CN207426982U - 一种中高压igbt通用智能驱动板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种中高压IGBT通用智能驱动板，包括智能核心板、通用适配板和通用直流电源。针对不同电压等级与不同型号的IGBT驱动板检修时可通过在适配板上更改元器件连接方式或直接更换元器件来实现；智能核心板采用通用电路和可编程门极驱动电阻阵列，只需要更新相应的驱动程序，可实现不同电压等级与不同型号IGBT的驱动参数配置、通讯协议匹配以及故障信息记录和上传功能；通用直流电源输入输出设计为耐高压高频变压器隔离，以满足不同电压等级的绝缘要求，同时兼容直流和交流供电方式。实现了检修时不需要对整个驱动板进行重新开发，缩短了变流器与IGBT驱动的检修周期，降低了变流器检修成本。

Description

一种中高压IGBT通用智能驱动板

技术领域

本实用新型涉及交流驱动技术领域，尤其涉及一种中高压IGBT通用智能驱动板。

背景技术

牵引变流系统作为机车的核心部件承载主功率的传输，由于机车应用现场复杂，变流器功率模块或者部件有较高的故障几率。在大功率变流器的检修和维护升级时常常遭遇供应链问题，在需要备件的时候买不到或是成本非常高。另一方面，由于机车车型多样、变流器供应商繁杂，目前的变流器检修方案不具有通用性，每一种变流器功率模块的检修仅成为个案，每一次都需要进行重新设计与开发，大大加长了检修周期，增加了检修成本。

随着机车使用年限的增加，IGBT模块和驱动板更换带来的挑战成为机车维护和运用的最主要问题，直接影响到维护成本和运行机车的使用性。

具体表现如下：

针对不同电压等级与不同型号的IGBT，一是电压等级不同导致驱动板的电气特性要求不同，需要重新设计驱动板硬件电路；二是IGBT器件参数与开关特性不同需要不同的驱动参数配置；因此单一的驱动板很难做到兼容，导致每一个案例都要重新进行驱动板硬件与软件开发，开发周期较长和成本较高。

实用新型内容

本实用新型提供一种中高压IGBT通用智能型驱动板，以克服上述技术问题。

智能核心板、至少一个通用适配板和通用直流电源；

所述智能核心板分别与所述通用适配板、所述通用直流电源连接；

所述通用适配板包括：V_ce电压检测电路和有源钳位电路，所述V_ce电压检测电路用于根据检测到的IGBT的V_ce电压对所述IGBT进行退饱和分级短路保护，所述有源钳位电路用于抑制IGBT集电极电压尖峰，利用瞬态二极管进行过电压保护，并将有源钳位状态送给智能核心板；

所述V_ce电压检测电路一端与所述IGBT的集电极连接，另一端与智能核心板的电压比较电路连接，所述有源钳位电路一端与所述IGBT的集电极连接，另一端与所述IGBT的门极连接；

所述V_ce电压检测电路和所述有源钳位电路的耐高压部分均采用多组瞬态二极管串联；所述多组瞬态二极管的连接路线为直线或者折线或者由所述直线和所述折线共同组成的三角形。

进一步地，所述通用直流电源的输入端为直流电压或者交流电压，输出端为稳压直流，所述通用直流电源，包括：

耐高压高频隔离变压器电路和输出电压控制电路；

所述耐高压高频隔离变压器电路一端与直流/交流电源连接，另一端与所述输出电压口控制电路连接，所述输出电压控制电路的另一端与所述智能核心板连接。

进一步地，所述耐高压高频隔离变压器电路包括：

H桥方波调制单元和隔离变压器；

所述H桥方波调制单元与所述隔离变压的原边连接，用于使所述隔离变压器原、副边产生高频方波以减小变压器的体积，所述隔离变压器用于隔离电源输入、输出间的高压。

进一步地，所述输出电压控制电路包括：

二极管不控整流桥和稳压电路；

所述二极管不控整流桥用于将所述隔离变压器副边的交流方波电压整流为直流电压，所述稳压电路将该直流电压通过升/降压电路闭环调整为目标直流电压值。

进一步地，所述智能核心板包括：光纤端口、FPGA逻辑芯片、输出放大电路、可编程门极电阻阵列、输入输出接口以及所述FPGA芯片的外围电路；

所述FPGA芯片分别与所述输出放大电路、所述可编程门极电阻阵列、所述输入输出接口以及所述外围电路连接，所述输出放大电路的另一端与门极电阻阵列的输入端连接，所述可编程门极电阻阵列的另一端与IGBT的门极连接，所述输入输出接口的另一端与光纤收发器连接。

进一步地，所述外围电路包括：

电源电路、检测信号输入电路、故障输出电路、报警指示LED电路以及时钟电路。

本实用新型中高压IGBT通用智能型驱动板的通用性与智能性表现在当驱动不同电压和电流等级的IGBT时，不需要重新设计通用适配板的电路。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型高压IGBT通用智能驱动板结构示意图；

图2为本实用新型高压IGBT通用智能驱动板接口示意图；

图3是本实用新型的通用直流电源原理框图；

图4是本实用新型的可编程门极电阻阵列示意图；

图5a是本实用新型的通用适配板元器件线路示意图；

图5b是本实用新型的通用适配板元器件另一线路示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型高压IGBT通用智能驱动板结构示意图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：

智能核心板101、至少一个通用适配板102和通用直流电源103；

所述智能核心板分别与所述通用适配板、所述通用直流电源连接；

所述通用适配板包括：V_ce电压检测电路和有源钳位电路，所述V_ce电压检测电路用于根据检测到的IGBT的V_ce电压对所述IGBT进行退饱和分级短路保护，所述有源钳位电路用于抑制IGBT集电极电压尖峰，利用瞬态二极管进行过电压保护，并将有源钳位状态送给智能核心板；

所述V_ce电压检测电路一端与所述IGBT的集电极连接，另一端与智能核心板的电压比较电路连接，所述有源钳位电路一端与所述IGBT的集电极连接，另一端与所述IGBT的门极连接；

所述V_ce电压检测电路和所述有源钳位电路的耐高压部分均采用多组瞬态二极管串联；所述多组瞬态二极管的连接路线为直线或者折线或者由所述直线和所述折线共同组成的三角形。

具体而言，如图2所示，智能核心版101、通用适配板102和通用电源板103各端口定义及连接关系如下：智能核心板101的端口1：控制电源输入，端口2：光纤收发器，端口3：检测信号和状态信号输入，端口4：IGBT功率E极连接口，端口5：IGBT信号E极连接口，端口6：IGBT的G极连接口，端口7：IGBT的C极连接口，8为FPGA主芯片。

通用适配板102的端口9：检测信号和状态信号输入，端口10：IGBT的G极连接口，端口11：IGBT的C极连接口，端口12：IGBT功率E极连接口，端口13：IGBT信号E极连接口。

通用电源板103的端口14：直流电源输入，端口15：交流电源输入，端口16：控制电源输出。

智能核心板101的端口1与通用电源板103的端口16相连获得控制电源，光纤端口2接收来自变流器控制单元的PWM信号，经过主芯片8(FPGA)的处理后生成可以驱动IGBT的门极信号Vge到端口5、6(实际应用时，101板的4、5、6、7端口与102板的12、13、10、11分别相连，然后接到IGBT的相应端子上去)。智能核心板101端口3为从通用适配板102端口9获得的Vce信号和有源钳位信号，FPGA内的驱动程序根据该些反馈信号，采用相对应的逻辑算法，实现PWM信号传输和IGBT保护等功能。例如：以短路保护为例，当检测的Vce电压超过第一阈值电压时，运行一级退饱和短路保护，超过第二阈值电压时，采用二级退饱和短路保护。

本实施例的适配板的V_ce电压检测电路和有源钳位电路的耐高压部分的多组串联的瞬态二极管，该些瞬态二极管的连接路线有三种：第一种为直线；第二种为折线；第三种为该直线和折线组成的三角形线路。三种线路对应的元器件位置在制备电路板时都在电路板上。在适用于不同电压等级的IGBT时，采用不同的线路焊接元器件。例如：应用于最高耐压等级的IGBT，将直线和折线组成的三角形的直线边断开不焊接，将三角形剩余的两边串联，最后组成“W”型专线的串联结构以提高耐压能力；应用于低耐压等级的IGBT时，只选择上述三角形结构的直线边焊接元器件，另外两边空缺，组成直线型串联的结构。如图5a和5b所示，通过三角形结构的不同边的串联来适应不同电压等级IGBT的电气特性要求，通用性极佳。即使遇到特殊情况，可以仅仅更改适配板的设计即可，比起驱动板重新整体开发，其周期和成本都有很大优势；因此，二极管或TVS的连接方式采用直线和折线“△”结构，元器件之间利用该种连接方式结合元器件替换，实现了不同电压等级、不同型号IGBT驱动的短路保护与有源钳位功能。其中图5a为折线情况，图5b的为直线情况，该直线加上虚线的折线部分共同构成三角形结构。

另外，由于其功能相对单一，也可直接重新设计该适配板，开发周期远小于对整个驱动板进行开发。

本实施例将V_ce电压检测电路和有源钳位电路集中在适配板上，使两部分电路的高压电路全部就近安装在IGBT上面，改善了驱动板中智能核心板和适配板的抗电磁干扰能力，实现可靠的短路保护与过压抑制功能。针对不同型号的IGBT，在设计上预留元器件空间，通过改变元器件连接方式或者更换元器件以匹配不同电压等级IGBT。

为了进一步方便多个IGBT的并联运行，本实施例适配板采用可扩展结构，即一个智能核心板配置多个扩展适配板驱动一组并联的IGBT。该扩展适配板上相同功能的信号端通过多层PCB布线进行并联，扩展适配板到智能核心板的信号连接只需要一套连接线即可，避免了多个IGBT并联时繁杂的布线。

进一步地，所述智能核心板包括：光纤端口、FPGA逻辑芯片、输出放大电路、可编程门极电阻阵列、输入输出接口以及所述FPGA芯片的外围电路；

所述FPGA芯片分别与所述输出放大电路、所述可编程门极电阻阵列、所述输入输出接口以及所述外围电路连接，所述输出放大电路的另一端与门极电阻阵列的输入端连接，所述可编程门极电阻阵列的另一端与IGBT的门极连接，所述输入输出接口的另一端与光纤收发器连接。

具体而言，FPGA芯片程序中设置专门的通讯模块，除产生正常的PWM信号，还有具有短路、过压、超温等保护功能。该通讯模块设置如下关键参数：开关延时周期、反馈信号逻辑选择(反馈信号逻辑有同相跟踪、反相跟踪、脉冲跟踪等)、保护信号逻辑选择(故障高、故障低、电平与或等)、保护时序设定等，针对不同的IGBT，直接更改上述关键参数值，使其和原有变流器的协议一致，通过光纤收发器端口中的反馈端口将这些信息编码上传给变流控制单元以监控整个系统的运行状态，避免故障扩大化，这在很大程度上简化了将新驱动板集成在已有变流器控制系统上的过程。

智能核心板101参数配置功能：根据IGBT参数、主电路工作参数和主电路器件寄生参数设置驱动特性，使得驱动板和IGBT模块的电气特性达到最优化，从而在原有的功率模块中实现较好的开关特性，保护特性和过压限制等需求。可编程门极电阻阵列如图4所示，其中Gon为IGBT开通电阻阵列输入口，Goff为IGBT关断电阻阵列输入口，G为IGBT门极，IGBT开通时利用FPGA控制开通电阻阵列组合顺序，关断时则控制关断电阻阵列组合顺序，实现开通和关断过程的优化。控制过压冲击可以通过软件配置驱动板的门极关断电阻阵列，使其开关新的IGBT时的di/dt保持在合理的水平；调整开通电阻用于限制二极管的反向恢复峰值能量，使其始终在反向恢复的安全工作区内。

在智能核心板输出放大电路输出端配置的可编程门极电阻阵列，每个电阻取不同的阻值，通过FPGA逻辑芯片组合选通合适的电阻串并联，获得不同阻值的开通和关断电阻，实现开关震荡抑制、开关损耗、保护可靠性等特性优化；门极电阻阵列的充分组合可以获得足够多的电阻值，以适应不同电压等级与不同型号的IGBT的开通和关断特性，更换IGBT时只需要在FPGA逻辑芯片的配置程序中更新门极电阻组合逻辑、开关时序、保护逻辑等开关特性参数即可。

利用智能核心板电路门极电阻阵列冗余及参数可编程方式实现不同电压等级与不同型号IGBT的驱动，同时，利用FPGA芯片编程的灵活性可以实现与上层控制器通讯协议的灵活匹配。驱动参数可以通过FPGA芯片进行编程，以方便优化驱动性能。其同时，FPGA芯片可以进行故障分类、记录和上传，具有实时保护功能和故障诊断功能，实现智能化IGBT驱动。

进一步地，所述外围电路包括：

电源电路、检测信号输入电路、故障输出电路、报警指示LED电路以及时钟电路。

进一步地，所述通用直流电源的输入端为直流电压或者交流电压，输出端为稳压直流，所述通用直流电源，包括：

耐高压高频隔离变压器电路和输出电压控制电路；

所述耐高压高频隔离变压器电路一端与直流/交流电源连接，另一端与所述输出电压口控制电路连接，所述输出电压控制电路的另一端与所述智能核心板连接。

进一步地，所述耐高压高频隔离变压器电路包括：

H桥方波调制单元和隔离变压器；

所述H桥方波调制单元与所述隔离变压的原边连接，用于使所述隔离变压器原、副边产生高频方波以减小变压器的体积，所述隔离变压器用于隔离电源输入、输出间的高压。

进一步地，所述输出电压控制电路包括：

二极管不控整流桥和稳压电路；

所述二极管不控整流桥用于将所述隔离变压器副边的交流方波电压整流为直流电压，所述稳压电路将该直流电压通过升/降压电路闭环调整为目标直流电压值。

具体而言，本实施例通用直流电源用于为所述智能核心板和所述至少一个通用适配板提供带高频变压器隔离功能的电源。适用于3300V、4500V和6500V电压等级的IGBT驱动板的供电要求。同时，针对不同的机车变流器，预留交流24V方波电源供电输入接口，即直流电源的输入既可以是24V±10％直流(兼容15VDC供电)，也可以是24V±10％交流方波，以适应不同的机车控制电源。如图3所示，A、B端口为直流电源输入端，C、D端口为交流电源输入端口。

(1)直流电源设置高频变压器和电压控制芯片，封装在绝缘外壳内，以方便其在功率模块内的安装而无需再单独考虑电气绝缘问题。高频变压器采用适用于目前最高电压等级的IGBT(6500V等级)绝缘耐压结构，即直流电源的输入输出之间可以满足市面上常见的不同电压等级的IGBT电气特性的要求。即由于直流电源单独拿出封装为一块独立的电路板，其安装在远离IGBT的位置，不像适配板那样是直接装在IGBT上的对结构布局非常敏感，因此，可直接将其设计为最高耐压等级电路，通用于由此以下的各个耐压等级。

输出直流电压的稳压控制放在隔离变压器的副边，即副边设置不控整流桥和稳压芯片进行闭环调节获得所需直流电压输出，变压器原边的控制只做方波调制(H桥开环方波调制)，将直流电调制为高频方波；

(2)为了兼容不同车型的供电电源(直流供电或高频方波供电)，本实用新型设置交流输入接口，即交流输入时旁路变压器原边的调制器，直接将高频方波加在变压器原边输入端，在变压器副边进行整流稳压控制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种中高压IGBT通用智能驱动板，其特征在于，包括：

智能核心板、至少一个通用适配板和通用直流电源；

所述智能核心板分别与所述通用适配板、所述通用直流电源连接；

所述通用适配板包括：V_ce电压检测电路和有源钳位电路，所述V_ce电压检测电路用于根据检测到的IGBT的V_ce电压对所述IGBT进行退饱和分级短路保护，所述有源钳位电路用于抑制IGBT集电极电压尖峰，利用瞬态二极管进行过电压保护，并将有源钳位状态送给智能核心板；

所述V_ce电压检测电路一端与所述IGBT的集电极连接，另一端与智能核心板的电压比较电路连接，所述有源钳位电路一端与所述IGBT的集电极连接，另一端与所述IGBT的门极连接；

所述V_ce电压检测电路和所述有源钳位电路的耐高压部分均采用多组瞬态二极管串联；所述多组瞬态二极管的连接路线为直线或者折线或者由所述直线和所述折线共同组成的三角形。

2.根据权利要求1所述的IGBT通用智能驱动板，其特征在于，所述通用直流电源的输入端为直流电压或者交流电压，输出端为稳压直流，所述通用直流电源，包括：

耐高压高频隔离变压器电路和输出电压控制电路；

所述耐高压高频隔离变压器电路一端与直流/交流电源连接，另一端与所述输出电压口控制电路连接，所述输出电压控制电路的另一端与所述智能核心板连接。

3.根据权利要求2所述的IGBT通用智能驱动板，其特征在于，所述耐高压高频隔离变压器电路包括：

H桥方波调制单元和隔离变压器；

所述H桥方波调制单元与所述隔离变压的原边连接，用于使所述隔离变压器原、副边产生高频方波以减小变压器的体积，所述隔离变压器用于隔离电源输入、输出间的高压。

4.根据权利要求3所述的IGBT通用智能驱动板，其特征在于，所述输出电压控制电路包括：

二极管不控整流桥和稳压电路；

所述二极管不控整流桥用于将所述隔离变压器副边的交流方波电压整流为直流电压，所述稳压电路将该直流电压通过升/降压电路闭环调整为目标直流电压值。

5.根据权利要求1所述的中高压IGBT通用智能驱动板，其特征在于，

所述智能核心板包括：光纤端口、FPGA逻辑芯片、输出放大电路、可编程门极电阻阵列、输入输出接口以及所述FPGA芯片的外围电路；

所述FPGA芯片分别与所述输出放大电路、所述可编程门极电阻阵列、所述输入输出接口以及所述外围电路连接，所述输出放大电路的另一端与门极电阻阵列的输入端连接，所述可编程门极电阻阵列的另一端与IGBT的门极连接，所述输入输出接口的另一端与光纤收发器连接。

6.根据权利要求5所述的IGBT通用智能驱动板，其特征在于，所述外围电路包括：

电源电路、检测信号输入电路、故障输出电路、报警指示LED电路以及时钟电路。