CN201789418U - 集成多功能的igbt驱动电路模块 - Google Patents

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李相锋
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Abstract

本实用新型涉及机车车辆辅助供电变流装置，特别涉及IGBT变流器，具体为集成多功能的IGBT驱动电路模块。解决了现有IGBT变流器中存在的主电路布局复杂、成本高、杂散电感大、可靠性低的问题，包括由功率放大开关电路和隔离驱动变压器组成的驱动电路、IGBT、主电路、直流支撑电路、连接四个IGBT(A～D)的软开关电路、吸收电路和电流检测电路，上述各电路及部件全部集成在同一印刷电路板模块上。本实用新型设应用在软开关变流电路中，不但实现了IGBT的驱动与保护，而且将主电路的一部分功能集成在驱动电路模块上，使驱动电路和主电路更好的结合，提高了功率变换电路的可靠性。

Description

集成多功能的IGBT驱动电路模块
技术领域
本实用新型涉及机车车辆辅助供电变流装置，特别涉及IGBT变流器，具体为集成多功能的IGBT驱动电路模块。
背景技术
IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是一种由双极晶体管和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组合的器件，它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电力变换装置中得到广泛应用，例如IGBT变流器。
在IGBT变流器的设计中，驱动电路性能对整个变流器性能有着重要影响。IGBT驱动电路是驱动IGBT模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护的电路。在驱动电路的设计中，要考虑到驱动功率、过流保护、电压隔离模式、驱动与主电路间集成等各方面的因素。但是在目前的大量实际应用中，驱动电路模块只关注驱动功率、过流保护、电压隔离模式等方面，在驱动电路与主电路间集成技术方面缺乏研究与改进。
现有的IGBT变流器中，存在着主电路和驱动电路分属不同模块的结构。即驱动电路模块只与IGBT的驱动信号端子连接，实现驱动与保护功能，而IGBT、主电路、直流支撑电路、吸收电路、软开关电路、电流检测电路之间采用电缆连接。使用大量的电缆连接，将使整个电路成本高、结构臃肿，占用较大的空间，产品质量下降，导致整个电路布局比较复杂，电缆连接多、成本高、质量不可靠的问题。
同时，IGBT、主电路、吸收电路、软开关等部件之间采用电缆连接时，电路的杂散电感较大，在主电路开关过程中，将在IGBT器件上产生较高的电压尖峰，对功率器件有一定对冲击，影响功率器件的寿命，从而降低了功率变换电路的可靠性。还存在电路杂散电感大、功率器件容易损坏、电路可靠性差效率低的问题。
发明内容
本实用新型为了解决现有IGBT变流器中存在的主电路布局复杂、成本高、杂散电感大、可靠性低等问题，提供一种集成多功能的IGBT驱动电路模块。
本实用新型具体采用如下技术方案实现：集成多功能的IGBT驱动电路模块，包括由功率放大开关电路和隔离驱动变压器组成的驱动电路、IGBT、主电路、直流支撑电路、连接四个IGBT(A～D)的软开关电路、吸收电路和电流检测电路，上述各电路及部件全部集成在同一印刷电路板模块上。
集成多功能的IGBT驱动电路模块主要由两部分电路组成：第一部分实现IGBT的驱动和保护，包括驱动电路；驱动电路包括功率放大开关电路和隔离驱动变压器，连接于变流器控制电路中，接受变流器控制电路发送过来的脉冲信号。第二部分集成了主电路的一些部件和电路，以实现减小电路杂感、简化电路布局，提高主电路的可靠性的功能，包括连接IGBT的集成电路；集成电路包括直流支撑电路、软开关电路、IGBT吸收电路以及电流检测电路。
直流支撑电路，由第八电容C25和第九电容C26组成，两电容C25、C26并联在直流支路的正负两端，在开关电路通断的工作过程中，起维持直流回路电压稳定的作用。软开关电路，由六个电容C17、C18、C19、C20、C23、C24组成，第一电容至第四电容C17～C20直接并联在对应的IGBT(A～D)的C、E端子之间(C、E端子为IGBT上连接集成电路的对应端子)，第六电容C23、第七电容C24并联后组成直流隔离电路串联在主电路的输出，起到隔离输出电压的直流成分的作用。IGBT吸收电路，由第一电阻R40、第四电阻R43和第五电容C22串联组成，然后整体并联在直流回路的正负之间，功能是吸收开关电路通断过程中在直流回路产生的电压尖峰和电压谐波。电流检测电路，由电流互感器TA及第二电阻R41、第三电阻R42组成，电流互感器TA与第二电阻R41、第三电阻R42并联后，串接在开关变换输出电路中，可以检测出输出电路的电流大小。
上述部件之间的连接全部由IGBT驱动电路模块的印刷电路板上的PCB铜箔线路完成，包括输入直流端子(DC+、DC-)到主电路IGBT间的连接，以及IGBT输出到高频变压器的连接。
与现有技术相比，本实用新型提供的集成多功能的IGBT驱动电路模块具有如下优点：
(1)将IGBT驱动电路、IGBT、主电路、直流支撑电路、软开关电路、吸收电路和电流检测电路全部集成在同一印刷电路板模块上，这种技术减小了主电路的杂感，降低了功率单元主电路的开关电压尖峰，提高了功率变换电路的可靠性，降低故障率，从而节省部件维修成本。
(2)这种设计将复杂的主电路接线转化为固定的PCB布线，大大简化了主电路布局，节省空间和成本，提高了产品的质量和可靠性。
本实用新型设计的一种集成多功能IGBT驱动电路模块，适用于软开关技术的全桥移相变换电路，不但实现了IGBT的驱动与保护，而且将主电路的一部分(包括器件)功能集成在驱动电路模块上，使驱动电路和主电路更好的结合，提高了功率变换电路的可靠性。
附图说明
图1为本实用新型所述集成多功能的IGBT驱动电路模块驱动和保护电路的原理图；
图2为本实用新型所述的集成多功能的IGBT驱动电路模块的集成电路部分的电路原理图；
图3为本实用新型所述的集成多功能的IGBT驱动电路模块的具体实体结构示意图。
具体实施方式
集成多功能的IGBT驱动电路模块，包括由功率放大开关电路和隔离驱动变压器组成的驱动电路、IGBT、主电路、直流支撑电路、连接四个IGBT(A～D)的软开关电路、吸收电路和电流检测电路，上述各电路及部件全部集成在同一印刷电路板模块上。
集成多功能的IGBT驱动电路模块上包括由功率放大开关电路和隔离驱动变压器T1、T2组成的驱动电路，还包括连接四个IGBT(A～D)构成全桥移相变换电路的集成电路；集成电路包括由并联于直流支路正负极两端的第八电容C25、第九电容C26构成的直流支撑电路，包括六个电容C17、C18、C19、C20、C23、C24并且连接四个IGBT(A～D)的软开关电路，由依次串接于直流支路正负两端的第一电阻R40、第四电阻R43和第五电容C22组成的IGBT吸收电路，以及串接于软开关电路的输出电路中，由电流互感器TA、第二电阻R41、第三电阻R42三者并联后构成的电流检测电路；软开关电路中第一电容C17、第二电容C18串接，第三电容C19、第四电容C20串接后分别接入电路正负极两端，第一电容C17、第二电容C18之间引出输出电路串接电流检测电路后引至输出端子E10，第三电容C19、第四电容C20之间引出输出电路串接由电容第六电容C23、第七电容C24并联组成的直流隔离电路后引至另一输出端子E11，第一电容至第四电容C17～C20分别和外部接入电路中的IGBT(A～D)并联，集成电路输出端E10、E11外接高频变压器T；各部件之间的连接全部由模块的PCB铜箔线路完成。
具体的，本实用新型所述的集成多功能的IGBT驱动电路模块适合应用于采用软开关技术的全桥移相变换电路。主电路将输入的直流电转换为高频的交流电并提供给后级的高频变压器，变换电路采用两个桥臂，共四个IGBT(A～D)完成，本实用新型实现了IGBT的驱动与保护并集成了主电路的部分功能。
首先，完成IGBT的驱动和保护，包括与变流器控制电路相连的驱动电路，其工作原理和过程为(如图1所示)：变流器控制电路发送脉冲信号(CommandA～D)到IGBT驱动电路模块，驱动电路模块对脉冲信号分别进行功率放大，并输出给隔离变压器，隔离变压器实现脉冲信号的隔离和整合，并输出相位相反的两路IGBT驱动信号给一个桥臂的上下两个IGBT(A-B)，另一个桥臂IGBT(C-D)的驱动电路与IGBT(A-B)类同。IGBT(A～D)接收驱动信号后开始正常工作。
其次，通过软开关技术将输入的直流电转换为高频的交流电并提供给后级的高频变压器T。在开关电路工作过程中，IGBT(A～D)组成全桥移相变换电路，利用外部高频变压器T的原边漏感续流和第一、二、三、四、六电容C17～C20、C23及第七电容C24的充放电，使IGBT(A～D)在C、E两端电压为零时开通，实现变换电路的零电压软开关功能。主电路直流电从模块上的接线端子+HV、-HV输入，经过紧固在电路模块上IGBT的变换，由模块上的端子E10、E11输出高频的交流电给后级的高频变压器T。
如图3所示，主电路直流电从接线端子+HV、-HV输入，经过紧固在电路模块的六个圆形大焊盘(标识为QL、QR)下的IGBT变换，再由端子E10、E11输出给后级的高频变压器。
P1为模块对外连接器，提供电源及脉冲保护信号的输入/输出。IGBT脉冲驱动信号经过电路功率放大后，再经过隔离变压器T1、T2整合隔离，由E1～E8输出到IGBT的驱动连接端子。
电容C25、C26组成了直流支撑电路，电阻R43、R40、电容C22组成了IGBT吸收回路，电容C17～C20、C23、C24是软开关电路的组成部分，电流互感器T3及电阻R41、R42组成了电流检测电路。
IGBT驱动电路模块上所有部件之间的连接，全部由PCB的铜箔线路完成，包括输入直流端子(DC+、DC-)到主电路IGBT间的连接，以及IGBT输出到高频变压器到连接。这种设计，大大简化了主电路布局，减小了主电路的杂感，也提高了整个功率电路的可靠性。

Claims (1)

1.集成多功能的IGBT驱动电路模块，包括由功率放大开关电路和隔离驱动变压器组成的驱动电路、IGBT、主电路、直流支撑电路、连接四个IGBT(A～D)的软开关电路、吸收电路和电流检测电路，其特征在于：上述各电路及部件全部集成在同一印刷电路板模块上；
直流支撑电路由第八电容C25和第九电容C26组成，两电容C25、C26并联在直流支路的正负两端；
软开关电路由六个电容C17、C18、C19、C20、C23、C24组成，第一电容至第四电容C17～C20直接并联在对应的IGBT(A～D)的C、E端子之间，第六电容C23、第七电容C24并联后组成直流隔离电路串联在主电路的输出；
电流检测电路由电流互感器TA及第二电阻R41、第三电阻R42组成，电流互感器TA与第二电阻R41、第三电阻R42并联后，串接在开关变换输出电路中；
吸收电路由第一电阻R40、第四电阻R43和第五电容C22串联组成，然后整体并联在直流回路的正负之间。 
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CN102662337A (zh) * 2012-05-07 2012-09-12 无锡智卓电气有限公司 一种用于控制保护开关的控制器
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CN105790556A (zh) * 2014-12-17 2016-07-20 利思电气（上海）有限公司 一种基于微型逆变器的有源电力滤波器

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