CN107404216B - 通用型大功率igbt驱动控制器与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种通用型大功率IGBT驱动控制器与控制方法，将GDU上电，利用上级DCU对可编程逻辑器件进行配置；CPLD将上级DCU预设的指令和用户操作指令发送至FPGA，由FPGA进行预设和处理。GDU通过光纤接收上级DCU发出的脉冲信号，在自检通过的前提下根据脉冲信号驱动控制IGBT动作，并实时监测IGBT各极电压，并实时反馈，监测对象出现异常时，由故障监测模块进行故障判定并利用指示灯报警，同时通过光纤向上级反馈故障。本发明针对现有的IGBT门极驱动控制电路，不能支持高层次逻辑设计，无法同时控制各种类型IGBT等多种问题，提出一种能够适用于多种IGBT的通用性、实现灵活编程控制的驱动控制器以及相应的控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及IGBT控制技术领域，特别涉及一种通用型大功率IGBT驱动控制器与控制方法。
背景技术
牵引系统中，VVVF逆变及斩波的控制多由高功率晶体管模块IGBT的通断来完成，因 而IGBT在这一系统中起着关键性作用。高效的控制及监视IGBT的状态必然成为整个牵引 系统中的极为关键的一个部分。
门极驱动单元(Gate Drive Unit，后简称GDU)，是一种用以驱动控制大功率IGBT晶体管的可编程印制电路板，在牵引控制系统中有着广泛的应用。在过去的10年里，国内外动车、地铁车辆的牵引控制系统中所使用的几家主流的品牌，有BOMBARDIER、SIEMENS、ALSTOM。此类公司的产品凭借其成熟的技术，稳定的性能及在业内深远的影响占据了主要市场。
然而近年来，国内外现用车辆上使用的牵引控制设备部分部件已相继达到其设计使用 寿命，尤其是直接关联IGBT大功率负载的GDU模块，此类部件原本就是高故障率高易损率 的产品，近年来更是迎来大规模的老化、损坏而必须更换的局面。然而其原装品牌(如BOMBARDIER)提供的备用部件供货周期长，价格高，且就该部件而言只有售前服务没有售后技术支持。由于国内外相关客户近年来对此方面技术的认知的不断提高，对相关技术都有一定的了解，对其关键组成元件的熟悉，认为该GDU部件的集成度有限，其成本和销售 价格比差过大，进口价格过高，周期过长，且期望在GDU故障、损坏时能够自主提供技术 支持，在不影响基本性能的情况下能够进行维修或提供改善建议，而对于这些需求原装进 口就不能达到。
申请人在先申请的一篇专利号为201510035566.2的专利中已经提出一种门极驱动电 路板、门极驱动单元及其驱动方法，通过设置CPLD主控芯片，对门极驱动单元进行可编程 逻辑驱动控制，实现对IGBT的开关控制，虽然能利用CPLD这类可编程逻辑芯片，进行程 序设计进而实现控制IGBT的目的，但是由于CPLD本身结构的局限性，例如寄存器数量较少，缺乏编辑灵活性；CPLD结构简单不支持高层次逻辑设计，例如不能支持随着系统升级进行动态配置等。更不方便的是，在先申请的发明在使用时，GDU在调试时需要拆下来， 进行程序的配置，使用非常不方便。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述的技术缺陷之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种通用型大功率IGBT驱动控制器与控制方法， 针对现有的IGBT门极驱动控制电路，不能支持高层次逻辑设计，无法同时控制各种类型IGBT等多种问题，提出一种能够适用于多种IGBT的通用性、实现灵活编程控制的 驱动控制器以及相应的控制方法。
为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种通用型大功率IGBT驱动控制方 法，以下步骤：
步骤S1、设置门极驱动单元GDU与IGBT和上级DCU连接，控制门极驱动单元GDU上电， 所有信号复位，GDU进行自检并保持关闭状态；所述GDU的电源模块进行电压转换，包括将接入所述GDU的外部电压转换成后续连接的多个逻辑器件所需的工作电压及IGBT的驱动控制电压；
步骤S2、所述上级DCU通过光纤接口发送控制指令至GDU，其中，控制指令发送至GDU 的CPLD控制芯片；所述CPLD控制芯片首先读取内置的EEPROM中保存的上次设定的监控阈 值；其中所述监控阈值至少包括频率、脉宽和延时值；再扫描控制指令，并读取本次的控制指令设定的频率、脉宽和延时值，将上次设定和本次读取的对应数值均发送至GDU的FPGA芯片；对所述FPGA芯片进行初始配置和工作状态中的实时配置；通过光纤端口与上级DCU进行数据通讯，可实现远程软件维护，进行批量化数据更新和参数修改；避免了在复杂的现场环境中进行人工操作可能造成的不利影响，降低了大规模数据维护的成本，提高了整个系统工作的安全性能。
所述FPGA芯片设定监控阈值至比较器模块实时监测IGBT的同时执行本次控制指令， 并产生PWM脉冲信号，利用该信号控制IGBT的开通与关断；
其中，所述GDU的高压分压模块连接多种电压级的IGBT集电极，所述高压分压模块按 比例缩小集电极与发射极之间的电压差以确定每个IGBT的工作状态；
步骤S3、设置GDU的短路保护功能，包括：通过GDU监测每个IGBT的门极电流，判断门极和发射极电压是否达到饱和，以根据饱和状态控制相应IGBT的开通与关断；
步骤S4、设置GDU的故障检测功能，包括：监测步骤2和3中所有操作是否达到GDU的预设指标，以及IGBT各项参数性能，当监测到发生过压、过流故障时及时发出故障信号、关断IGBT并指示报错；
步骤S5、所述GDU将故障信号反馈至上级驱动控制单元DCU，并关闭发生故障的IGBT， 直到故障排查移除；GDU进行自检自恢复，所有信号复位，保持关闭状态，并在故障移除 后进行自检，确认各功能状态正常后自动复位进入正常工作模式。
优选的，在步骤S1至步骤S4中，所述GDU实时监测IGBT各项参数性能，包括：GDU 自检完成后由关闭状态进入等待模式后进行故障检测；
所述故障检测对以下参数或状态进行逐一监测，具体包括以下步骤，首先检测IGBT是 否成功接收到FPGA控制芯片的开通信号；第二步，检测IGBT门极电压是否高于阈值电压； 第三步，检测IGBT的续流何必短路保护模块是否正常；第四步，检测门极电流是否锁定； 第五步，检测IGBT集电极-发射极VCE之间电压差是否正常降低到标准值；第六步，检测门极电流是否锁定；最后，检测IGBT集电极-发射极之间电压差VCE达到饱和导通，即开 通IGBT；如果任意时刻检测到上述任意一步的检测结果为否即进行故障反馈，IGBT立即关断。
优选的，在IGBT的关断状态下，按照如下步骤逐一检测，首先检测FPGA是否接收到关断信号；第二步，检测门极电流是否开通；第三步，检测IGBT集电极-发射极之间电压 差VCE是否高于饱和压降；第四步，检测IGBT集电极-发射极之间电压差VCE是否正常上 升至标准值；第五步，检测IGBT的续流和短路保护是否正常；第六步，检测门极电压是否 低于阈值电压，如果上述步骤检测结果均为是，则维持IGBT关断状态；如果任意时刻检测 到上述任意一步的检测结果为否即进行故障排除反馈，所有信号复位，GDU进入等待模式。
优选的，步骤S2中，所述高压分压模块设有过压保护功能，用于监控IGBT是否过压， 如果过压则立即关断IGBT并锁定开信号，以使得所述IGBT进行等待模式，且所述GDU进行自检模式，直到过压移除后延时，恢复GDU正常工作状态，并进而由所述GDU控制所述IGBT的工作。
优选的，还包括如下步骤：设置LED指示灯，通过所述LED指示灯的显示状态的变化， 指示所述GDU的工作状态是否正常。
本发明还提供一种通用型大功率IGBT驱动控制器，包括GDU和与GDU相连接的上级DCU；所述GDU包括电源模块、门极驱动模块和检测保护模块；
所述电源模块包括初级低压单元和次级高压单元；所述初级低压单元通过隔离驱动变 压器连接次级高压单元；所述电源模块用于进行电压转换，包括将接入所述GDU的外部电 压转换成后续连接的多个逻辑器件所需的工作电压及IGBT的驱动控制电压；
所述门极驱动模块包括CPLD控制芯片、FPGA控制芯片、高压分压模块；所述门极驱动 模块用于GDU上电，通过光纤接收上级DCU发送的控制指令；
其中，包括所述CPLD控制芯片用于读取内置的EEPROM中保存的上次设定的监控阈值， 其中，所述监控阈值包括频率、脉宽和延时值；再扫描控制指令，并读取本次的控制指令 设定的频率、脉宽和延时值，将上次设定和本次读取的对应数值GDU的FPGA芯片；对所述FPGA芯片进行初始配置和工作状态中的实时配置；通过光纤接收上级DCU发送的控制指令，进行远程维护，并对GDU进行批量化数据更新和参数修改；所述FPGA芯片执行本次控 制指令和上次控制指令，并产生PWM脉冲信号，利用该信号控制IGBT的开通与关断；
所述GDU的高压分压模块，连接多种电压级的IGBT集电极，所述高压分压模块用于按 比例缩小集电极与发射极之间的电压差；并确定每个IGBT工作状态；
所述GDU上还设有短路保护模块，故障检测模块和自检恢复模块；所述短路保护模块 用于通过GDU监测每个IGBT的门极电流，判断门极和发射极电压是否达到饱和，以根据饱 和状态控制相应IGBT的开通与关断；
所述故障检测模块用于实时检测GDU的预设指标，以及IGBT各项参数性能；当监测到 发生过压、过流故障时及时发出故障信号、关断IGBT并指示报错；
所述自检恢复模块用于将故障信号反馈至上级驱动控制单元DCU，并关闭发生故障的 IGBT，直到故障排查移除；GDU进行自检自恢复，所有信号复位，保持关闭状态，并在故障移除后进行自检，确认各功能状态正常后自动复位进入正常工作模式。
优选的，所述故障检测模块对以下项目进行逐一监测，每一项参数或状态均符合预设 配置后IGBT导通，任意一项参数或状态不符合预设配置即进行故障反馈；
其中，所述检测项目包括：检测IGBT是否成功接收到FPGA控制芯片的开通信号；检测IGBT门极电压是否高于阈值电压；检测续流何必短路保护模块是否正常；检测门极电 流是否锁定；检测IGBT集电极-发射极之间电压差VCE是否正常降低到标准值；监测门极 电流是否锁定；监测IGBT集电极-发射极之间电压差VCE是否达到饱和导通；达到饱和导 通，即开通IGBT；如果任意时刻检测到上述任意一步的检测结果为否即进行故障反馈，IGBT 立即关断。
优选的，在IGBT的关断状态下，所述故障检测模块对以下检测项目进行逐一监测，每 一项参数或状态均符合预设配置后IGBT继续关断，任意一项参数或状态不符合预设配置 即进行故障移除反馈；所有信号复位，GDU进入等待模式；
所述检测项目包括FPGA是否接收到关断信号；检测门极电流是否开通；检测IGBT集 电极-发射极之间电压差VCE是否高于饱和压降；检测IGBT集电极-发射极之间电压差VCE 是否正常上升至标准值；检测IGBT的续流和短路保护是否正常；检测门极电压是否低于阈 值电压，如果上述步骤检测结果均为是，则维持IGBT关断状态；如果任意时刻检测到上述 任意一步的检测结果为否即进行故障排除反馈，
优选的，所述高压分压模块设有过压保护模块，所述过压保护模块用于监控IGBT是否 过压，立即关断IGBT并锁定开信号，直到过压移除后延时，恢复GDU正常工作状态。
优选的，还包括所述短路保护模块和故障检测模块连接LED指示灯模块，所述LED指 示灯模块用于通过LED指示灯的显示状态的变化，指示GDU各个模块的工作状态是否正常。
根据本发明实施例的提供的一种通用型大功率IGBT驱动控制器与控制方法，相比于传 统的IGBT驱动控制装置，至少具有以下优点：
1、通过CPLD与FPGA的结合，可以直接进行在线控制指令更改，无需拆解；通过光纤端口与上级DCU进行数据通讯，可实现远程软件维护，进行批量化数据更新和参数修改； 避免了在复杂的现场环境中进行人工操作可能造成的不利影响，降低了大规模数据维护的成本，提高了整个系统工作的安全性能。
2、不仅具备基础的开关控制和故障反馈功能，在CPLD和FPGA之间设置SPI FLASH的 FLASH芯片，扩大了CPLD的的存储空间，同时都能过用户修改程序或进行新的控制指令配 置时，直接在FLASH芯片中进行，减少了FPGA芯片的擦除次数，延长使用寿命；
3、利用本发明提供的通用型IGBT驱动控制器避免了在复杂的现场环境中进行人工操 作可能造成的不利影响，降低了大规模数据维护的成本，提高了整个系统工作的安全性。
4、单独使用CPLD不足以实现IGBT驱动控制的通用型，提升可编程逻辑器件的灵活性， 简化电路结构、增强高速，高密度的高端数字逻辑电路设计是IGBT驱动控制方向继续解决 的问题
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解，其中：
图1为本发明一种通用型大功率IGBT驱动控制方法的流程图；
图2为本发明一种通用型大功率IGBT驱动控制器的示意图；
图3为本发明一种通用型大功率IGBT驱动控制器的电路连接示意图；
图4为本发明一种通用型大功率IGBT驱动控制器的电路故障检测模块流程图；
图5为本发明一种通用型大功率IGBT驱动控制器的与IGBT的连接示意图；
图6为本发明一种通用型大功率IGBT驱动控制器的应用范围示意图；
图7为本发明一种通用型大功率IGBT驱动控制器的生产工艺流程图
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的一种通用型大功率IGBT驱动控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、设置门极驱动单元GDU与IGBT和上级DCU连接，控制门极驱动单元GDU上电， 所有信号复位，GDU进行自检并保持关闭状态；GDU的电源模块进行电压转换，包括将接入 GDU的外部电压转换成后续连接的多个逻辑器件所需的工作电压及IGBT的驱动控制电压。
步骤S2、上级DCU通过光纤接口发送控制指令至GDU，其中，控制指令发送至GDU的CPLD控制芯片；CPLD控制芯片首先读取内置的EEPROM中保存的上次设定的频率、脉宽和 延时值；再扫描控制指令，并读取本次的控制指令设定的频率、脉宽和延时值，将上次设 定和本次设定的对应数值均发送至外置的FLASH芯片，并由外置的FLASH芯片转发至GDU 的FPGA芯片；对FPGA芯片进行初始配置和工作状态中的实时配置。
FPGA芯片执行本次控制指令和上次控制指令，并产生PWM脉冲信号，利用该信号控制 IGBT的开通与关断。
其中，GDU的高压分压模块连接多种电压级的IGBT集电极，高压分压模块按比例缩小 集电极与发射极之间的电压差以确定每个IGBT的工作状态。
步骤S3、设置短路保护模块，通过监测IGBT的门极电流，判断门极和发射极电压是否达到饱和，控制IGBT的开通与关断；GDU上还设有短路保护模块，故障检测模块和自 检恢复模块；短路保护模块用于通过监测IGBT的门极电流，判断门极和发射极电压是否达 到饱和，控制IGBT的开通与关断；具体地，X2对应连接IGBT门极和发射极，用于启动和 关断IGBT的同时监控门射极电流IGE不超过290mA，监测IGBT的Emain＝>Ekelvin的电 流变化dIC/dt不超过5kA/ms，电压变化量不超过150V。超过即判定为短路进入保护状态， 关断IGBT的同时锁定开信号，直到故障移除，电流监测值在正常范围内，GDU恢复正常工 作状态。
步骤S4、设置故障检测模块，故障检测模块用于检测上述步骤2-3中所有操作是否达 到GDU的预设指标，以及IGBT各项参数性能；发生过压、过流故障时及时关断IGBT并指示报错；在步骤S4中；故障检测模块对以下参数或状态进行逐一监测，每一项参数或状态均符合预设配置后IGBT导通，任意一项参数或状态不符合预设配置即进行故障反馈；其 中包括检测IGBT是否成功接收到FPGA控制芯片的开通信号；检测IGBT门极电压是否高 于阈值电压；检测续流何必短路保护模块是否正常；检测门极电流是否锁定；检测IGBT集 电极-发射极之间电压差VCE是否正常降低到标准值；具体为监测门极电流是否锁定；监测 IGBT集电极-发射极之间电压差VCE是否达到饱和导通。
步骤S5、故障时信号反馈至上级DCU，并锁定启动信号，直到故障排查移除；GDU进行自检自恢复，所有信号复位，保持关态，故障移除后进行自检，确认各功能状态正常后 自动复位进入正常工作状态；进入正常工作模式。
还包括短路保护模块和故障检测模块连接LED指示灯模块，LED指示灯模块用于通过LED指示灯的显示状态的变化，指示GDU各个模块的工作状态是否正常。LED指示灯显 示状态包括颜色切换和状态切换；颜色切换为至少两种LED颜色用于显示；状态切换包括， 每种颜色的LED灯至少设有常亮和闪烁两种状态。
如图2所示，本发明的另一个实施例还提供一种通用型大功率IGBT驱动控制器，包括 GDU和与GDU相连接的上级DCU；GDU包括电源模块、门极驱动模块和检测保护模块。
电源模块包括初级低压单元和次级高压单元；初级低压单元通过隔离驱动变压器连接 次级高压单元；电源模块用于进行电压转换，包括将外部电压转换成各逻辑器件所需的工 作电压及IGBT的驱动控制电压；图中靠近初级低压单元的X1接口连接24V电源电压；X2 接口连接IGBT门极和发射极；X3接口连接不同电压等级的IGBT集电极；右上角的光纤接收接口OFR连接上级DCUIGBT开关信号；光纤发送接口OFT连接上级DCU反馈GDU故障反馈 信号；X7，X12，X14为CPLD程序下载接口和测试接口；连接CPLD控制管脚。
利用驱动变压器初次级隔离，经过多路电源转换芯片二次转化成各逻辑器件所需的 +3.3V，+5V，+17V和±15V及IGBT的驱动控制电压。对于转换后的电压具备电源自检功能。当外部直流供电电压在18～21V范围内即可进入正常工作状态，当各电源电位保持在正常电位时电路正常工作并对IGBT进行驱动控制。若电源自检不通过，有故障指示功能并锁定IGBT开关状态直到电源故障移除后自恢复进入正常工作模式。
如图3所示，门极驱动模块包括CPLD控制芯片、FPGA控制芯片、高压分压模块；门极驱动模块用于GDU上电，通过光纤接收上级DCU发送的控制指令；其中，包括CPLD控制芯 片读取EEPROM中对应保存的频率、脉冲和延时储存在EEPROM中的上次设定值；CPLD控制 芯片扫描控制指令，判断控制指令的类别是频率、脉宽还是延时，控制指令和预设控制指 令通过FLASH芯片一同发送至FPGA芯片；对FPGA芯片进行初始配置和工作状态中的实时 配置；
FPGA芯片执行控制指令和预设控制指令产生PWM脉冲信号，利用该信号控制IGBT的 开通与关断；
GDU的高压分压模块，连接不同电压级的IGBT集电极，高压分压模块用于按比例缩小 集电极与发射极之间的电压差；并确定IGBT工作状态；高压分压模块设有过压保护模块， 过压保护模块用于监控IGBT是否过压，立即关断IGBT并锁定开信号，直到过压移除后延 时，恢复GDU正常工作状态。通过分压电路按比例缩小VCE并实时监控，确定IGBT共工作状态及正常与否。并且该部分电路设有过压保护功能，监控IGBT过压时会立即关断IGBT 并锁定开信号，直到过压移除后延时3～4秒恢复GDU正常工作状态。并且该组件通过低压24VDC给IGBT预充电，确保开关时的速率，减小损耗。该功能直接关联的IGBT接线端子 X3，根据不同规格型号的IGBT选择不同的电压级接线方式，根据电压级X3:1＝>750VDC， X3:2＝>NC，X3:3＝>1500VDC，X3:4＝>1800DC正确连接配置。该功能配置单独设计 的高压分压模块，该分压板采用基材S1141代替原进口陶瓷板方式，配置特质高精度大功 率电阻完成电路配置，在功能上达到原装方式要求，在性能上高于原装设计，更精确及时 的监控IGBT状态。且采用基材S1141制成的高压分压板(即，高压分压模块)替代原装陶 瓷板工艺上方便处理，从而使得成本上得到进一步控制。
GDU上还设有短路保护模块，故障检测模块和自检恢复模块；短路保护模块用于通过 监测IGBT的门极电流，判断门极和发射极电压是否达到饱和，控制IGBT的开通与关断；具体地，X2对应连接IGBT门极和发射极，用于启动和关断IGBT的同时监控门射极电流IGE不超过290mA，监测IGBT的Emain＝>Ekelvin的电流变化dIC/dt不超过5kA/ms，电压变 化量不超过150V。超过即判定为短路进入保护状态，关断IGBT的同时锁定开信号，直到 故障移除，电流监测值在正常范围内，GDU恢复正常工作状态。
如图4所示，故障检测模块用于检测所有操作是否达到GDU的预设指标，以及IGBT各 项参数性能；发生过压、过流故障时及时关断IGBT并指示报错；故障检测模块对以下参数 或状态进行逐一监测，每一项参数或状态均符合预设配置后IGBT导通，任意一项参数或状态不符合预设配置即进行故障反馈；其中包括：检测IGBT是否成功接收到FPGA控制芯 片的开通信号；检测IGBT门极电压是否高于阈值电压；检测续流何必短路保护模块是否 正常；检测门极电流是否锁定；检测IGBT集电极-发射极之间电压差VCE是否正常降低到 标准值；监测门极电流是否锁定；监测IGBT集电极-发射极之间电压差VCE是否达到饱和 导通。
故障检测模块还包括监测外部连接:GDU启动工作时，GDU与外部IGBT关联的端子X2、 X3的状态皆实时监测，当出现连接错误或短路等情况时皆会通过红色LED闪烁进行故障报 错，待检修并改正后恢复正常工作模式。
还包括光纤启动及故障反馈：光纤接收接口可接收来自于上级DCU的启动信号，自检 正常状态下根据控制信号开关IGBT。光纤发射接口作用是向上级DCU反馈故障信号，在正 常工作时不反馈，故障状态时向上级DCU给予光信号，此接口功能是故障反馈专用。
自检恢复模块用于故障信号反馈至上级DCU，并锁定启动信号，直到故障排查移除；GDU 进行自检自恢复，所有信号复位，保持关态，故障移除后进行自检，确认各功能状态正常 后自动复位进入正常工作状态；进入正常工作模式；
在GDU中，还包括短路保护模块和故障检测模块连接LED指示灯模块，LED指示灯模块 用于通过LED指示灯的显示状态的变化，指示GDU各个模块的工作状态是否正常。LED指示灯显示状态包括颜色切换和状态切换；颜色切换为至少两种LED颜色用于显示；状态切换包括，每种颜色的LED灯至少设有常亮和闪烁两种状态。
LED指示灯的具体显示方案包括并不限于下表1所列出的形式。
表1
本发明实施例提供的GDU的各项技术指标符合如下规格
1、供电电压+24V DC+5％,-10％；
2、供电要求电源功率5-10W，具体值取决于IGBT的开关频率及使用的CPLD程序。驱动板以直流24.0V供电时的静态(无ON/OFF驱动信号)电流及功率如下：
P＝24Vx170mA＝4W示例，GDU以24.0V供电且正常驱动IGBT：
1200A；1700V(厂家Infineon)的IGBT，工作频率3kHz，P＝24Vx345mA＝8.3W
1200A；1700V(厂家Infineon)的IGBT，工作频率2kHz，P＝24Vx290mA＝7.0W
1200A；1700V(厂家Infineon)的IGBT，工作频率1kHz，P＝24Vx230mA＝5.6W
3、变压器绝缘耐压：隔离变压器初次级绝缘耐压等级：7.4kV rms.50/60Hz 10s
4、GBT型号范围适用范围：IC＝300A-2400A,VCEmax＝3300V通过更改CPLD软件 配置程序匹配各型号IGBT。
5、环境参考标准EN50155:2007-40到+70℃,低温、干热、湿热等循环试验+85℃10分钟试验。
6、EMC符合标准EN50155:2007
7、震动冲击参考标准EN50155:200730m/s2,50ms(X,Y,Z)
如图5所示，本发明的一个实施例中提供如图所示的的GDU和IGBT电路连接原理图； GUD一端与IGBT的门极、集电极和发射级相连接；输入端连接上级DCU和上级DCU；通过DCU进行IGBT关断信号的反馈和GDU自检信号反馈；接受上级DCU指令进行逻辑控制指令 的修改。
如图6所示为本发明通用型大功率IGBT驱动控制即本GDU的使用示意图，本发明在使 用中能适用于较大IC范围的IGBT即300A、400A、600A、800A、1200A、1600A、1800A、 2400A均可；能适用于多种转换包括但不限于线路转换、电机转换、辅助转换、电源转换、 DC-斩波转换等。
如图7所示，本发明实施例中还提供如下生产工艺流程，制版，配料，表贴，组装，上电测试，喷漆防护，成品检测，包装入库；形成成品实际平面固定安装.
检查确认各部分完整正确，按照组装流程将各组件组装完成如图所示的成品，根据测 试指导完成成品测试并确认质检，合格后包装入库完成整个生产过程。
本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体 示例”或“一些示例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者 特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述 不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在 任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况 下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所 附权利要求及其同限定。
Claims (10)
1.一种通用型大功率IGBT驱动控制方法，其特征在于，以下步骤：
步骤S1、设置门极驱动单元GDU与IGBT和上级DCU连接，控制门极驱动单元GDU上电，所有信号复位，GDU进行自检并保持关闭状态；所述GDU的电源模块进行电压转换，包括将接入所述GDU的外部电压转换成后续连接的多个逻辑器件所需的工作电压及IGBT的驱动控制电压；
步骤S2、所述上级DCU通过光纤接口发送控制指令至GDU，所述上级DCU用于远程维护，并对GDU进行批量化数据更新和参数修改；其中，控制指令发送至GDU的CPLD控制芯片；所述CPLD控制芯片首先读取内置的EEPROM中保存的上次设定的监控阈值；其中所述监控阈值至少包括频率、脉宽和延时值；再扫描控制指令，并读取本次的控制指令设定的频率、脉宽和延时值，将上次设定和本次读取的对应数值均发送至GDU的FPGA芯片；对所述FPGA芯片进行初始配置和工作状态中的实时配置；
所述FPGA芯片设定监控阈值至比较器模块，实时监测IGBT，执行本次控制指令和上次控制指令，并产生PWM脉冲信号，利用该信号控制IGBT的开通与关断；
其中，所述GDU的高压分压模块连接多种电压级的IGBT集电极，所述高压分压模块按比例缩小集电极与发射极之间的电压差以确定每个IGBT的工作状态；
步骤S3、设置GDU的短路保护功能，包括：通过GDU监测每个IGBT的门极电流，判断门极和发射极电压是否达到饱和，以根据饱和状态控制相应IGBT的开通与关断；
步骤S4、设置GDU的故障检测功能，包括：监测步骤S2和S3中所有操作是否达到GDU的预设指标，以及IGBT各项参数性能，当监测到发生过压、过流故障时及时发出故障信号、关断IGBT并指示报错；
步骤S5、所述GDU将故障信号反馈至上级驱动控制单元DCU，并关闭发生故障的IGBT，直到故障排查移除；GDU进行自检自恢复，所有信号复位，保持关闭状态，并在故障移除后进行自检，确认各功能状态正常后自动复位进入正常工作模式。
2.根据权利要求1所述的通用型大功率IGBT驱动控制方法，其特征在于，在步骤S1至步骤S4中，所述GDU实时监测IGBT各项参数性能，包括：GDU自检完成后由关闭状态进入等待模式后进行故障检测；
所述故障检测对以下参数或状态进行逐一监测，具体包括以下步骤，首先检测IGBT是否成功接收到FPGA控制芯片的开通信号；第二步，检测IGBT门极电压是否高于阈值电压；第三步，检测IGBT的续流和短路保护模块是否正常；第四步，检测门极电流是否锁定；第五步，检测IGBT集电极-发射极之间电压差是否正常降低到预设值；第六步，检测门极电流是否锁定；最后，检测IGBT集电极-发射极之间电压差达到饱和导通，即开通IGBT；如果任意时刻检测到上述任意一步的检测结果为否即进行故障反馈，IGBT立即关断。
3.根据权利要求2所述的通用型大功率IGBT驱动控制方法，其特征在于，在IGBT的关断状态下，按照如下步骤逐一检测，首先检测FPGA是否接收到关断信号；第二步，检测门极电流是否开通；第三步，检测IGBT集电极-发射极之间电压差是否高于饱和压降；第四步，检测IGBT集电极-发射极之间电压差是否正常上升至预设值；第五步，检测IGBT的续流和短路保护是否正常；第六步，检测门极电压是否低于阈值电压，如果上述步骤检测结果均为是，则维持IGBT关断状态；如果任意时刻检测到上述任意一步的检测结果为否即进行故障排除反馈，所有信号复位，GDU进入等待模式。
4.根据权利要求1所述的通用型大功率IGBT驱动控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述高压分压模块设有过压保护功能，用于监控IGBT是否过压，如果过压则立即关断IGBT并锁定开信号，以使得所述IGBT进行等待模式，且所述GDU进行自检模式，直到过压移除后延时，恢复GDU正常工作状态，并进而由所述GDU控制所述IGBT的工作。
5.根据权利要求1所述的通用型大功率IGBT驱动控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：设置LED指示灯，通过所述LED指示灯的显示状态的变化，指示所述GDU的工作状态是否正常。
6.一种通用型大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，包括门极驱动单元GDU和与GDU相连接的上级DCU；所述GDU包括电源模块、门极驱动模块和检测保护模块；
所述电源模块包括初级低压单元和次级高压单元；所述初级低压单元通过隔离驱动变压器连接次级高压单元；所述电源模块用于进行电压转换，包括将接入所述GDU的外部电压转换成后续连接的多个逻辑器件所需的工作电压及IGBT的驱动控制电压；
所述门极驱动模块包括CPLD控制芯片、FPGA控制芯片、高压分压模块；所述门极驱动模块用于GDU上电，通过光纤接收上级DCU发送的控制指令，进行远程维护，并对GDU进行批量化数据更新和参数修改；
其中，所述CPLD控制芯片用于读取内置的EEPROM中保存的，上次设定的监控阈值，其中，所述监控阈值至少包括频率、脉宽和延时值；再扫描控制指令，并读取本次的控制指令设定的频率、脉宽和延时值，将上次设定和本次读取的对应数值均发送至GDU的FPGA芯片；对所述FPGA芯片进行初始配置和工作状态中的实时配置；
所述FPGA芯片设定监控阈值至比较器模块，实时监测IGBT的同时执行本次控制指令，并产生PWM脉冲信号，利用该信号控制IGBT的开通与关断；
所述GDU的高压分压模块，连接多种电压级的IGBT集电极，所述高压分压模块用于按比例缩小集电极与发射极之间的电压差；并确定每个IGBT工作状态；
所述GDU上还设有短路保护模块，故障检测模块和自检恢复模块；所述短路保护模块用于通过GDU监测每个IGBT的门极电流，判断门极和发射极电压是否达到饱和，以根据饱和状态控制相应IGBT的开通与关断；
所述故障检测模块用于实时检测GDU的预设指标，以及IGBT各项参数性能；当监测到发生过压、过流故障时及时发出故障信号、关断IGBT并指示报错；
所述自检恢复模块用于将故障信号反馈至上级驱动控制单元DCU，并关闭发生故障的IGBT，直到故障排查移除；GDU进行自检自恢复，所有信号复位，保持关闭状态，并在故障移除后进行自检，确认各功能状态正常后自动复位进入正常工作模式。
7.根据权利要求6所述的通用型大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，
所述故障检测模块对以下项目进行逐一监测，每一项参数或状态均符合预设配置后IGBT导通，任意一项参数或状态不符合预设配置即进行故障反馈；
其中，所述检测项目包括：检测IGBT是否成功接收到FPGA控制芯片的开通信号；检测IGBT门极电压是否高于阈值电压；检测续流和短路保护模块是否正常；检测门极电流是否锁定；检测IGBT集电极-发射极之间电压差是否正常降低到标准值；监测门极电流是否锁定；检测IGBT集电极-发射极之间电压差是否达到饱和导通；达到饱和导通，即开通IGBT；如果任意时刻检测到上述任意一项检测项目的检测结果为否即进行故障反馈，IGBT立即关断。
8.根据权利要求6所述的通用型大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，在IGBT的关断状态下，所述故障检测模块对以下检测项目进行逐一监测，每一项参数或状态均符合预设配置后IGBT继续关断，任意一项参数或状态不符合预设配置即进行故障移除反馈；所有信号复位，GDU进入等待模式；
所述检测项目包括FPGA是否接收到关断信号；检测门极电流是否开通；检测IGBT集电极-发射极之间电压差是否高于饱和压降；检测IGBT集电极-发射极之间电压差是否正常上升至标准值；检测IGBT的续流和短路保护是否正常；检测门极电压是否低于阈值电压，如果所有检测项目的检测结果均为是，则维持IGBT关断状态；如果任意时刻检测到上述任意一项检测项目的检测结果为否即进行故障排除反馈。
9.根据权利要求6所述的通用型大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，所述高压分压模块设有过压保护模块，所述过压保护模块用于监控IGBT是否过压，如果过压，则立即关断IGBT并锁定开信号，直到过压移除后延时，恢复GDU正常工作状态。
10.根据权利要求6所述的通用型大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，还包括：与所述短路保护模块和故障检测模块连接的LED指示灯模块，所述LED指示灯模块用于通过LED指示灯的显示状态的变化，指示GDU各个模块的工作状态是否正常。
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