CN105811943A - 一种应用于串联压接型igbt的集成驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于串联压接型IGBT的集成驱动装置，其包括稳压电源模块、光纤收发模块、静态均压模块、缓冲电路、驱动与保护模块、连接模块，以上所有模块均集成在一块印制电路板上。本发明结构紧凑，集成度高，采用高隔离稳压电源解决了在高压条件下IGBT供电电源隔离电压不足的问题，通过集成静态均压及缓冲电路，极大的减少了线路中的杂散电感，利于串联使用。通过功率端连接模块连接压接型IGBT与集成驱动，缩短了驱动信号路径，避免由于驱动延时造成IGBT过压损坏，同时采用了IGBT加集成驱动一体化的设计，极大地降低了压接型IGBT的串联使用复杂度。

Description

一种应用于串联压接型IGBT的集成驱动装置
技术领域
本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种应用于串联压接型IGBT的集成驱动装置。
背景技术
由IGBT组成的固态电力电子开关具有开关速度快，可控性强，寿命长的特点，同时为了应用于高电压领域，须将多个IGBT相互串联使用以达到较高的电压等级，该方案效果好同时成本低，故得到了广泛的关注与应用。
在IGBT串联使用时，由于各个半导体器件之间的细微差异以及线路的寄生电感等影响，会导致开关过程中各器件承压不均衡，极大的影响了开关的使用寿命和工作效率，甚至会造成器件击穿损坏。保证半导体器件在开关过程中的电压分布均衡是实现高压固态电力电子开关的关键。对此现有技术有多种解决方法：一种是在驱动端采用反馈控制实现器件电压动态调整，另一种是在功率端并联动态缓冲电路、静态均压电路。前者主要采用无源器件构成高速反馈网络在每次开关暂态过程中调整驱动信号的幅值或时序，控制精度高，效果好，但电路结构复杂，随着器件串联数目增多，控制复杂度也大幅提升。后者主要通过缓冲电路来吸收线路中存在的电感能量以避免过电压，通过静态均压电路来减缓半导体器件因漏电流不同而导致的静态电压不均衡问题，结构简单，即使器件串联数目增多，也不会提升控制复杂度。当前高压固态开关领域内均通过两种方案的结合解决串联半导体电压不均衡问题。但是上述两种方案都要求其连接线路的杂散参数尽量低，才能达到均压、保护要求。
目前的IGBT模块多采用引线键合和焊接等连接方式将半导体芯片与陶瓷基板和散热板以及BUSBAR等部件封装在一起，由于大功率模块内部引线复杂，会造成杂散电感部分复杂，影响串联器件的开关动作，另一方面由于内部半导体芯片等都通过引线键合，在串联工作时，若某个IGBT发生失效故障，其内部引线断开，就会导致整个开关无法工作。
另外在高压串联环境下，IGBT的地电位将会悬浮在很高电压下，其驱动与外围电路的电源必须悬浮隔离，并且各路之间也需要相互隔离。当串联数目增多或应用高压过高时，都会极大地增加高压固态开关的体积与成本。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于串联压接型IGBT的集成驱动装置，旨在解决现有技术中IGBT串联工作时各个IGBT地电位悬浮且互不相同的问题。
本发明提供了一种应用于串联压接型IGBT的集成驱动装置，其特征在于，包括设置在印制电路板上的稳压电源模块、连接模块、驱动保护模块、光纤收发模块、静态均压模块和缓冲电路；所述稳压电源模块的电源端用于连接外部供电电源，所述稳压电源模块的电能感应端用于获取外部电缆中的电能，所述稳压电源模块用于为光纤收发模块及驱动保护模块供电；所述连接模块用于将压接型IGBT的集电极、栅极和发射极连接至所述印制电路板上；所述驱动保护模块的电源端连接至所述稳压电源模块的输出端；所述驱动保护模块的第一控制端用于接收所述光纤收发模块的驱动控制信号，并将压接型IGBT的故障信号发送至光纤收发模块；所述驱动保护模块的第二控制端用于将处理后的驱动控制信号发送至连接模块并通过连接模块连接压接型IGBT，所述驱动保护模块用于驱动及保护压接型IGBT；所述光纤收发模块的发送端通过光纤接收外部控制信号；所述光纤收发模块的接收端通过光纤发送故障信号；所述静态均压模块与连接模块相连，用于均衡串联工作时各个压接型IGBT的集电极与发射极之间的电压；所述缓冲电路与连接模块相连，用于减小压接型IGBT在开关暂态阶段时的峰值电压。
更进一步地，所述稳压电源模块包括电气连接端口，供电选择开关和板载供电电源；所述电气连接端口至少包括一个正端口和一个地端口，分别用于连接外部高隔离供电电源的正、负极；所述供电选择开关用于从外部供电电源或者板载供电电源两种模式中选择集成驱动装置的供电方式；所述板载供电电源包括磁环和后级稳压电路，所述磁环的内径稍大于具有高隔离电压的电缆外径，用于从高隔离电压电缆处感应取得高频电能；所述具有高隔离电压的电缆，其隔离电压大于集成驱动所要求的绝缘电压；所述后级稳压电路用于将高频电能处理成适合集成驱动的供电电源，该稳压电路的输入端通过绕在磁环上的导线连接磁环。
更进一步地，所述连接模块包括第一铜制导体片、第二铜制导体片和第三铜制导体片，分别用于连接压接型IGBT的集电极、栅极、发射极至印制电路板。
更进一步地，所述驱动保护模块包括信号处理电路和保护电路；所述信号处理电路用于处理光纤控制信号接收模块所传输的电控制信号，而后通过第二铜制导体片、第三铜制导体片连接压接型IGBT的栅极以控制压接型IGBT的动作；所述保护电路用于保护压接型IGBT，通过检测压接型IGBT的状态信息避免过压、过流、过热等造成IGBT损坏，同时传输故障信息到光纤反馈信号发送模块。
更进一步地，所述光纤收发模块包括光纤控制信号接收模块和光纤反馈信号发送模块；所述光纤控制信号接收模块用于接收控制压接型IGBT的开关信号并将光信号转为电信号；所述光纤反馈信号发送模块用于发送压接型IGBT的故障信号并将电信号转为光信号。
更进一步地，所述静态均压模块包括静态均压电阻网络；所述静态均压电阻网络的一端连接至所述第一铜制导体片，所述静态均压电阻网络的另一端连接至所述第三铜制导体片，所述静态均压电阻网络用于保证压接型IGBT在稳态工作时的均压。
更进一步地，所述缓冲电路包括缓冲电路网络，所述缓冲电路网络的一端连接至所述第一铜制导体片，所述缓冲电路网络的另一端连接至所述第三铜制导体片，所述缓冲电路网络用于减少压接型IGBT在暂态工作时的过压峰值，避免损坏。
更进一步地，所述印制电路板上至少含有两个贯穿的第一通孔和第二通孔；所述第一通孔尺寸稍大于磁环，便于高压线缆穿过；第二通孔尺寸稍大于压接型IGBT的最大直径，便于IGBT的安装。
本发明通过功率端连接模块中的各个导体片，将圆饼状的压接型IGBT连接至集成驱动中，极大的短缩了各个电极的引线长度，减少了信号传递线路的杂散参数对IGBT串联工作的影响。本发明通过驱动中集成的静态均压电路及缓冲电路，能够保证不论是在静态还是动态工作下串联IGBT的安全、性能，集成的静态均压电路及缓冲电路也大大减少了功率传递线路的杂散参数对IGBT串联工作的影响。本发明通过光纤收发模块传递、反馈信号，提高了在高压串联时的信号传输抗干扰性。
附图说明
图1是本发明提出的集成驱动的原理图。
图2是本发明提出的集成驱动的示意图。
图3(a)是本发明实施例中所用IGBT的正视图；图3(b)是本发明实施例中所用IGBT的示意图；图3(c)是本发明实施例中所用IGBT的俯视图；图3(d)是本发明实施例中所用IGBT的右视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明适用于压接型IGBT器件，压接型IGBT具有双面散热特性，可用于高功率等级环境，内部通过钼片连接半导体，可靠性极高，同时即使失效也呈现短路特性，不会影响整个串联开关的工作。通过集成静态均压电路及缓冲电路，保证在串联使用时IGBT的工作状态正常，性能优良。通过板载高隔离电源及光纤收发模块，极大地提高了IGBT的工作电压，能够应用在百千伏场景。本发明结构简单紧凑，应用方便，通过功率端连接模块能方便的连接压接型IGBT及集成驱动，该模块化的设计可极大降低串联IGBT开关的使用难度。
如图1所示，本发明提供了一种应用于串联压接型IGBT的集成驱动装置1，该集成驱动装置1包括设置在印制电路板10上的稳压电源模块2、连接模块3、驱动保护模块4、光纤收发模块5、静态均压模块6和缓冲电路7；稳压电源模块2的电源端连接外部供电电源，稳压电源模块2的电能感应端用于获取外部电缆中的电能，稳压电源模块2用于为光纤收发模块5及驱动保护模块4供电；连接模块3用于将压接型IGBT8的集电极、栅极、发射极连接至所述印制电路板10；驱动保护模块4的驱动端接收来自光纤收发模块5的驱动控制信号，驱动保护模块4的驱动端将处理后的驱动控制信号发送至连接模块3，驱动保护模块4的保护端通过连接模块3连接压接型IGBT8，驱动保护模块4的保护端将压接型IGBT8的故障信号发送至光纤收发模块5，驱动保护模块4用于驱动及保护压接型IGBT8；光纤收发模块5的发送端通过光纤接收外部控制信号；光纤收发模块5的接收端通过光纤向控制芯片发送故障信号；静态均压模块6与连接模块3相连，静态均压模块6用于均衡串联工作时各个压接型IGBT8的集射极间电压；缓冲电路7与连接模块3相连，缓冲电路7用于减小压接型IGBT8在开关暂态阶段时的峰值电压；连接模块3包括第一铜制导体片30、第二铜制导体片31、第三铜制导体片32，分别用于连接压接型IGBT8的集电极、栅极、发射极至印制电路板10；稳压电源模块2，包括一个电气连接端口20，一个供电选择开关21，一个板载供电电源22。所述电气连接端口20至少包括一个正端口、一个地端口，分别用于直接连接外部高隔离供电电源的正负极；供电选择开关21用于从外部供电电源或者板载供电电源两种模式中选择集成驱动装置的供电方式；板载供电电源22包括一个磁环220、一个后级稳压电路221，磁环220，其内径稍大于具有高隔离电压的电缆外径，用于从高隔离电压电缆处感应取得高频电能；具有高隔离电压的电缆，其隔离电压大于集成驱动所要求的绝缘电压；后级稳压电路221用于将高频电能处理成适合集成驱动的供电电源，该稳压电路的输入端通过绕在磁环220上的导线连接磁环220；光纤收发模块5包括一个光纤控制信号接收模块50，一个光纤反馈信号发送模块51。光纤控制信号接收模块50，用于接收控制压接型IGBT8的开关信号，并将光信号转为电信号；光纤反馈信号发送模块51，用于发送压接型IGBT8的故障信号，并将电信号转为光信号；静态均压模块6包括一个静态均压电阻网络6，静态均压电阻网络6一端连接到第一铜制导体片30，另一端连接到第三铜制导体片33，用于保证压接型IGBT8在稳态工作时的均压；缓冲电路7包括一个缓冲电路网络，缓冲电路网络一端连接到第一铜制导体片30，另一端连接到第三铜制导体片33，用于减少压接型IGBT8在暂态工作时的过压峰值，避免损坏；驱动保护模块4包括信号处理电路40及保护电路41；信号处理电路40用于处理光纤控制信号接收模块所传输的电控制信号，而后通过第二铜制导体片31、第三铜制导体片33连接压接型IGBT8的栅极以控制压接型IGBT的动作；保护电路41用于保护压接型IGBT8，通过检测压接型IGBT8的状态信息避免过压、过流、过热等造成IGBT损坏，同时传输故障信息到光纤反馈信号发送模块51；印制电路板10上至少含有两个贯穿的第一通孔、第二通孔；所述第一通孔尺寸稍大于磁环220，便于高压线缆穿过；第二通孔尺寸稍大于压接型IGBT8的最大直径，便于IGBT的安装。
本发明通过采用高磁导率磁环及高压线缆取能，解决了IGBT串联工作时各个IGBT地电位悬浮且互不相同的问题，通过外置高频电源可轻松为不同工作条件下的IGBT串联开关供能，同时通过供电选择开关，可降低该集成驱动在测试及低压条件下的使用难度。
本发明通过功率端连接模块中的各个导体片，将圆饼状的压接型IGBT连接至集成驱动中，极大的短缩了各个电极的引线长度，减少了信号传递线路的杂散参数对IGBT串联工作的影响。本发明通过驱动中集成的静态均压电路及缓冲电路，能够保证不论是在静态还是动态工作下串联IGBT的安全、性能，集成的静态均压电路及缓冲电路也大大减少了功率传递线路的杂散参数对IGBT串联工作的影响。本发明通过光纤收发模块传递、反馈信号，提高了在高压串联时的信号传输抗干扰性。
以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了应用于串联压接型IGBT的集成驱动装置的原理图，该集成驱动装置1包括稳压电源模块2、连接模块3、驱动保护模块4、光纤收发模块5、静态均压模块6和缓冲电路7。
稳压电源模块2的电源端连接外部供电电源，稳压电源模块2的电能感应端用于获取外部电缆中的电能，稳压电源模块2用于为光纤收发模块5及驱动保护模块4供电。
连接模块3用于将压接型IGBT8的集电极、栅极、发射极连接至印制电路板10。
驱动保护模块4的驱动端接收来自光纤收发模块5的驱动控制信号，所述驱动保护模块4的驱动端将处理后的驱动控制信号发送至连接模块3，所述驱动保护模块4的保护端通过连接模块3连接压接型IGBT8，驱动保护模块4的保护端将压接型IGBT8的故障信号发送至光纤收发模块5，驱动保护模块4用于驱动及保护压接型IGBT8。
光纤收发模块5的发送端通过光纤接收外部控制信号；光纤收发模块5的接收端通过光纤向控制芯片发送故障信号。
静态均压模块6与连接模块3相连，静态均压模块6用于均衡串联工作时各个压接型IGBT8的集射极间电压。
缓冲电路7与连接模块3相连，缓冲电路7用于减小压接型IGBT8在开关暂态阶段时的峰值电压。
如图2是应用该原理制作的示范性实施例的集成驱动装置的示意图，包括印制电路板10、稳压电源模块2、功率端连接模块3、驱动保护模块4、光纤收发模块5、静态均压模块6和缓冲电路7。
功率端连接模块3包括第一铜制导体片30、第二铜制导体片31、第三铜制导体片32，分别用于连接压接型IGBT8的集电极、栅极、发射极至印制电路板10。
稳压电源模块2，包括一个电气连接端口20，一个供电选择开关21，一个板载供电电源22。所述电气连接端口20包括一个正端口、一个地端口，分别用于直接连接外部高隔离供电电源的正负极；所述供电选择开关21用于从外部供电电源或者板载供电电源两种模式中选择集成驱动装置的供电方式；所述板载供电电源22包括一个磁环220、一个后级稳压电路221，所述磁环220，其内径稍大于具有高隔离电压的电缆外径，用于从高隔离电压电缆处感应取得高频电能；所述具有高隔离电压的电缆，其隔离电压大于集成驱动所要求的绝缘电压；所述磁环采用带材型铁基超微晶、带材型钴基非晶等具有高磁导率的材料；所述后级稳压电路221用于将高频电能处理成适合集成驱动的供电电源，该稳压电路的输入端通过绕在磁环220上的导线连接磁环220；
光纤收发模块5包括一个光纤控制信号接收模块50，一个光纤反馈信号发送模块51。所述光纤控制信号接收模块50，用于接收控制压接型IGBT8的开关信号，并将光信号转为电信号；所述光纤反馈信号发送模块51，用于发送压接型IGBT8的故障信号，并将电信号转为光信号。
静态均压模块6包括一个静态均压电阻网络6，所述静态均压电阻网络6一端连接到第一铜制导体片30，另一端连接到第三铜制导体片33，用于保证压接型IGBT8在稳态工作时的均压。
缓冲电路7包括一个缓冲电路网络7，所述缓冲电路网络7一端连接到第一铜制导体片30，另一端连接到第三铜制导体片33，用于减少压接型IGBT8在暂态工作时的过压峰值，避免损坏。
驱动与保护模块4包括信号处理电路40及保护电路41。所述信号处理电路40用于处理光纤控制信号接收模块所传输的电控制信号，而后通过第二铜制导体片31、第三铜制导体片33连接压接型IGBT8的栅极以控制压接型IGBT8的动作；所述保护电路41用于保护压接型IGBT8，通过检测压接型IGBT8的状态信息避免过压、过流、过热等造成IGBT损坏，同时传输故障信息到光纤反馈信号发送模块51。
印制电路板10上至少含有两个贯穿的第一通孔、第二通孔；所述第一通孔尺寸稍大于磁环220，便于高压线缆穿过；第二通孔尺寸稍大于压接型IGBT8的最大直径，便于IGBT的安装。
如图3所示为本实施例中所用的压接型IGBT的示意图，其封装为圆饼形，从侧面引出了栅极及发射极。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于串联压接型IGBT的集成驱动装置，其特征在于，包括设置在印制电路板(10)上的稳压电源模块(2)、连接模块(3)、驱动保护模块(4)、光纤收发模块(5)、静态均压模块(6)和缓冲电路(7)；
所述稳压电源模块(2)的电源端用于连接外部供电电源，所述稳压电源模块(2)的电能感应端用于获取外部电缆中的电能，所述稳压电源模块(2)用于为光纤收发模块(5)及驱动保护模块(4)供电；
所述连接模块(3)用于将压接型IGBT(8)的集电极、栅极和发射极连接至所述印制电路板(10)上；
所述驱动保护模块(4)的电源端连接至所述稳压电源模块(2)的输出端；所述驱动保护模块(4)的第一控制端用于接收所述光纤收发模块(5)的驱动控制信号，并将压接型IGBT(8)的故障信号发送至光纤收发模块(5)；所述驱动保护模块(4)的第二控制端用于将处理后的驱动控制信号发送至连接模块(3)并通过连接模块(3)连接压接型IGBT(8)，所述驱动保护模块(4)用于驱动及保护压接型IGBT(8)；
所述光纤收发模块(5)的发送端通过光纤接收外部控制信号；所述光纤收发模块(5)的接收端通过光纤发送故障信号；
所述静态均压模块(6)与连接模块(3)相连，用于均衡串联工作时各个压接型IGBT(8)的集电极与发射极之间的电压；
所述缓冲电路(7)与连接模块(3)相连，用于减小压接型IGBT(8)在开关暂态阶段时的峰值电压。
2.根据权利要求1所述的集成驱动装置，其特征在于，所述稳压电源模块(2)包括电气连接端口(20)，供电选择开关(21)和板载供电电源(22)；
所述电气连接端口(20)至少包括一个正端口和一个地端口，分别用于连接外部高隔离供电电源的正、负极；
所述供电选择开关(21)用于从外部供电电源或者板载供电电源两种模式中选择集成驱动装置的供电方式；
所述板载供电电源(22)包括磁环(220)和后级稳压电路(221)，所述磁环(220)的内径稍大于具有高隔离电压的电缆外径，用于从高隔离电压电缆处感应取得高频电能；所述具有高隔离电压的电缆，其隔离电压大于集成驱动所要求的绝缘电压；所述后级稳压电路(221)用于将高频电能处理成适合集成驱动的供电电源，该稳压电路的输入端通过绕在磁环(220)上的导线连接磁环(220)。
3.根据权利要求1所述的集成驱动装置，其特征在于，所述连接模块(3)包括第一铜制导体片(30)、第二铜制导体片(31)和第三铜制导体片(32)，分别用于连接压接型IGBT(8)的集电极、栅极、发射极至印制电路板(10)。
4.根据权利要求3所述的集成驱动装置，其特征在于，所述驱动保护模块(4)包括信号处理电路(40)和保护电路(41)；
所述信号处理电路(40)用于处理光纤控制信号接收模块所传输的电控制信号，而后通过第二铜制导体片(31)、第三铜制导体片(33)连接压接型IGBT(8)的栅极以控制压接型IGBT的动作；
所述保护电路(41)用于保护压接型IGBT(8)，通过检测压接型IGBT(8)的状态信息避免过压、过流、过热等造成IGBT损坏，同时传输故障信息到光纤反馈信号发送模块(51)。
5.根据权利要求1所述的集成驱动装置，其特征在于，所述光纤收发模块(5)包括光纤控制信号接收模块(50)和光纤反馈信号发送模块(51)；所述光纤控制信号接收模块(50)用于接收控制压接型IGBT(8)的开关信号并将光信号转为电信号；
所述光纤反馈信号发送模块(51)用于发送压接型IGBT(8)的故障信号并将电信号转为光信号。
6.根据权利要求3所述的集成驱动装置，其特征在于，所述静态均压模块(6)包括静态均压电阻网络(6)；所述静态均压电阻网络(6)的一端连接至所述第一铜制导体片(30)，所述静态均压电阻网络(6)的另一端连接至所述第三铜制导体片(33)，所述静态均压电阻网络(6)用于保证压接型IGBT(8)在稳态工作时的均压。
7.根据权利要求1所述的集成驱动装置，其特征在于，所述缓冲电路(7)包括缓冲电路网络(7)，所述缓冲电路网络(7)的一端连接至所述第一铜制导体片(30)，所述缓冲电路网络(7)的另一端连接至所述第三铜制导体片(33)，所述缓冲电路网络(7)用于减少压接型IGBT(8)在暂态工作时的过压峰值，避免损坏。
8.根据权利要求1所述的集成驱动装置，其特征在于，所述印制电路板(10)上至少含有两个贯穿的第一通孔和第二通孔；所述第一通孔尺寸稍大于磁环(220)，便于高压线缆穿过；第二通孔尺寸稍大于压接型IGBT(8)的最大直径，便于IGBT的安装。
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