CN107741756A - Igbt开关特性动态可变的驱动电路及保护方法 - Google Patents

Abstract

一种IGBT开关特性动态可变的驱动电路及保护方法，该IGBT开关特性动态可变的驱动电路包括：脉冲分配及数字控制芯片、开关阵列及栅极驱动阵列；脉冲分配及数字控制芯片通过部分开关阵列及部分栅极驱动电阻阵列连接IGBT上桥臂的输入端，并通过其余部分开关阵列及其余部分栅极驱动电阻阵列连接IGBT下桥臂的输入端；脉冲分配及数字控制芯片接收控制器的控制脉冲信号，并接收IGBT上桥臂及IGBT下桥臂反馈的状态信息，根据控制脉冲信号及状态信息在完成脉冲分配、脉冲自锁、脉冲互锁等处理后输出控制脉冲驱动IGBT上桥臂及IGBT下桥臂，与此同时控制开关阵列动态改变栅极驱动电阻，优化开关特性，减少开关损耗，此外还可以向控制器反馈故障编码，便于智能故障诊断。

Description

IGBT开关特性动态可变的驱动电路及保护方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种IGBT开关特性动态可变的驱动电路及保护方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是高速列车牵引辅助变流器中功率模块的核心器件。IGBT驱动器作为功率电路和控制器之间的接口电路，对系统的损耗和可靠性方面有极大的影响，是制约着功率模块自主研制的一项关键技术，一个合理的驱动器设计在整个功率传输变换系统中起着重要的作用，尤其在高电压大功率的应用中，如何对IGBT进行驱动控制和保护以确保IGBT的可靠、安全工作，是IGBT驱动电路及保护设计的难点和关键。

传统的IGBT驱动器由简单模拟电路构成，如对于较低功率等级的IGBT驱动电路，驱动保护方案主要为“控制器+模拟驱动电路”。IGBT的底层保护主要通过“模拟驱动电路”来完成，该方案形式单一，保护级别也单一；对于大功率的IGBT驱动电路，驱动保护方案多为“控制器+模拟脉冲分配电路+模拟驱动电路”。相对于低功率等级驱动方案增加了“模拟脉冲分配电路”，然而这一级电路一般不具备保护功能或保护功能单一。

此外，传统的由模拟电路构成的IGBT驱动器并不能智能地动态控制IGBT的通断过程且保护策略单一，无法满足大功率IGBT的控制性能和保护要求。

发明内容

本发明实施例提供了一种IGBT开关特性动态可变的驱动电路及保护方法，以通过改变IGBT动态开关特性，降低开关损耗，减少大功率应用场合的发热对冷却系统的压力。有效抑制故障时刻的过电压和过电流，同时不影响常态下IGBT的开关速度与性能。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种IGBT开关特性动态可变的驱动电路，该IGBT开关特性动态可变的驱动电路包括：

脉冲分配及数字控制芯片、开关阵列及栅极驱动阵列；所述脉冲分配及数字控制芯片通过部分开关阵列及部分栅极驱动电阻阵列连接IGBT上桥臂的输入端，并通过其余部分开关阵列及其余部分栅极驱动电阻阵列连接IGBT下桥臂的输入端；所述脉冲分配及数字控制芯片还连接至所述控制器及所述开关阵列；

脉冲分配及数字控制芯片接收所述控制器的控制脉冲信号，并接收所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂反馈的状态信息，根据所述控制脉冲信号动态及状态信息驱动所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂，动态改变栅极驱动电阻，并对所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂进行脉冲分配、脉冲自锁处理、脉冲互锁处理及开关阵列控制。

一实施例中，所述控制脉冲信号包括：所述IGBT上桥臂的通断控制信号以及所述IGBT下桥臂对通断控制信号。

一实施例中，所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号反馈控制结果。

一实施例中，若存在IGBT故障发生，所述脉冲分配及数字控制芯片直接完成驱动保护的同时，通过串行通信接口向所述控制器反馈IGBT故障代码。

一实施例中，所述状态信息包括：IGBT的di/dt、du/dt、过流信号及过压信号；所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号以及状态信息改变栅极驱动阵列的电阻，以改变IGBT的开关特性。

一实施例中，每部分所述开关阵列由一组MOSFET管构成，每部分所述栅极驱动电阻阵列由一组不值相同或不同的电阻构成。

一实施例中，所述脉冲自锁处理包括：对IGBT开关进行开通频率及关断频率的控制，以保证IGBT开通最小时间及关断最小时间。

一实施例中，所述脉冲互锁处理包括：设置所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂的脉冲互锁的死区时间，确保所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂其中一个关断后，另一个再开通。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种IGBT开关特性动态可变的保护方法，该IGBT开关特性动态可变的保护方法包括：

所述控制器向所述数字驱动电路及控制器发送控制脉冲信号；

所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号驱动所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂；

所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号及所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂反馈的状态信息控制开关阵列动态改变栅极驱动电阻，并完成脉冲分配、脉冲自锁处理、脉冲互锁处理，最终输出控制脉冲驱动所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂。

一实施例中，进行脉冲自锁处理包括：对IGBT开关进行开通频率及关断频率的控制，以保证IGBT开通最小时间及关断最小时间。

一实施例中，进行脉冲互锁处理包括：设置所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂的脉冲互锁的死区时间，确保所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂其中一个关断后，另一个再开通。

一实施例中，还包括：所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号反馈控制结果；

若存在IGBT故障发生，所述脉冲分配及数字控制芯片直接完成驱动保护的同时，通过串行通信接口向所述控制器反馈IGBT故障代码。

本申请实施例中，可以通过改变IGBT动态开关特性，降低开关损耗，减少大功率应用场合的发热对冷却系统的压力。可以有效抑制故障时刻的过电压和过电流，同时不影响常态下IGBT的开关速度与性能。还可以向控制器反馈故障编码，便于控制器对故障种类的辨识，增强控制器对故障分析及处理的能力。

当然实施本申请的任一产品或者方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的IGBT开关特性动态可变的驱动电路示意图；

图2为本发明实施例的脉冲分配及数字控制芯片对上桥臂的控制示意图；

图3为本发明实施例的脉冲分配及数字控制芯片对下桥臂的控制示意图；

图4为本发明实施例的IGBT开关特性动态保护方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

经研究，IGBT的开关性能和损耗受栅极驱动电阻影响，尤其在开通关断瞬态过程中，需要快速调节栅极驱动电阻的大小，达到损耗、过电压和过电流的合理化分配目的；同时在故障状态下，通过调节栅极驱动电阻的大小，还能对IGBT进行主动保护。此外，为了避免由于脉冲分配电路和驱动控制电路的分离控制引入的额外干扰和同步性等问题，本发明将脉冲分配和数字驱动控制整合到一个控制模块，提供了一种IGBT开关特性动态可变的驱动电路。

图1为本发明实施例的IGBT开关特性动态可变的驱动电路示意图，如图1所示，该IGBT开关特性动态可变的驱动电路包括：

脉冲分配及数字控制芯片、开关阵列及栅极驱动阵列；所述脉冲分配及数字控制芯片通过部分开关阵列及部分栅极驱动电阻阵列连接IGBT上桥臂的输入端，并通过其余部分开关阵列及其余部分栅极驱动电阻阵列连接IGBT下桥臂的输入端；所述脉冲分配及数字控制芯片还连接至所述控制器及所述开关阵列。

控制器用于发出IGBT桥臂的控制脉冲信号，一实施例中，该控制脉冲信号包括：IGBT上桥臂的通断指令(即控制脉冲信号)以及所述IGBT下桥臂对通断指令(即控制脉冲信号)。

一实施例中，本发明实施例的控制器可以为列车上的牵引控制单元(TCU)，也可以是PLC等。

根据该控制脉冲信号，脉冲分配及数字控制芯片可以通过开关阵列及栅极驱动阵列(向开关阵列发送IGBT上桥臂控制脉冲及IGBT下桥臂控制脉冲)通断IGBT上桥臂或者IGBT下桥臂。

一实施例中，脉冲分配及数字控制芯片还可以根据控制脉冲信号反馈控制结果，反馈控制结果可以为IGBT上桥臂状态反馈(IGBT上桥臂通断状态)或者IGBT下桥臂状态反馈(IGBT下桥臂通断状态)。

脉冲分配及数字控制芯片之后还可以接收到IGBT上桥臂及IGBT下桥臂反馈的状态信息，一实施例中，该状态信息可以是IGBT的di/dt、du/dt、过流、过压等。脉冲分配及数字控制芯片根据该状态信息，可以通过控制开关阵列动态改变栅极驱动电阻，并对IGBT上桥臂及IGBT下桥臂进行脉冲分配、脉冲自锁处理、脉冲互锁处理等处理，最终实现对IGBT的驱动控制。

脉冲分配及数字控制芯片如果接收到IGBT上桥臂及IGBT下桥臂反馈的状态信息(过流、过压、di/dt、du/dt等)之后，如果存在故障，脉冲分配及数字控制芯片需要将该故障对应的故障代码通过专用的串行通信接口反馈给控制器，从而区分IGBT的故障种类。一实施例中，故障代码可以是发送字节信息，不同数字代表不同的故障。

脉冲分配及数字控制芯片可以通过控制开关阵列，动态改变当前状态下的栅极驱动电阻，进而改变IGBT的开关特性。具体地，如图2及图3所示，脉冲分配及数字控制芯片通过部分开关阵列及部分栅极驱动电阻阵列连接IGBT上桥臂(图2)，还通过部分开关阵列及部分栅极驱动电阻阵列连接IGBT下桥臂(图3)，每部分所述开关阵列由一组MOSFET管构成，每部分所述栅极驱动电阻阵列由一组不值相同或不同的电阻构成，一个MOSFET管连接至一个电阻。需要说明的是，图2中的IGBT上桥臂及图3中的IGBT下桥臂均通过各自对应的检测电路连接至脉冲分配及数字控制芯片，检测电路用于检测IGBT上桥臂及IGBT下桥臂的过流、过压等反馈信号，并将反馈信号反馈至脉冲分配及数字控制芯片。在图2中及图3中将IGBT上桥臂及IGBT下桥臂分开，仅是为了清楚的描述开关阵列中每个MOSFET管与对应电阻的连接关系。

MOSFET管接收来自脉冲分配及数字控制芯片的控制信号，脉冲分配及数字控制芯片可以通过开关选择信号控制对应的MOSFET管的断开及闭合(开关阵列控制)，即改变栅极驱动电阻，实现IGBT开关特性的改变，保护并改善了IGBT在开通和关断过程中的响应特性。

一实施例中，脉冲分配及数字控制芯片连接至JTAG接口及复位电路，复位电路通过一电容接地，并连接至5V电源。

一实施例中，脉冲分配及数字控制芯片可以为FPGA及CPLD。

本发明将脉冲分配电路和驱动控制功能整合到一个脉冲分配及数字控制芯片，综合控制器的控制脉冲信号及上、下两个桥臂IGBT的状态反馈信息分配控制脉冲的同时，可以动态控制开关阵列从而动态改变栅极驱动电阻，保护并改善了IGBT在开通和关断过程中的响应特性。脉冲分配及数字控制芯片通过编程可以实现对IGBT开通或关断的具体动态过程的控制，具有控制精度高，可控性强等优点。

作为本发明的一实施例，上述脉冲自锁处理包括：对IGBT开关进行开通频率及关断频率的控制，以保证IGBT开通最小时间及关断最小时间，实现开通和关断的自锁，不会对器件造成损伤。

作为本发明的一实施例，上述脉冲互锁处理包括：设置所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂的脉冲互锁的死区时间，确保所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂其中一个关断后，另一个再开通，防止上下两个管子的直通现象。

传统的模拟驱动仅能对IGBT进行单一的保护，控制器无法辨识IGBT的故障种类，不便于对故障进行分析及保护。而本发明的IGBT开关特性动态可变的驱动电路直接完成驱动保护的同时，可将IGBT发生故障的种类编码后通过串行接口将故障信息发送给控制器，使驱动保护电路更加智能化。

本发明实施例提供了一种IGBT开关特性动态可变的保护方法，该IGBT开关特性动态保护方法可以应用到图1所示的IGBT开关特性动态可变的驱动电路，如图4所示，该IGBT开关特性动态保护方法包括：

S401：所述控制器向所述数字驱动电路及控制器发送控制脉冲信号；

S402：所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号驱动所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂；

S403：所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号及所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂反馈的状态信息控制开关阵列动态改变栅极驱动电阻，并完成脉冲分配、脉冲自锁处理、脉冲互锁处理，最终输出控制脉冲驱动所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂。

一实施例中，进行脉冲自锁处理包括：对IGBT开关进行开通频率及关断频率的控制，以保证IGBT开通最小时间及关断最小时间。

一实施例中，进行脉冲互锁处理包括：设置所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂的脉冲互锁的死区时间，确保所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂其中一个关断后，另一个再开通。

一实施例中，还包括：所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号反馈控制结果；

若存在IGBT故障发生，所述脉冲分配及数字控制芯片直接完成驱动保护的同时，通过串行通信接口向所述控制器反馈IGBT故障代码。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种IGBT开关特性动态可变的驱动电路，其特征在于，包括：

脉冲分配及数字控制芯片、开关阵列及栅极驱动阵列；所述脉冲分配及数字控制芯片通过部分开关阵列及部分栅极驱动电阻阵列连接IGBT上桥臂的输入端，并通过其余部分开关阵列及其余部分栅极驱动电阻阵列连接IGBT下桥臂的输入端；所述脉冲分配及数字控制芯片还连接至所述控制器及所述开关阵列；

所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号及所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂反馈的状态信息控制开关阵列动态改变栅极驱动电阻，并同时完成脉冲分配、脉冲自锁处理、脉冲互锁处理，最终输出控制脉冲驱动所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂。

2.根据权利要求1所述的IGBT开关特性动态可变的驱动电路，其特征在于，所述控制脉冲信号包括：所述IGBT上桥臂的通断指令以及所述IGBT下桥臂对通断指令。

3.根据权利要求2所述的IGBT开关特性动态可变的驱动电路，其特征在于，所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号反馈控制结果。

4.根据权利要求3所述的IGBT开关特性动态可变的驱动电路，其特征在于，若存在IGBT故障发生，所述脉冲分配及数字控制芯片直接进行驱动保护的同时，通过串行通信接口向所述控制器反馈IGBT故障代码。

5.根据权利要求1所述的IGBT开关特性动态可变的驱动电路，其特征在于，所述状态信息包括：IGBT的di/dt、du/dt、过流信号及过压信号；所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述状态信息，在IGBT的开关过程中动态改变栅极驱动电阻，以优化IGBT的开关性能，减少损耗。

6.根据权利要求1所述的IGBT开关特性动态可变的驱动电路，其特征在于，每部分所述开关阵列由一组MOSFET管构成，每部分所述栅极驱动电阻阵列由一组阻值相同或不同的电阻构成。

7.根据权利要求1所述的IGBT开关特性动态可变的驱动电路，其特征在于，所述脉冲自锁处理包括：对IGBT开关进行开通频率及关断频率的控制，以保证IGBT开通最小时间及关断最小时间。

8.根据权利要求1所述的IGBT开关特性动态可变的驱动电路，其特征在于，所述脉冲互锁处理包括：设置所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂的脉冲互锁的死区时间，确保所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂其中一个关断后，另一个再开通。

9.一种IGBT开关特性动态可变的保护方法，应用于权利要求1至8中任一项所述的IGBT开关特性动态可变的驱动电路，其特征在于，包括：

所述控制器向所述数字驱动电路及控制器发送控制脉冲信号；

所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号驱动控制所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂；

所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述脉冲控制信号及所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂反馈的状态信息控制开关阵列动态改变栅极驱动电阻，并完成脉冲分配、脉冲自锁处理、脉冲互锁处理，最终输出控制脉冲驱动所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂。

10.根据权利要求9所述的IGBT开关特性动态可变的保护方法，其特征在于，进行脉冲自锁处理包括：对IGBT开关进行开通频率及关断频率的控制，以保证IGBT开通最小时间及关断最小时间。

11.根据权利要求9所述的IGBT开关特性动态可变的保护方法，其特征在于，进行脉冲互锁处理包括：设置所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂的脉冲互锁的死区时间，确保所述IGBT上桥臂及IGBT下桥臂其中一个关断后，另一个再开通。

12.根据权利要求9所述的IGBT开关特性动态可变的保护方法，其特征在于，还包括：所述脉冲分配及数字控制芯片根据所述控制脉冲信号反馈控制结果；

若存在IGBT故障发生，所述脉冲分配及数字控制芯片直接完成驱动保护的同时，通过串行通信接口向所述控制器反馈IGBT故障代码。