CN106803724A - 三电平igbt功率模块的驱动器及控制方法 - Google Patents

三电平igbt功率模块的驱动器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三电平IGBT功率模块的驱动器，包括对应于三电平IGBT功率模块外侧IGBT元件的外驱动单元、对应于内侧IGBT元件的内驱动单元，外驱动单元与内驱动单元之间通讯相连；外驱动单元和内驱动单元均对应设置有检测单元，并通过对应的检测单元与对应的IGBT元件信号相连。本发明的驱动器具有可靠性及安全性高等优点。本发明还公开了一种基于如上所述的驱动器的控制方法，内驱动单元和外驱动单元之间相互通讯，并分别控制对应的IGBT元件按通断逻辑进行通断，此通断逻辑为：内侧IGBT元件先于外侧IGBT元件导通；内侧IGBT元件后于外侧IGBT元件关断。本发明的控制方法具有可靠性高等优点。

Description

三电平IGBT功率模块的驱动器及控制方法
技术领域
本发明主要涉及功率器件技术领域，特指一种三电平IGBT功率模块的驱动器及控制方法。
背景技术
随着高速动车组的发展，对变流器模块的安全稳定性要求越来越高。三电平电路相比于传统两电平电路，IGBT关断时承受电压仅为两电平电路的一半，且三电平的设置也有利于谐波抑制。因此，三电平电路在牵引变流器总体电能质量、模块应用环境及极端、故障工况表现上均优于两电平电路。但三电平的引入增加了电路的复杂性，控制和驱动相对于两电平电路会更复杂。对于三电平大功率IGBT驱动器的设计，需要考虑内外侧元件的运行差异性以及故障保护设定的差异性。专利CN201410712694.1介绍了一种通用性IGBT驱动系统，该驱动系统包括IGBT驱动器和IGBT故障反馈模块，具备短路保护及故障反馈功能。专利CN201410712694.1提出的驱动系统包含IGBT驱动器和IGBT故障反馈模块，具备IGBT正常驱动、过电流检测、过电压箝位、故障反馈等功能。但一套系统包含两个部件，导致系统复杂化，故障率也相应提升，同时针对三电平电路，专利CN201410712694.1未能考虑内外侧元件运行工况的差异性亦未考虑并联元件的并联驱动问题。在针对三电平主电路中元件驱动或者元件采用并联方式工作的驱动问题时，专利CN201410712694.1提出的驱动系统会增加驱动系统数量、提升成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、可靠性及安全性高的三电平IGBT功率模块的驱动器，并提供了一种可靠性高的基于此驱动装置的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种三电平IGBT功率模块的驱动器，包括对应于三电平IGBT功率模块外侧IGBT元件的外驱动单元、对应于三电平IGBT功率模块内侧IGBT元件的内驱动单元，所述外驱动单元与所述内驱动单元之间通讯相连；所述外驱动单元和内驱动单元均对应设置有检测单元，并通过对应的检测单元与对应的IGBT元件信号相连。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述外驱动单元和内驱动单元均包括电源模块、逻辑处理模块、驱动模块和通讯模块，所述电源模块与所述逻辑处理模块和驱动模块相连、用于提供电源；所述逻辑处理模块经通讯模块与传动控制单元进行通讯连接；所述逻辑处理模块经驱动模块与对应的检测单元相连以发送驱动信号；所述检测单元与所述逻辑处理模块相连、用于对相应IGBT元件进行检测并将检测信号发送至逻辑处理模块进行故障监控。
所述通讯模块包括第一通讯接口和第二通讯接口，所述第一通讯接口用于与传动控制单元进行通讯；所述外驱动单元与内驱动单元之间通过第二通讯接口通讯连接。
所述电源模块包括变压器和整流电路，所述变压器分别与外部电源和整流电路相连。
所述检测单元包括过压箝位电路，用于在IGBT元件过压时吸收过压尖峰能量。
所述外驱动单元和内驱动单元均包括过流关断电路，用于在IGBT元件的管压降大于预设值时锁定IGBT元件的门极信号以避免过电流击穿。
本发明还相应公开了一种基于如上所述的三电平IGBT功率模块的驱动器的控制方法，所述内驱动单元和外驱动单元之间相互通讯，并分别控制对应的IGBT元件按通断逻辑进行通断，此通断逻辑为：内侧IGBT元件先于外侧IGBT元件导通；内侧IGBT元件后于外侧IGBT元件关断。
作为上述技术方案的进一步改进：
当IGBT元件的管压降Vce大于预设值，判断所述IGBT元件为过流故障，所述外驱动单元或内驱动单元锁定对应IGBT元件的门极信号。
在所述IGBT元件过流故障时，所述外驱动单元或内驱动单元分级降低门极电压以实现软关断。
所述外驱动单元和内驱动单元通过光纤进行通讯，并在外驱动单元或内驱动单元故障时，IGBT元件按正常的通断逻辑进行关断。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的三电平IGBT功率模块的驱动器，采用两个驱动单元分别对三电平IGBT功率模块的外侧IGBT元件和内侧IGBT元件进行控制，充分考虑了外侧IGBT元件和内侧IGBT元件运行工况的差异性，更好的适应于三电平IGBT功率模块，其可靠稳定性高。本发明的控制方法，控制外侧IGBT元件与内侧IGBT元件按通断逻辑进行通断，保证驱动工作的可靠进行。
附图说明
图1为本发明的方框结构图。
图2为本发明中三电平整流电路的电路原理图。
图3为本发明中各IGBT元件的门极输出信号时序图。
图4为本发明中内驱动单元门极锁定信号电路原理图。
图5为本发明中驱动单元保护电路原理图。
图6为本发明中软关断功能电路原理图。
图7为本发明中过压箝位功能电路原理图。
图中标号表示：1、外驱动单元；11、电源模块；12、逻辑处理模块；13、驱动模块；2、内驱动单元；3、检测单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1至图7所示，本实施例的三电平IGBT功率模块的驱动器，包括对应于三电平IGBT功率模块外侧IGBT元件的外驱动单元1、对应于三电平IGBT功率模块内侧IGBT元件的内驱动单元2，外驱动单元1与内驱动单元2之间通讯相连；外驱动单元1和内驱动单元2均对应设置有检测单元3，并通过对应的检测单元3与对应的IGBT元件信号相连。其中三电平IGBT功率模块是指桥臂由多个功率器件串联的整流电路或逆变电路，如图2中整流电路的桥臂由两个IGBT元件串联，其中A1、A4/B1、B4定义为外侧IGBT元件，由外驱动单元1驱动；A2、A3/B2、B3定义为内侧IGBT元件，选用内侧驱动单元驱动。本发明的三电平IGBT功率模块的驱动器，采用两个驱动单元分别对三电平IGBT功率模块的外侧IGBT元件和内侧IGBT元件进行分别驱动控制，充分考虑了外侧IGBT元件和内侧IGBT元件运行工况的差异性，更好的适应于驱动三电平IGBT功率模块，其可靠稳定性高。
本实施例中，外驱动单元1和内驱动单元2均包括电源模块11、逻辑处理模块12、驱动模块13（图1中的晶体管阵列）和通讯模块，电源模块11与逻辑处理模块12和驱动模块13相连、用于提供各模块的电源；逻辑处理模块12经通讯模块与传动控制单元（TCU）进行通讯连接；其中通讯模块包括第一通讯接口（图1中的光纤座R）和第二通讯接口（图1中的光纤座P），传动控制单元（TCU）经第一通讯接口向逻辑处理模块12发送脉冲光信号，经逻辑处理模块12处理后生成驱动信号至驱动模块13，继而经检测单元3控制对应IGBT元件的通断；另外逻辑处理模块12也经第一通讯接口向TCU反馈脉冲光信号；外驱动单元1与内驱动单元2之间则通过第二通讯接口通讯连接。另外检测单元3主要用于对IGBT元件的状态进行监控，在监测到IGBT元件故障后，将故障信号发送至逻辑处理模块12以封锁对应的驱动信号，而且将故障信号反馈至TCU以及另一驱动单元。
本实施例中，电源模块11包括变压器和整流电路，变压器分别与外部电源和整流电路相连，用于对外部电源（图1中V）进行整流后提供给各模块。外驱动单元1和内驱动单元2均设有独立的电源模块11以及驱动模块13，但共用一套保护电路，如图1所示，共用的保护电路通过第一通讯接口（图1中的光纤座R）接收来自TCU的脉冲信号，通过内部的逻辑处理后同时给两驱动单元中的驱动模块13发送驱动信号，从而保证内侧和外侧IGBT元件能够同时收到通断指令。本发明的驱动器能够保持两驱动单元的供电、驱动、检测的独立性，但共享保护电路，从而实现并联驱动功能。各IGBT元件将同时接收到通断指令，共享保护电路，在一路驱动单元故障时另一路驱动单元则不会受到影响。
如图5所示，本实施例的驱动器具有过流关断功能：检测单元3对IGBT的管压降Vce进行检测，依据元件特性曲线，Vce越大则流过元件的电流越大，当Vce大于预设值时则判断为过流故障，通过保护电路发出指令锁定元件的门极信号。如图5所示，其中保护电路含有比较器芯片，通过稳压二极管Z可以设定保护门槛值，保护门槛值通过芯片5#管脚传入。Vce信号通过芯片6#管脚传入，与保护门槛值进行比较，若Vce低于保护门槛值，芯片7#管脚OVC信号输出正常，反之则OVC输出过流故障信号，锁定门极信号，实现过流关断功能，保护元件不被过电流击穿。其中过流关断为软关断，以避免关断过快导致的元件过压。具体地，如图6所示，在接收到OVC的故障信号后，经过滤波处理，发出关断指令。此时门极电压不会立刻变为关断电压，门极开通信号将保持几个微秒。然后门极电压降为额定值的2/3并保持几个微秒（门极电压的降低会相应减小元件电流），在门极开通保持时间结束后，门极电压下降为关断电压，元件关断。通过分级降低门极电压实现的软关断可以有效抑制元件的关断过压，避免在大电流情况下过快关断元件导致元件损坏。
如图7所示，检测单元3包括过压箝位电路，用于在IGBT元件过压时吸收过压尖峰能量。当IGBT元件C、E之间出现过压时，瞬态抑制二极管Z1将被击穿并迅速吸收过压尖峰能量，实现过压箝位功能。其中Z1由数个瞬态抑制二极管串联而成，保证过压尖峰在二极管耐受极限内，尖峰消失后二极管又可恢复正常工作状态。
另外，本实施例的驱动器具有内外互联保护功能：内驱动单元2和外驱动单元1通过光纤相互通信，且始终保证内侧IGBT元件先于外侧IGBT元件导通而后于外侧IGBT元件关断。如图4所示，在出现故障时，若内驱动单元2故障，故障信号将传递给外驱动单元1，外驱动单元1将锁定并关断外侧IGBT元件，同时反馈给内驱动单元2锁定信号，则内驱动单元也2将锁定并关断内侧IGBT元件；若外驱动单元1故障，则将直接关断外侧IGBT元件。故障逻辑同样保证了故障状态下内侧IGBT元件而后于外侧IGBT元件关断。
本发明还相应公开一种基于如上所述的三电平IGBT功率模块的驱动器的控制方法，其中内驱动单元2和外驱动单元1之间相互通讯，并分别控制对应的IGBT元件按通断逻辑进行通断，此通断逻辑为：内侧IGBT元件先于外侧IGBT元件导通；内侧IGBT元件后于外侧IGBT元件关断。本发明的控制方法充分考虑了外侧IGBT元件和内侧IGBT元件运行工况的差异性，更好的适应于驱动三电平IGBT功率模块中各元件，可靠性高。具体而言，考虑元件运行安全性、死区设置、关断情况下的续流回路等问题，三电平模块的动作时序遵循A1A2/A2A3/A3A4/A2A1的通断顺序（以图2示例），内侧IGBT元件始终先于外侧IGBT元件导通，后于其关断。该种动作时序可以有效避免器件因死区设置不当等而引起的桥臂导通，同时在外侧IGBT元件关断时，可利用内侧IGBT元件及二极管实现续流。针对此类差异，需对内外侧IGBT元件进行分别控制，并为内侧IGBT元件增设吸收回路。
本实施例中，当IGBT元件的管压降Vce大于预设值，判断IGBT元件为过流故障，外驱动单元1或内驱动单元2锁定对应IGBT元件的门极信号，具体控制过程参考驱动器中对保护电路的描述。
本实施例中，在IGBT元件过流故障时，外驱动单元1或内驱动单元2分级降低门极电压以实现软关断，具体控制过程参考驱动器中对软关断的描述。
本实施例中，外驱动单元1和内驱动单元2通过光纤进行通讯，并在外驱动单元1或内驱动单元2故障时，IGBT元件按正常的通断逻辑进行关断。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三电平IGBT功率模块的驱动器，其特征在于，包括对应于三电平IGBT功率模块外侧IGBT元件的外驱动单元（1）、对应于三电平IGBT功率模块内侧IGBT元件的内驱动单元（2），所述外驱动单元（1）与所述内驱动单元（2）之间通讯相连；所述外驱动单元（1）和内驱动单元（2）均对应设置有检测单元（3），并通过对应的检测单元（3）与对应的IGBT元件信号相连。
2.根据权利要求1所述的三电平IGBT功率模块的驱动器，其特征在于，所述外驱动单元（1）和内驱动单元（2）均包括电源模块（11）、逻辑处理模块（12）、驱动模块（13）和通讯模块，所述电源模块（11）与所述逻辑处理模块（12）和驱动模块（13）相连、用于提供电源；所述逻辑处理模块（12）经通讯模块与传动控制单元进行通讯连接；所述逻辑处理模块（12）经驱动模块（13）与对应的检测单元（3）相连以发送驱动信号；所述检测单元（3）与所述逻辑处理模块（12）相连、用于对相应IGBT元件进行检测并将检测信号发送至逻辑处理模块（12）进行故障监控。
3.根据权利要求2所述的三电平IGBT功率模块的驱动器，其特征在于，所述通讯模块包括第一通讯接口和第二通讯接口，所述第一通讯接口用于与传动控制单元进行通讯；所述外驱动单元（1）与内驱动单元（2）之间通过第二通讯接口通讯连接。
4.根据权利要求2所述的三电平IGBT功率模块的驱动器，其特征在于，所述电源模块（11）包括变压器和整流电路，所述变压器分别与外部电源和整流电路相连。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的三电平IGBT功率模块的驱动器，其特征在于，所述检测单元（3）包括过压箝位电路，用于在IGBT元件过压时吸收过压尖峰能量。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的三电平IGBT功率模块的驱动器，其特征在于，所述外驱动单元（1）和内驱动单元（2）均包括过流关断电路，用于在IGBT元件的管压降大于预设值时锁定IGBT元件的门极信号以避免过电流击穿。
7.一种基于权利要求1至6中任意一项所述的三电平IGBT功率模块的驱动器的控制方法，其特征在于，所述内驱动单元（2）和外驱动单元（1）之间相互通讯，并分别控制对应的IGBT元件按通断逻辑进行通断，此通断逻辑为：内侧IGBT元件先于外侧IGBT元件导通；内侧IGBT元件后于外侧IGBT元件关断。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，当IGBT元件的管压降Vce大于预设值，判断所述IGBT元件为过流故障，所述外驱动单元（1）或内驱动单元（2）锁定对应IGBT元件的门极信号。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在所述IGBT元件过流故障时，所述外驱动单元（1）或内驱动单元（2）分级降低门极电压以实现软关断。
10.根据权利要求7至9中任意一项所述的控制方法，其特征在于，所述外驱动单元（1）和内驱动单元（2）通过光纤进行通讯，并在外驱动单元（1）或内驱动单元（2）故障时，IGBT元件按正常的通断逻辑进行关断。
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