CN203119748U - 一种igbt直接并联的驱动控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种IGBT直接并联的驱动控制电路，该控制电路包括依次串接的驱动信号处理单元、驱动单元和变流单元；驱动信号处理单元包括依次串接的光电转换电路、电平转换电路、窄脉冲滤除电路、并联保护电路和信噪比抑制电路；驱动单元包括至少两个直接并联驱动核，驱动核和驱动回路实现并联驱动，分别用于驱动各自的IGBT，所有驱动单元的信号来自于同一个信号端；变流单元为电压型变流器，包括功率模块和电解电容。该控制电路为驱动核提供陡峭的跳沿脉冲信号和硬件保护电路，提升了开通和关断的跳变门槛，消除了容易出现的噪声干扰，提高了IGBT并联的可靠性，具有实际应用价值。

Description

一种IGBT直接并联的驱动控制电路

技术领域

本实用新型涉及功率模块的驱动控制领域，具体涉及一种IGBT直接并联的驱动控制电路。 

背景技术

随着电力电子技术的发展和市场对大功率变流器的需求，对于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的电流、电压和功率等级提出了更高的要求。IGBT并联具有电流密度高、温度梯度分布均匀、布局灵活以及性价比高等优点，成为大功率变流器设计应用的重要解决方案之一。 

通过将IGBT模块进行并联组合，可获得不同额定电流的等效模块，且实现并联的连接方式也很灵活、多样。常用的IGBT并联方式主要有两种，一种是一个驱动器同时驱动几个IGBT来实现模块或桥臂之间的并联；另一种是每个IGBT分别由各自独立的驱动器实现并联驱动，所有驱动器的信号来自于同一个信号端。在实际的应用过程中，IGBT驱动器通常处于强电磁场环境，受到噪声干扰后，驱动器会因过载而发热甚至烧毁。如何对驱动器的原边输入信号进行优化处理，成为IGBT并联驱动急需解决的技术问题。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种可优化驱动器原边输入信号的IGBT直接并联的驱动控制电路。 

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是设计一种IGBT直接并联的驱动控制电路，所述控制电路包括依次串接的驱动信号处理单元、驱动单元和变流单元；其特征在于： 

所述驱动信号处理单元包括依次串接的光电转换电路、电平转换电路、窄脉冲滤除电路、并联保护电路和信噪比抑制电路；

所述驱动单元包括至少两个直接并联驱动核，所述驱动核和驱动回路实现并联驱动，分别用于驱动各自的IGBT，所有驱动单元的信号来自于同一个信号端；

所述变流单元为电压型变流器，包括功率模块和电解电容。

其中优选的技术方案是，所述的光电转换电路由光纤接收器及附属电路组成，所述光电转换电路将PWM光信号转换为电信号，并将电信号传送给电平转换电路； 

所述电平转换电路由三极管和与三极管集电极相连接的上拉电阻组成，所述电平转换电路将光电转换电路转化后的电信号的电压拉升后传送给窄脉冲滤除电路；

所述窄脉冲滤除电路由电阻、与电阻并联的电容和与电阻串联的反相器组成，所述窄脉冲滤除电路对拉升后的电压信号进行滤除噪音信号处理，并将虑噪后的陡峭跳沿信号传送给并联保护电路；

所述并联保护电路由五个与逻辑门组成；其中四个与门的其中一个输入端接收窄脉冲滤除电路传送的陡峭跳沿信号，其输出端将处理后的信号传送至驱动核的信号输入端；另外一个与门的输入端与两个并联驱动核故障输出端相连，其输出端连接到其他与门输入端，并通过光纤发送器将故障信号送交至数字信号处理器；

所述的信噪比抑制电路由两个分压电阻网络组成，其输入端接收经四个与逻辑门处理后的输出信号，经分压处理后将信号传送至驱动核的输入端；。

优选的技术方案还有，所述功率模块由IGBT开关管直接并联成的半桥电路构成，所述半桥电路由开关管S1与开关管S4，开关管S2与开关管S5，开关管S3与开关管S6分别组成变流器的三个桥臂； 

所述开关管S1与开关管S4，开关管S2与开关管S5，开关管S3与开关管S6的中间点作为输出点；

所述电解电容器通过层叠母排并联于直流母线的正负极之间。

本实用新型所述的并联驱动控制电路是通过下述过程实现的。 

光电转换单元将由数字信号处理器产生并经过光纤隔离传输给驱动控制器的脉宽调制（PWM）光信号转换为电信号；电平转换单元将驱动电信号的逻辑电平通过三极管上拉电阻抬升至15V逻辑电平，以满足长线传输的需要；窄脉冲滤除单元通过RC滤波电路和施密特反相器，消除出现的噪声，给驱动器提供陡峭的跳沿信号；并联保护单元将驱动核的故障输出信号与并联驱动核的PWM输入信号通过与门进行逻辑上的互锁，任意一个并联驱动核出现故障，与该驱动核并联的驱动核输入信号将被封锁；信噪比抑制单元通过电阻分压网络提升输入侧的开通和关断的跳变门槛电压，使得驱动器具有更强的抗干扰能力。 

经过上述驱动信号处理单元的处理，来自数字信号处理器的光脉冲信号被转换成陡峭沿的电脉冲信号，输入到驱动核的信号输入端。驱动核中的原边芯片对PWM信号进行调制，副边芯片进行解调，通过磁隔离，把信号传送到高压侧。高压侧的IGBT驱动器采用直接并联，每个IGBT分别由各自的驱动核和驱动回路实现并联驱动，所有驱动器的信号来自于同一个信号端。 

本实用新型的优点和有益效果在于： 

（1）本实用新型采用的驱动信号处理单元，将PWM控制信号经过光电转换、电平转换、窄脉冲滤除、并联保护、信噪比抑制处理后，不仅为驱动核提供了陡峭沿脉冲信号和硬件保护单元，而且提升了其开通和关断的跳变门槛电压，消除了容易出现的噪声干扰，提高了IGBT并联的可靠性。

（2）IGBT驱动器采用直接并联，每个IGBT分别由各自的驱动核和驱动回路实现并联驱动，所有驱动器的信号来自于同一个信号端，大大减小了发射极环流对IGBT开通过程的影响，提高了变流器的功率等级，为大功率变流器的设计提供了解决方案。 

附图说明

图1是本实用新型IGBT直接并联的驱动控制电路原理图； 

图2是图1中光电转换单元电路原理图;

图3是图1中电平转换单元电路原理图;

图4是图1中窄脉冲滤除单元电路原理图;

图5是图1中并联保护单元电路原理图;

图6是图1中信噪比抑制单元电路原理图;

图7是图1中驱动单元电路原理图;

图8是图1中变流单元电路原理图;

图9是图1中并联功率模块的电路原理图。

图中：1、光电转换单元；2、电平转换单元；3、窄脉冲滤除单元；4、并联保护单元；5、信噪比抑制单元；J3、光纤发送器。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。 

如图1、2所示，本实用新型是一种IGBT直接并联驱动控制电路，包括：驱动信号处理电路、驱动器和变流器。 

图1中标示出A相的驱动控制过程，驱动器包括驱动核A1、驱动核A2以及驱动核副边转换电路，驱动核副边转换电路包括D1~D4、Ron1~Ron4、Roff1~Roff4。 

本实用新型系统采用瑞士CONCEPT公司推出的基于其SCALE-2驱动内核的集低成本、超紧凑、高可靠性于一身的双通道、大功率驱动模块2SC0435T作为并联IGBT的驱动核。其最大驱动功率为4W，输出驱动峰值电流可达到35A，可以驱动1700V以内的IGBT模块，并兼具短路保护、有源钳位及电源电压监控功能，其内嵌的并联功能使得它可以支持驱动器的多电平拓扑应用的同时，它还支持驱动器的并联，可应用于大功率高压变频器、逆变电源等行业。 

驱动信号处理电路包括光电转换单元1、电平转换单元2、窄脉冲滤除单元3、并联保护单元4、信噪比抑制单元5。 

光电转换单元1由光纤接收器J1和J2组成，型号为美国AVAGO 公司的HFBR-2521。光电转换单元将由数字信号处理器DSP经过光纤隔离传输给驱动控制器的PWM光信号（如图1所示PWM A+、PWM A-）转换为电信号。 

电平转换单元2由电阻R1、R2和三极管Q1、Q2组成，三极管型号为2N3904。驱动器的信号输入端可识别的逻辑电平为3.3V~15V，逻辑电平为15V的电压信号更适合长线传输，电平转换电路通过三极管的集电极上拉电阻连接到15V电源以完成逻辑电平的抬升。 

窄脉冲滤除单元3由电阻R3、R4和电容C1、C2以及具具有施密特触发器功能的反相器U1、U2组成，反相器型号为CD40106。IGBT驱动器通常处于强电磁场环境，收到噪声信号时驱动器会表现为很重的负载，原边的DC/DC的MOSFET会因为过载而发热甚至烧毁。窄脉冲滤除单元，可以滤除易出现的噪声信号，并给驱动器提供陡峭沿的驱动信号。图1中的反相器U3、U4，实现驱动信号的反相逻辑处理。 

并联保护单元4由五个与逻辑门U5~U9组成，型号为CD4081。其中U5~U8输入端分别为PWM驱动信号和fault故障信号，U9的输入端为驱动核A1和驱动核A2的故障输出信号SOA和SOB。U9的输出信号与U5~U8相连接，并通过光纤发送器J3，型号为HFBR-1521，将故障信号送交数字信号处理器DSP进行故障处理。当某一个驱动器出现过压故障时，相应的驱动器会发送故障反馈信号到SOX (其中X=A，B)管脚同时立即关断相应的IGBT，并通过U9将这个关断信号发送给所有的并联驱动器，经过短暂延迟后关断所有的并联驱动器，以此达到保护并联驱动器的目的。 

信噪比抑制电路5由电阻R5~R12组成，由于驱动器输入信号的跳变电平比较低，因此在输入侧配置由电阻R5~R12组成电阻分压网络，以提升输入侧的开通和关断的跳变门槛电压，使得驱动器具有更强的抗干扰能力。 

如图1所示，IGBT驱动器采用直接并联，每个IGBT分别由各自的驱动核和驱动回路实现并联驱动，所有驱动器的信号来自于同一个信号端。功率模块A1’和功率模块A2’组成功率模块A’，驱动核A1与驱动功率模块A1’相连，驱动核A2与驱动功率模块A2’相连，驱动核A1和A2的信号均来自于同一数字信号处理器产生的驱动信号PWMA+和PWMA-。 

通过将不同功率等级的IGBT模块进行并联组合，可获得不同额定电流的等效模块，且实现并联的连接方式也很灵活、多样。IGBT并联能够提供更高电流密度、均匀热分布、灵活布局以及较高性价比等优势。并联可降低模块热集中，使其获得更加均匀的温度梯度分布，较低的平均散热器温度，这有益于提高热循环周次。 

如图1、2所示，变流器为电压型变流器，包括功率模块A’（其中A’= A₁’，A₂’，A₃’）和电解电容C。功率模块A’的开关管由IGBT半桥模块直接并联构成，开关管S1与开关管S4，开关管S2与开关管S5，开关管S3与开关管S6分别组成变流器的三个桥臂；开关管S1与开关管S4，开关管S2与开关管S5，开关管S3与开关管S6的中间点分别作为交流侧ABC三相的输出点；在IGBT上、下桥臂的正负极两端并联有突波吸收电容器Cs1~Cs6，能够有效的吸收尖峰电压，消除母排杂散电感引起的尖峰电压，避免IGBT的损坏。 

电解电容器C通过层叠母排并联于直流母线正负极，直流母线电解电容器能够有效的抑制直流母线电压的波动。 

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。 

Claims (3)

1.一种IGBT直接并联的驱动控制电路，所述控制电路包括依次串接的驱动信号处理单元、驱动单元和变流单元；其特征在于：

所述驱动信号处理单元包括依次串接的光电转换电路、电平转换电路、窄脉冲滤除电路、并联保护电路和信噪比抑制电路；

所述驱动单元包括至少两个直接并联驱动核，所述驱动核和驱动回路实现并联驱动，分别用于驱动各自的IGBT，所有驱动单元的信号来自于同一个信号端；

所述变流单元为电压型变流器，包括功率模块和电解电容。

2.如权利要求1所述的IGBT直接并联的驱动控制电路，其特征在于：

所述的光电转换电路由光纤接收器及附属电路组成，所述光电转换电路将PWM光信号转换为电信号，并将电信号传送给电平转换电路；

所述电平转换电路由三极管和与三极管集电极相连接的上拉电阻组成，所述电平转换电路将光电转换电路转化后的电信号的电压拉升后传送给窄脉冲滤除电路；

所述窄脉冲滤除电路由电阻、与电阻并联的电容和与电阻串联的反相器组成，所述窄脉冲滤除电路对拉升后的电压信号进行滤除噪音信号处理，并将虑噪后的陡峭跳沿信号传送给并联保护电路；

所述并联保护电路由五个与逻辑门组成；其中四个与门的其中一个输入端接收窄脉冲滤除电路传送的陡峭跳沿信号，其输出端将处理后的信号传送至驱动核的信号输入端；另外一个与门的输入端与两个并联驱动核故障输出端相连，其输出端连接到其他与门输入端，并通过光纤发送器将故障信号送交至数字信号处理器；

所述的信噪比抑制电路由两个分压电阻网络组成，其输入端接收经四个与逻辑门处理后的输出信号，经分压处理后将信号传送至驱动核的输入端；。

3.如权利要求1所述的IGBT直接并联的驱动控制电路，其特征在于：

所述功率模块由IGBT开关管直接并联成的半桥电路构成，所述半桥电路由开关管S1与开关管S4，开关管S2与开关管S5，开关管S3与开关管S6分别组成变流器的三个桥臂；

所述开关管S1与开关管S4，开关管S2与开关管S5，开关管S3与开关管S6的中间点作为输出点；

所述电解电容器通过层叠母排并联于直流母线的正负极之间。

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