了满足高性能、节能和环保的要求，交流调速控制系统以其特有的优点正逐步取代传统的直流调速，在电气传动领域中扮演着重要的角色。电力机车的辅助电源主要为机车主电路提供冷却、为空气制动系统提供电能；辅助变流器的工作状况直接影响到主电路的工作状态，以及司乘人员的工作环境，是机车稳定、安全运行的关键。

但是，传统的辅助变流器工作在高压大功率的条件下时不可避免地存在着电路的响应速度慢、抗干扰能力差、工作效率低等缺陷，从而大大地影响了系统的安全和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的高压IGBT驱动及保护电路，本发明包括：信号处理电路、隔离变压器传输电路、隔离电源电路、欠压保护电路、门极箝位电路、短路保护电路、IGBT动态故障检测电路、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、供电电源。

所述信号处理电路，隔离变压器传输电路、门极箝位电路、IGBT动态故障检测电路、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)依次连接；

所述供电电源、隔离电源电路、欠压保护电路、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、IGBT动态故障检测电路依次连接；

所述隔离电源电路、短路保护电路、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、IGBT动态故障检测电路依次连接；

所述信号处理电路分别与欠压保护电路和短路保护电路连接。

所述信号处理电路主要包括逻辑判断芯片，所述信号处理电路用于检测由隔离变压器传输电路、短路保护电路和欠压保护电路所提供的信号并对由隔离变压器传输电路、短路保护电路和欠压保护电路所提供的信号进行逻辑判断处理，以保障门极驱动信号输出的安全与可靠。

本发明对所述供电电源采用所述隔离变压器传输电路进行隔离，实现供电电源与控制信号的电气隔离，保证控制信号与供电电源之间的安全。

为了增强隔离能力，所述隔离电源电路采用开环工作方式，电压稳定由后级的线性稳压器实现。

所述欠压保护电路包括15V欠压保护电路和-15V欠压保护电路。一旦供电电源发生故障，出现欠压状况，则欠压保护电路输出故障信号，封锁门极脉冲。

在短路时，所述短路保护电路输出故障信号，封锁门极脉冲。

所述门极箝位电路连接IGBT用于保证IGBT的门射极电压的稳定，以达到门极过压箝位保护的目的。

所述IGBT动态故障检测电路通过本发明的反馈信号，传输给中央控制单元(ACU)。即ACU分别接收来自于本发明的欠压保护电路的欠压故障信号和来自于短路保护电路的短路故障信号，ACU通过检测判断本发明的工作状态和故障情况，动态显示本发明的工作状态，然后，ACU输出待处理信号到本发明，控制本发明的工作状态。

本发明能够实现的功能如下：

(1)具有足够的驱动功率，能提供合适的正向栅极电压，关断时可以提供足够的反向关断栅极电压，具有快速响应能力，具有低输入输出延迟时间。

(2)具有足够的隔离电压等级，并具有较强抗干扰能力，输入1800V的母线电压，本发明驱动隔离能力在4000V以上。

(3)能够准确检测IGBT短路故障，可以进行可靠和有效的关断。

本发明的优点是能够工作在高压运行环境中并能输出较大的功率，本发明能够工作在高压大功率的条件下能够实现轨道交通中电力机车中辅助电源系统的功能，同时本发明具有很高的工作效率，本发明能快速响应，低输入输出延迟时间在μs级别，具有较强的抗干扰能力，输入的1800V的母线电压，能够实现驱动隔离能力在4000V以上，大大保证了系统的安全；同时通过反馈信号传输到本发明的工作状态信息能远程被中央控制单元进行实时监测和控制，极大地提高了系统的可靠性，本发明可以广泛应用于对于电源转化有需要的工业控制领域，具有较强的实用价值和现实意义。

附图说明

图1是本发明所述高压IGBT驱动及保护电路的整体电路图；

图2是本发明所述高压IGBT驱动及保护电路的隔离变压器传输电路图；

图3是本发明所述高压IGBT驱动及保护电路的隔离电源电路图；

图4是本发明所述高压IGBT驱动及保护电路的欠压保护电路图；

图5是本发明所述高压IGBT驱动及保护电路的短路保护电路图；

图6是本发明所述高压IGBT驱动及保护电路的门极箝位电路图；

图7是本发明所述高压IGBT驱动及保护电路的IGBT动态故障检测电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。如图1所示，本发明包括：

信号处理电路、隔离变压器传输电路、隔离电源电路、欠压保护电路、门极箝位电路、短路保护电路、IGBT动态故障检测电路、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、供电电源。

所述信号处理电路主要包括逻辑判断芯片TC428、逻辑判断芯片TC426，所述信号处理电路用于检测由隔离变压器传输电路、短路保护电路和欠压保护电路所提供的信号并对由隔离变压器传输电路、短路保护电路和欠压保护电路所提供的信号进行逻辑判断处理，以保障门极驱动信号输出的安全与可靠。

所述隔离变压器传输电路，如图2所示；

本发明对供电电源采用隔离变压器传输电路进行隔离，实现供电电源与控制信号的电气隔离，保证控制信号与供电电源之间的安全。隔离变压器传输电路采用1个原边线圈(如图2中的12、14)和2个副边线圈(如图2中的3、5和4、6)组成，3个线圈的绕组变比为1：1：1。

所述隔离电源电路，如图3所示；

为了增强隔离能力，隔离电源电路采用开环工作方式，电压稳定由后级的线性稳压器实现。由图2中的4、6和3、5两个副边线圈输出提供电源给图3中的稳压芯片A31、稳压芯片A32使用，稳压芯片A31、稳压芯片A32的输入端有设置电解电容C31、电解电容C32，以保护隔离电源电路的安全和稳定，隔离电源电路输出电压分别为V2P+＝15V，V2P-＝-15V，输出电压供本发明使用。

所述欠压保护电路，如图4所示；

所述欠压保护电路包括(a)-15V欠压保护电路和(b)15V欠压保护电路。一旦供电电源发生故障，出现欠压状况，则欠压保护电路输出故障信号，封锁门极脉冲。

所述短路保护电路，如图5所示；

在短路时，短路保护电路输出故障信号，封锁门极脉冲。

所述门极箝位电路，如图6所示；

本发明的门极驱动信号1和门极驱动信号2通过门极箝位电路连接IGBT，门极箝位电路上有一个双向瞬态电压抑制器(TVS61)，其稳压值与IGBT的正栅压和负栅压相同。这样可以保证IGBT的门射极电压的稳定，以达到门极过压箝位保护的目的。

所述IGBT动态故障检测电路，如图7所示；

所述IGBT动态故障检测电路通过本发明的反馈信号，传输给中央控制单元(ACU)。即ACU分别接收来自于本发明的欠压保护电路的欠压故障信号和来自于短路保护电路的短路故障信号，ACU通过检测判断本发明的工作状态和故障情况，动态显示本发明的工作状态，然后，ACU输出待处理信号到本发明，如图1所示，控制本发明的工作状态。

如图1所示，本发明的主要工作原理是：外部的待处理信号进入本发明以后，通过隔离变压器传输电路进入信号处理电路。供电电源通过隔离电源电路为本发明中的短路保护电路和欠压保护电路进行供电。短路保护电路和欠压保护电路通过检测IGBT的工作状态，将反馈信号提供给信号处理电路。信号处理电路通过处理接收的各种信号，输出门极驱动信号。同时在信号处理电路与IGBT之间有门极箝位电路来保护IGBT的安全。

本发明能够工作在高压大功率的条件下能够实现轨道交通中电力机车中辅助电源系统的功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.高压IGBT驱动及保护电路，其特征在于，包括：信号处理电路、隔离变压器传输电路、隔离电源电路、欠压保护电路、门极箝位电路、短路保护电路、IGBT动态故障检测电路、绝缘栅双极型晶体管、供电电源；

所述信号处理电路，隔离变压器传输电路、门极箝位电路、IGBT动态故障检测电路、绝缘栅双极型晶体管依次连接；

所述供电电源、隔离电源电路、欠压保护电路、绝缘栅双极型晶体管、IGBT动态故障检测电路依次连接；

所述隔离电源电路、短路保护电路、绝缘栅双极型晶体管、IGBT动态故障检测电路依次连接；

所述信号处理电路分别与欠压保护电路和短路保护电路连接；

所述信号处理电路包括逻辑判断芯片，所述信号处理电路用于检测由隔离变压器传输电路、短路保护电路和欠压保护电路所提供的信号并对由隔离变压器传输电路、短路保护电路和欠压保护电路所提供的信号进行逻辑判断处理，以保障门极驱动信号输出的安全与可靠。