CN107483034B - 大功率igbt驱动控制器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种大功率IGBT驱动控制器及控制方法包括驱动分配板、门极板和电源转换模块；所述驱动分配板上设有隔离单元、逻辑控制单元、驱动放大单元和驱动分配单元；所述门极板至少包括门极逆变板或门极斩波板；所述门极逆变板与IGBT的门极相连接；用于监测IGBT的电压监测信号，控制IGBT的开启与关断。将驱动板的低电压转换成IGBT的高压工作环境，同时实现高频调制；同时利用门极斩波板和门极逆变板的选配，能广泛适用于多种型号的IGBT。利用相应的隔离器件实现了对输入低压和输出高压的隔离保护，有效防止高低压信号之间极易产生的干扰谐波。在驱动分配板控制门极板驱动IGBT时，设置驱动延时，既能及时响应输入的PWM信号的同时要求该输出控制方式的一致性。

Description

大功率IGBT驱动控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及IGBT驱动控制技术领域，特别涉及一种大功率IGBT驱动控制器及控制方法。
背景技术
门极驱动单元模块GDU(Gate Drive Unit)，是轨道交通列车牵引变流器及辅助逆变器中的核心部件之一，是用于驱动控制IGBT晶体管有效及高频通断的可编程电子设备。其中关键的部件例如驱动分配板和门极斩波板，门极逆变板等，在过去的10年里，国内外动车、地铁等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等。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。该部件长期以来基本都依赖进口，采购周期长，成本高，技术上也受制于国外供应商。由于技术的垄断，最终客户急切希望找到国产的可替代产品，降低车辆的维护成本及故障处理的速度。
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大功率IGBT驱动控制器和控制方法；提供了一种能高效控制IGBT的GDU的驱动分配板和相应的门极逆变板和门极斩波板；以填补国内能在本行业技术上的空白，同时能有效的解决国内IGBT驱动控制方向存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种大功率IGBT驱动控制器，用于控制大功率IGBT，包括驱动分配板、门极板和电源转换模块；
所述电源转换模块包括初级低压单元和次级高压单元，所述初级低压单元和次级高压单元之间通过隔离驱动变压器连接；所述电源转换模块用于将输入电压转换成驱动分配板和门极板的工作电压，以驱动所述驱动分配板和门极板上电工作；
所述驱动分配板上设有隔离单元、逻辑控制单元、驱动放大单元、驱动分配单元和PWM信号发生器；所述驱动分配板的输入接口一端连接电源转换模块的输出端，所述驱动分配板输入接口的另一端连接所述隔离单元，所述隔离单元、逻辑控制单元、驱动放大单元和驱动分配单元依次相连接；所述驱动分配单元的输出端与门极板相连接，所述隔离单元进一步与所述PWM信号发生器相连接；所述门极板包括门极逆变板和门极斩波板；所述门极逆变板与所述IGBT的门极相连接，用于监测所述IGBT的电压信号，根据监测结果控制IGBT的开启与关断；所述门极斩波板与IGBT的门极相连接；用于调节所述IGBT门极电压，抑制所述IGBT的谐波电流。
优选的，所述隔离单元包括电压隔离电路和光耦隔离电路；所述电压隔离电路输入端与所述驱动分配板的输入接口一端相连接，电压隔离电路的输出端与所述驱动放大单元相连接；所述光耦隔离电路的输入端与驱动分配板的输入接口一端相连接，光耦隔离电路的输出端连接逻辑控制单元；所述光耦隔离电路还与PWM信号发生器相连接。
优选的，所述驱动分配单元有两组独立的驱动分配电路组成；每组所述独立的驱动分配电路连接门极逆变板或门极斩波板。
优选的，电源转换模块设有过压保护模块，所述电源转换模块经过整流、调压电路及电源转换芯片二次转化成+15V、+35V和-12V；所述过压保护模块采用瞬态抑制器，在电压未超过最大钳位电压时，实际输入驱动板分配板电压不超过16±1V时，驱动板保持正常工作。
优选的，所述光耦隔离单元，用于接收PWM信号发生器发送的PWM信号处理后传输到门极板后作用于IGBT的门极以控制其通断。
优选的，所述驱动分配板上还设有短路保护模块，当短路发生时，IGBT会迅速退出饱和工作区，IGBT的集电极-发射极电压迅速向母线电压回升，同时延时电压监测信号反转，并向上级驱动控制单元DCU反馈故障并由驱动分配板控制门极板，门极板立刻执行关断IGBT。
优选的，所述上级驱动控制单元DCU上设有故障监测模块，所述故障检测模块用于检测至少两组独立的故障反馈信号，所述故障反馈信号包括IGBT过压、短路、驱动分配板与门极板的连接断开或者信号连接错误,当监测到任意一组故障反馈信号发生后，在启动控制IGBT前向上反馈故障并关断IGBT；当两组故障反馈信息号均不发生时，才会开启IGBT。
本发明还提供一种大功率IGBT驱动控制方法，包括上述大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤S1、连接所述IGBT驱动控制器的驱动分配板、门极板、IGBT及负载主电路；
步骤S2、连接电源转换模块及PWM信号发生器，设置正确的PWM信号并发送至光耦隔离单元，IGBT驱动控制器进入自检模式，驱动分配板控制门极板启动IGBT并进入工作状态；
步骤S3、工作过程中IGBT驱动控制器，实时监测自身及IGBT状态，当发生过压、短路故障时，过压保护模块、短路保护模块及时关断IGBT并利用指示灯指示故障，同时利用故障反馈模块进行报警；
步骤S4、故障时信号反馈至上级驱动控制单元DCU，并锁定启动信号，直到故障排查移除，IGBT驱动控制器重新进入自检模式，自检通过后，延时复位进入正常工作状态。
优选的，在步骤S3中还包括，上级驱动控制单元DCU接收故障反馈信号；所述故障反馈信号至少为两组独立的故障反馈信号，所述故障反馈信号包括IGBT过压、短路、驱动分配板与门极板的连接断开或者信号连接错误,任意一组故障反馈信号发生后，在启动控制IGBT前向上反馈故障并关断IGBT；当两组故障反馈信息号均不发生时，才会开启IGBT。
优选的，在步骤S2中，所述自检模式在IGBT驱动控制器上电并接收到PWM信号后立刻进入自检，无故障则继续正常工作；当检测到故障时，IGBT立即关断并向上级驱动控制单元DCU反馈故障，并且会以1.2s的周期自检，当检测到故障移除后，进入正常工作状态。
根据本发明实施例提供的一种大功率IGBT驱动控制器及控制方法，相比于传统IGBT驱动控制器，至少具有以下优点：
1、将驱动板的低电压转换成IGBT的1800V的高压工作环境，同时实现高频调制；同时利用门极斩波板和门极逆变板的选配，能广泛适用于多种型号的IGBT。
2、利用相应的隔离器件实现了对输入低压和输出高压的隔离保护，有效防止高低压信号之间极易产生的干扰谐波。
3、在驱动分配板控制门极板驱动IGBT时，设置驱动延时，既能及时响应输入的PWM信号的同时要求该输出控制方式的一致性。
4、不改变硬件结构的基础上通过改变硬件配置以使用多厂家型号的IGBT，打破其专用型的限制做到通用性设计，做到了硬件兼容且极限冗余，为以后的维修、升级改造等做技术储备。
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为本发明大功率IGBT驱动控制器的电路连接框图
图2为本发明大功率IGBT驱动控制器的电路原理示意图；
图3为本发明大功率IGBT驱动控制器控制IGBT的应用电路示意图；
图4为本发明大功率IGBT驱动控制器门极驱动分配板平面图；
图5为本发明大功率IGBT驱动控制器门极逆变板平面图；
图6为本发明大功率IGBT驱动控制器门极斩波板平面图；
图7为本发明大功率IGBT驱动控制器的生产工艺流程图；
图8为本发明大功率IGBT驱动控制器的控制方法流程图。
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大功率IGBT驱动控制器，用于控制大功率IGBT；为GDU的一部分，主要包括驱动分配板、门极板和电源转换模块和PWM发生器。
电源转换模块包括初级低压单元和次级高压单元，所述初级低压单元和次级高压单元之间通过隔离驱动变压器连接；将驱动板的低电压转换成IGBT的1800V的高压工作环境，同时实现高频调制；同时利用门极斩波板和门极逆变板的选配，能广泛适用于多种型号的IGBT。所述电源转换模块用于将输入电压转换成驱动分配板和门极板的工作电压，以驱动驱动分配板和门极板上电工作；电源转换模块设有过压保护模块，电源转换模块经过整流、调压电路及电源转换芯片二次转化成+15V、+35V和-12V；过压保护模块采用瞬态抑制器，在电压未超过最大钳位电压时，实际输入驱动板分配板电压不超过16±1V时，驱动板保持正常工作。
如图2所示，所述驱动分配板上设有隔离单元、逻辑控制单元、驱动放大单元和驱动分配单元；所述驱动分配板的输入接口一端连接电源转换模块的输出端，所述驱动分配板输入接口的另一端连接隔离单元，隔离单元、逻辑控制单元、驱动放大单元和驱动分配单元依次相连接；驱动分配单元与门极板相连接；门极板至少包括门极逆变板和门极斩波板；门极逆变板与IGBT的门极相连接；用于监测IGBT的电压监测信号，控制IGBT的开启与关断；门极斩波板与IGBT的门极相连接；用于调节IGBT门极电压，抑制IGBT的谐波电流。
隔离单元包括DC-DC电压隔离电路和OPTO光耦隔离电路；DC-DC电压隔离电路输入端与驱动分配板的输入接口的+15V管脚一端相连接，电压隔离电路的输出端与驱动放大单元相连接；光耦隔离电路OPTO的输入端与驱动分配板的输入接口的IN+和IN-的一端相连接，光耦隔离电路的输出端连接逻辑控制单元即图中control logic模块；光耦隔离电路还与PWM信号发生器相连接。控制电压为DC15V，而驱动对象IGBT的工作环境是DC1800V高压环境，且要求高频控制。因此为了控制需要和安全考虑，采用驱动变压器和光耦隔离器。光耦隔离单元，用于接收PWM信号发生器发送的PWM信号处理后传输到门极板后作用于IGBT的门极以控制其通断。
驱动分配单元有两组独立的驱动分配电路组成；每组独立的驱动分配电路连接门极逆变板或门极斩波板。
驱动分配板上还设有短路保护模块，当短路发生时，IGBT会迅速退出饱和工作区，IGBT的集电极-发射极电压迅速向母线电压回升，同时延时(小于10us)电压监测信号即MESVCE信号反转，并向上级驱动控制单元DCU反馈故障并由驱动分配板控制门极板，门极板立刻执行关断IGBT并不响应驱动信号。X10～X13对应连接门极板，用于启动和关断IGBT的同时监测集电极电压。
上级驱动控制单元DCU上设有故障监测模块，故障检测模块用于检测至少两组独立的故障反馈信号，故障反馈信号包括IGBT过压、短路、驱动分配板与门极板的连接断开或者信号连接错误,任意一组故障反馈信号发生后，在启动控制IGBT前向上反馈故障并关断IGBT；当两组故障反馈信息号均不发生时，才会开启IGBT。
具体地，两组独立的故障反馈信号FAULT1和FAULT2，当系统正常工作时该信号向上反馈高电平信号1，系统发生任何故障时该信号向上反馈低电平信号0，同时关断IGBT状态锁定不响应驱动信号。
如图3所示，正确连接各电气端口，建立和IGBT完整回路，PWM信号发生器接入IGBT控制驱动器的驱动分配板，门极逆变板和门极斩波板分别是用来配置三相的IGBT和制动斩波用的IGBT。表面贴装在IGBT门极，与驱动分配板配合实时监测IGBT的集电极、发射极、门极电压的同时并由驱动分配板对IGBT设有过压、过流、短路保护功能。当上级发送驱动控制信号时，驱动分配板接收并经过二次隔离转换传递至门极板以控制驱动IGBT。
正常工作时门极逆变板根据所选IGBT正确配置门极电路后配合驱动分配板对IGBT控制驱动电机工作，当需要时(减速、短路等电机传动位能负载下放时)上级会发送制动斩波命令，门极斩波板配合驱动分配板执行该命令。
如图4为驱动分配板的平面图，图中各个管脚定义按表一和表二定义X1-18pin定义：PWM1+&PWM2+—PWM1-&PWM2-：IGBT门极驱动信号，+15V—-15V；VDD1&VDD2—GND1&GND2：供电电源，+15V—0V；AULT1&FAULT2：故障反馈信号；CHASSIS：外壳接地。
Figure GDA0003335890510000051
Figure GDA0003335890510000061
表一
X10～X13-6pin定义RGON：门极开信号；RGOFF：门极关信号；MESVCE：VCE电压监测信号。
1 RGON 2 RGOFF 3 NC
4 OV 5 NC 6 MESVCE
表二
如图5为门极逆变板的平面图，如图6为门极斩波板，图中各个管脚定义即图中P1-P3六个接口的每个管脚，均按表三定义的平面图。其中RGON：门极开信号；RGOFF：门极关信号；MESVCE：VCE电压监测信号。
1 RGON 2 RGOFF 3 NC
4 OV 5 NC 6 MESVCE
表三
如图7所示，本发明在加工时，按照如图所示的流程进行加工制版，配料，表贴，组装，上电测试，喷漆防护，成品检测，包装入库；如图8所示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20W，具体值取决于IGBT的开关频率。驱动板以直流15.0V供电时的静态(无ON/OFF驱动信号)电流及功率如下：P＝15Vx680mA＝10.2W
3、变压器绝缘耐压：隔离变压器初次级绝缘耐压等级：10kV rms.50/60Hz 10s
4、开关频率：隔离变压器DC/DC：80.5～102.5KHz，驱动信号PWM：0.1～2KHz
5、环境参考标准EN50155:2007-40到+70℃,低温、干热、湿热等循环试验+70℃ 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)
8、IGBT型号范围典型应用：1200A/1500A-3300V(190mm,140mm)
适用范围：IC＝300A-2400A,VCEmax＝3300V通过更改门极板配置匹配各型号IGBT。
如图8所示，本发明还提供一种大功率IGBT驱动控制方法，包括上述大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤S1、正确连接IGBT驱动控制器的驱动分配板、门极板、IGBT及负载主电路；
步骤S2、正确连接电源转换模块及PWM信号发生器，设置正确的PWM信号并发送至光耦隔离单元，IGBT驱动控制器进入自检模式，驱动分配板控制门极板启动IGBT并进入工作状态；在步骤S2中，自检模式在IGBT驱动控制器上电并接收到PWM信号后立刻进入自检，无故障则继续正常工作；当检测到故障时，IGBT立即关断并向上级驱动控制单元DCU反馈故障，并且会以1.2s的周期自检，当检测到故障移除后，进入正常工作状态。
步骤S3、工作过程中IGBT驱动控制器，实时监测自身及IGBT状态，当发生过压、短路故障时，过压保护模块、短路保护模块及时关断IGBT并利用指示灯指示故障，同时利用故障反馈模块进行报警；在步骤S3中还包括，上级驱动控制单元DCU接收故障反馈信号；故障反馈信号至少为两组独立的故障反馈信号，故障反馈信号包括IGBT过压、短路、驱动分配板与门极板的连接断开或者信号连接错误,任意一组故障反馈信号发生后，在启动控制IGBT前向上反馈故障并关断IGBT；当两组故障反馈信息号均不发生时，才会开启IGBT。
其中，LED状态指示：按照下表四-表五进行设置静态上电；
Figure GDA0003335890510000071
表四
动态工作
Figure GDA0003335890510000072
Figure GDA0003335890510000081
表五
步骤S4、故障时信号反馈至上级驱动控制单元DCU，并锁定启动信号，直到故障排查移除，IGBT驱动控制器重新进入自检模式，自检通过后，延时复位进入正常工作状态。
本发明在驱动分配板控制门极板驱动IGBT时，设置驱动延时，既能及时响应输入的PWM信号的同时要求该输出控制方式的一致性不改变硬件结构的基础上通过改变硬件配置以使用多厂家型号的IGBT，打破其专用型的限制做到通用性设计，做到了硬件兼容且极限冗余，为以后的维修、升级改造等做技术储备。
在本说明书的描述中，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”等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等同限定。

Claims (8)

1.一种大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，用于控制大功率IGBT，包括驱动分配板、门极板和电源转换模块；
所述电源转换模块包括初级低压单元和次级高压单元，所述初级低压单元和次级高压单元之间通过隔离驱动变压器连接；所述电源转换模块用于将输入电压转换成驱动分配板和门极板的工作电压，以驱动所述驱动分配板和门极板上电工作；电源转换模块设有过压保护模块，所述电源转换模块经过整流、调压电路及电源转换芯片二次转化成+15V、+35V和-12V；所述过压保护模块采用瞬态抑制器，在电压未超过最大钳位电压时，实际输入驱动分配板电压不超过16±1V时，驱动分配板保持正常工作；
所述驱动分配板上设有隔离单元、逻辑控制单元、驱动放大单元、驱动分配单元和PWM信号发生器；所述驱动分配板的输入接口一端连接电源转换模块的输出端，所述驱动分配板输入接口的另一端连接所述隔离单元，所述隔离单元、逻辑控制单元、驱动放大单元和驱动分配单元依次相连接；所述驱动分配单元的输出端与门极板相连接，所述隔离单元进一步与所述PWM信号发生器相连接；所述隔离单元包括电压隔离电路和光耦隔离电路；所述电压隔离电路输入端与所述驱动分配板的输入接口一端相连接，电压隔离电路的输出端与所述驱动放大单元相连接；所述光耦隔离电路的输入端与驱动分配板的输入接口一端相连接，光耦隔离电路的输出端连接逻辑控制单元；所述光耦隔离电路还与PWM信号发生器相连接；
所述门极板包括门极逆变板和门极斩波板；所述门极逆变板与所述IGBT的门极相连接，用于监测所述IGBT的电压信号，根据监测结果控制IGBT的开启与关断；所述门极斩波板与IGBT的门极相连接；用于调节所述IGBT门极电压，抑制所述IGBT的谐波电流；
其中，正确连接各电气端口，建立和IGBT完整回路，PWM信号发生器接入IGBT控制驱动器的驱动分配板，门极逆变板和门极斩波板分别是用来配置三相的IGBT和制动斩波用的IGBT；表面贴装在IGBT门极，与驱动分配板配合实时监测IGBT的集电极、发射极、门极电压的同时并由驱动分配板对IGBT设有过压、过流、短路保护功能；当上级发送驱动控制信号时，驱动分配板接收并经过二次隔离转换传递至门极板以控制驱动IGBT；
正常工作时门极逆变板根据所选IGBT正确配置门极电路后配合驱动分配板对IGBT控制驱动电机工作，当需要时上级会发送制动斩波命令，门极斩波板配合驱动分配板执行该命令。
2.根据权利要求1所述的大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，所述驱动分配单元包括：两组独立的驱动分配电路；每组所述独立的驱动分配电路连接门极逆变板和门极斩波板。
3.根据权利要求1所述的大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，所述光耦隔离电路，用于接收PWM信号发生器发送的PWM信号处理后传输到门极板后作用于IGBT的门极以控制其通断。
4.根据权利要求1所述的大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，所述驱动分配板上还设有短路保护模块，当短路发生时，IGBT退出饱和工作区，IGBT的集电极-发射极电压迅速向母线电压回升，同时延时电压监测信号反转，并向上级驱动控制单元DCU反馈故障并由驱动分配板控制门极板，门极板立刻执行关断IGBT。
5.根据权利要求4中所述的大功率IGBT驱动控制器，其特征在于，所述上级驱动控制单元DCU上设有故障监测模块，所述故障监测模块用于检测至少两组独立的故障反馈信号，所述故障反馈信号包括IGBT过压、短路、驱动分配板与门极板的连接断开或者信号连接错误,当监测到任意一组故障反馈信号发生后，在启动控制IGBT前向上反馈故障并关断IGBT；当两组故障反馈信息号均不发生时，才会开启IGBT。
6.一种大功率IGBT驱动控制方法，其特征在于，应用于上述权利要求1-5中任意一项所述的大功率IGBT驱动控制器，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、连接所述IGBT驱动控制器的驱动分配板、门极板、IGBT及负载主电路；
步骤S2、连接电源转换模块及PWM信号发生器，设置正确的PWM信号并发送至光耦隔离单元，IGBT驱动控制器进入自检模式，驱动分配板控制门极板启动IGBT并进入工作状态；
步骤S3、工作过程中IGBT驱动控制器，实时监测自身及IGBT状态，当发生过压、短路故障时，过压保护模块、短路保护模块及时关断IGBT并利用指示灯指示故障，同时利用故障反馈模块进行报警；
步骤S4、故障时信号反馈至上级驱动控制单元DCU，并锁定启动信号，直到故障排查移除，IGBT驱动控制器重新进入自检模式，自检通过后，延时复位进入正常工作状态。
7.根据权利要求6所述的一种大功率IGBT驱动控制方法，其特征在于，在步骤S3中还包括，所述大功率IGBT驱动控制器的上级驱动控制单元DCU接收故障反馈信号；所述故障反馈信号至少为两组独立的故障反馈信号，所述故障反馈信号包括IGBT过压、短路、驱动分配板与门极板的连接断开或者信号连接错误,任意一组故障反馈信号发生后，在启动控制IGBT前向上反馈故障并关断IGBT；当两组故障反馈信号均不发生时，才会开启IGBT。
8.根据权利要求6所述的一种大功率IGBT驱动控制方法，其特征在于，在步骤S2中，所述自检模式在IGBT驱动控制器上电并接收到PWM信号后立刻进入自检，无故障则继续正常工作；当检测到故障时，IGBT立即关断并向上级驱动控制单元DCU反馈故障，并且会以预设的周期自检，当检测到故障移除后，进入正常工作状态。
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Denomination of invention: High power IGBT drive controller and control method

Effective date of registration: 20230913

Granted publication date: 20211217

Pledgee: Bank of China Limited Liyang Branch

Pledgor: JIANGSU OCPT INSTITUTE Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980056137