一种宽范围电源电压输入的驱动电路装置的制作方法

本实用新型涉及高压大功率IGBT驱动电路，具体为一种宽范围电源电压输入的驱动电路装置。

背景技术：

目前，高压大功率IGBT在大功率电能变换系统中得到广泛的应用，IGBT驱动保护作为IGBT应用中的关键技术之一，直接关系到整个系统的效率、可靠性和安全性。

对高压大电流IGBT驱动及保护应用，尽管国内外已有成熟技术，但实际应用还不广泛。IGBT保护电路的设计中，要充分考虑到高低压隔离、短路保护、门极欠压保护等多种因素，轨道车辆的牵引高压功率模块IGBT保护电路的设计的特殊性，要求高低压电路之间进行隔离，防止流经主回路的高压、大电流损坏与其连接的电路器件；同时，为适应高电压、大电流的工作环境，IGBT驱动电路的各功能（如电源模块、保护电路、高压隔离电路等）的结构与普通的驱动电路比较存在较大的差异。所以，有效可靠的IGBT驱动保护电路是IGBT安全稳定工作的重要前提条件。

现有技术中存在以下缺点：

1）驱动电源输入单一大部分驱动电路只支持单电源输入，并且要求输入电源品质高，波动范围小。实际应用过程电源输入电压波动大、不稳定，容易烧损电源。

2）电源转换电路稳压性能差 大部分驱动电源转换电路不可调，稳压性能差、可靠性低。

3）输入信号抗干扰性能差大部分驱动电路输入信号传输信号干扰大，信号完整性差。

4）简易连接器大部分驱动装置的输入输出接口采用简易连接器，插拔力较小，抗震性能差。

技术实现要素：

本实用新型为解决目前驱动电源输入单一、电源转换电路稳压性能差、输入信号抗干扰性能差等技术问题，提供一种宽范围电源电压输入的驱动电路装置。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：一种宽范围电源电压输入的驱动电路装置，采用一个驱动电路装置支持一个IGBT半桥；驱动电路装置包括电源电路、电源转换电路、故障反馈电路、互锁功能电路、高压隔离电路、驱动输出电路；其中高压隔离电路采用驱动芯片U1；

为驱动板提供电源输入的电源电路包括电源输入连接器P1、电容C4、C5、C11、C13、二极管D8、电源芯片U9；P1的第一端口通过二极管D8与U9的第二端口相连接，U9的第五端口接地，其中P1的第一端口与D8的正极相连接；电容C4、C5相并联，电容C4、C5位于同一侧的一端共同与电源芯片U9的第二端口相连接，电容C4、C5的另一端共同与P1的第二端口相连接；电容C11、C13相并联，电容C11、C13的一端共同接地，电容C11、C13的另一端以及电源芯片U9的第三端口作为电源端；

所述电源转换电路包括电容C15、C16、C17、C17-1、电阻R8、R9、R10与三端稳压器U10；C15、C16并联且两二者位于同一侧的一端接地； U10的第一端口通过R8和R9接地，R10连接在U10的第一端口与第二端口之间；C17和C17-1并联且两电容位于同一侧的一端接地；C15、C16的另一端与U10的第三端口相连接；C17和C17-1的另一端与U10的第二端口相连接；U10第三端口作为电源端。

进一步的，所述故障反馈电路包括电阻R1、R1-1、R111、R112、R113、R111-1、R112-1、R113-1、电容C12、C14、C12-1、二极管D5、D6、D7、D5-1、D6-1、D7-1、D9、D9-1与光纤接收器U2、U2-1以及四-2输入与门U8；上述部件共同组成两路故障反馈电路，将驱动芯片U1产生的故障信号放大整理后，将故障信号传递给控制系统，控制系统将封锁脉冲信号；D7的负极与U2的第一端口相连接，D7的正极与U2的第二端口相连接，R113连接在U2的第一端口和第二端口之间；U2的第一端口通过D6以及R112与U8的第三端口相连接，U2的第一端口与D6的正极相连接，C12连接在D6的负极与U2第二端口之间；D7-1的负极与U2-1的第一端口相连接，D7-1的正极与U2-1的第二端口相连接，R113-1连接在U2-1的第一端口和第二端口之间；U2-1的第一端口通过D6-1以及R112-1与U8的第四端口相连接，U2-1的第一端口与D6-1的正极相连接，C12-1连接在D6-1负极与U2-1第二端口之间；U8的第二端口分别连接有R1、D5 和D9和R111，其中U8的第二端口与D5的负极相连接，D5的正极接地，U8的第二端口与D9的正极相连接，D9的负极接电源端，R1的另一端也接电源端；U8的第七端口接地，U8的第十四端口接电源端，U8的第十四端口还通过C14接地；U8的第一端口与其第十二端口相连接；U8的第六端口分别连接有R1-1、D5-1 和D9-1和R111-1，其中U8的第六端口与D5-1的负极相连接，D5-1的正极接地，U8的第六端口与D9-1的正极相连接，D9-1的负极接电源端，R1-1的另一端接地；U8的第五端口与其第十二端口相连接；U2的第三、第四、第五、第六端均与其第二端口连接；U2-1的第三、第四、第五、第六端均与其第二端口连接；

所述互锁功能电路包括电阻R4、R4-1、R5、R5-1、R6、R6-1、电容C2、C2-1、C3、C3-1、C9、C18、光纤接收器U3、U3-1、施密特触发器U5以及四2输入与非门U7；U3的第一端口分别连接R4以及U5的第一端口，U5的第二端口通过R5分别与R6、C3以及U5的第三端口相连接，U5的第四端口与其第十三端口相连接；C3和R6的另一端接地；C2连接在U3的第二端口与第三端口之间，U3的第二端口同时接地；U5的第七端口接地，U5的第十四端口通过C9接地，U5的第十四端口还作为电源端口；U3-1的第一端口分别连接R4-1以及U5的第五端口，U5的第六端口通过R5-1分别与R6-1、C3-1以及U5的第十一端口相连接，U5的第十端口与其第九端口相连接；C3-1和R6-1的另一端接地；C2-1连接在U3-1的第二端口与第三端口之间，U3-1的第二端口同时接地；U5的第十二端口与U7的第一端口相连接，U5的第八端口与U7的第二端口相连接，U7的第七端口接地，U7的第十四端口通过C18接地，U7的第十四端口作为电源端；U7的第三端口与U8的第十二端口相连接。

本实用新型对地铁永磁牵引逆变器的子单元牵引逆变斩波功率模块驱动电路进行重新设计。从高压、大电流IGBT驱动及保护出发，采用带过流保护的输入范围较宽的DC-DC电源模块、稳定可靠的输入/输出连接器、电源转换电路，解决了以下方面问题：

1）解决了驱动电源输入单一问题，本实用新型采用带过流保护的输入为9-36V超宽范围的电源模块，可以保证输出电压的稳定性。

2）解决了驱动电源应用于波动电路导致驱动电源损坏问题。

3）解决了电源转换电路稳压功能差等问题。

4）解决了大部分驱动板输入/输出连接器防震性能差的问题。本设计采用可靠的输入/输出连接器（型号232/010-002），电源输入万可连接器，拔出力可达20kg，更适合于反复插拔和振动环境中使用。

5）驱动板与TCU的信号传输及反馈均采用光纤连接，有利于增强抗干扰能力，提高了信号传输的可靠性。

电源输入连接器(WAGO接线端子)与外部控制电路连接，将电源信号接入驱动板，光纤连接器（AVAGO光收发器）与外部控制电路连接，一方面将控制信号连接到驱动板，另一方面将故障反馈信号传递给控制电路。

供电电源采用带过流保护的输入范围较宽的DC-DC电源模块，输入9～36V，输出为15V（±2%），纹波系数小于5%，能够保证负载短路时控制DC-DC电源的输出，保证输出电源品质不被影响，使其他负载正常工作电源。

电源转换电路可以将DC15V电源转换为DC5V,供驱动芯片使用。本设计采用LM317三端稳压器设计电源稳压电路，保证输出转换电源稳定性能好、噪声低、纹波抑制比高。

故障反馈电路将驱动芯片产生的故障信号放大整理后，将故障信号传递给控制系统，控制系统将封锁驱动信号。

互锁功能电路，防止上下管同时导通，互锁电路一旦检测到上下管有直通信号，驱动板立即封锁脉冲，同时向控制单元发故障信号。

上下桥臂驱动电路完全相同。将驱动芯片调理后的驱动脉冲引入驱动输出电路，驱动输出电路由开通关断电阻网络、Vce短路保护电路组成。

附图说明

图1本实用新型驱动板原理框图。

图2本实用新型所述IGBT驱动板器件布局图。

图3本实用新型所述电源电路结构示意图。

图4本实用新型所述5V供电电路结构示意图。

图5本实用新型所述故障反馈电路结构示意图。

图6本实用新型所述互锁功能电路结构示意图。

图7本实用新型所述开通关断电阻结构示意图。

图8本实用新型所述Vce短路保护电路结构示意图。

1-DC-DC电源模块，2-光电收发电路，3-互锁功能电路，4-电源转换电路，5-光纤输入及反馈部分，6-开通阻断电阻网络，7-Vce短路保护电路，8-驱动输出连接器。

具体实施方式

一种宽范围电源电压输入的驱动电路装置，采用一个驱动电路装置支持一个IGBT半桥；驱动电路装置包括电源电路、电源转换电路、故障反馈电路、互锁功能电路、高压隔离电路、驱动输出电路；其中高压隔离电路采用驱动芯片U1；

为驱动板提供电源输入的电源电路包括电源输入连接器P1、电容C4、C5、C11、C13、二极管D8、电源芯片U9；P1的第一端口通过二极管D8与U9的第二端口相连接，U9的第五端口接地，其中P1的第一端口与D8的正极相连接；电容C4、C5相并联，电容C4、C5位于同一侧的一端共同与电源芯片U9的第二端口相连接，电容C4、C5的另一端共同与P1的第二端口相连接；电容C11、C13相并联，电容C11、C13的一端共同接地，电容C11、C13的另一端以及电源芯片U9的第三端口作为电源端；

所述电源转换电路包括电容C15、C16、C17、C17-1、电阻R8、R9、R10与三端稳压器U10；C15、C16并联且两二者位于同一侧的一端接地； U10的第一端口通过R8和R9接地，R10连接在U10的第一端口与第二端口之间；C17和C17-1并联且两电容位于同一侧的一端接地；C15、C16的另一端与U10的第三端口相连接；C17和C17-1的另一端与U10的第二端口相连接；U10第三端口作为电源端。

所述故障反馈电路包括电阻R1、R1-1、R111、R112、R113、R111-1、R112-1、R113-1、电容C12、C14、C12-1、二极管D5、D6、D7、D5-1、D6-1、D7-1、D9、D9-1与光纤接收器U2、U2-1以及四-2输入与门U8；上述部件共同组成两路故障反馈电路，将驱动芯片U1产生的故障信号放大整理后，将故障信号传递给控制系统，控制系统将封锁脉冲信号；D7的负极与U2的第一端口相连接，D7的正极与U2的第二端口相连接，R113连接在U2的第一端口和第二端口之间；U2的第一端口通过D6以及R112与U8的第三端口相连接，U2的第一端口与D6的正极相连接，C12连接在D6的负极与U2第二端口之间；D7-1的负极与U2-1的第一端口相连接，D7-1的正极与U2-1的第二端口相连接，R113-1连接在U2-1的第一端口和第二端口之间；U2-1的第一端口通过D6-1以及R112-1与U8的第四端口相连接，U2-1的第一端口与D6-1的正极相连接，C12-1连接在D6-1负极与U2-1第二端口之间；U8的第二端口分别连接有R1、D5 和D9和R111，其中U8的第二端口与D5的负极相连接，D5的正极接地，U8的第二端口与D9的正极相连接，D9的负极接电源端，R1的另一端也接电源端；U8的第七端口接地，U8的第十四端口接电源端，U8的第十四端口还通过C14接地；U8的第一端口与其第十二端口相连接；U8的第六端口分别连接有R1-1、D5-1 和D9-1和R111-1，其中U8的第六端口与D5-1的负极相连接，D5-1的正极接地，U8的第六端口与D9-1的正极相连接，D9-1的负极接电源端，R1-1的另一端接地；U8的第五端口与其第十二端口相连接；U2的第三、第四、第五、第六端均与其第二端口连接；U2-1的第三、第四、第五、第六端均与其第二端口连接；

所述互锁功能电路包括电阻R4、R4-1、R5、R5-1、R6、R6-1、电容C2、C2-1、C3、C3-1、C9、C18、光纤接收器U3、U3-1、施密特触发器U5以及四2输入与非门U7；U3的第一端口分别连接R4以及U5的第一端口，U5的第二端口通过R5分别与R6、C3以及U5的第三端口相连接，U5的第四端口与其第十三端口相连接；C3和R6的另一端接地；C2连接在U3的第二端口与第三端口之间，U3的第二端口同时接地；U5的第七端口接地，U5的第十四端口通过C9接地，U5的第十四端口还作为电源端口；U3-1的第一端口分别连接R4-1以及U5的第五端口，U5的第六端口通过R5-1分别与R6-1、C3-1以及U5的第十一端口相连接，U5的第十端口与其第九端口相连接；C3-1和R6-1的另一端接地；C2-1连接在U3-1的第二端口与第三端口之间，U3-1的第二端口同时接地；U5的第十二端口与U7的第一端口相连接，U5的第八端口与U7的第二端口相连接，U7的第七端口接地，U7的第十四端口通过C18接地，U7的第十四端口作为电源端；U7的第三端口与U8的第十二端口相连接。

所述驱动输出电路由两组开通关断电阻网络、两组Vce短路保护电路组成；两组开通关断电阻网络的其中一组包括电阻R221、R222、R231、R232和R21，R221与R222并联，R231与R232并联，R221与R222并联后的一端与R21相连接，R221与R222并联后的另一端与R231与R232并联后的一端相连接，R231与R232并联后的另一端与R21的另一端相连接；另一组包括电阻R131、R132、R121、R122和R11；R131和R132并联，R121和R122并联，R131和R132并联后的一端与R11相连接，R131和R132并联后的另一端与R121和R122并联后的一端相连接，R121和R122并联后的另一端与R11的另一端相连接；

Vce短路保护电路的其中一路包括电阻R22、R26，电容Ca2、Ca22，二极管D62、D72；Ca2的一端顺次与R26及D62相连接，其中R26与D62的正极相连接，D62的正极通过Ra22分别与D72的正极以及Ca22相连接；Ca2的另一端与Ca22的另一端相连接；Ca2的另一端与R21的另一端相连接，D62的负极作为内部接线网络VISO2端（是内部接线的网络，指的是+15V 电源网络）；另一路包括电容Ca1、Ca12，电阻R16、Ra12，二极管D61和D71；Ca1的一端顺次与R16及D61相连接，其中R16与D61的正极相连接，D61的正极通过Ra12分别与D71的正极以及Ca22相连接；Ca1的另一端与Ca12的另一端相连接，D61的负极作为内部接线网络VISO1端（是内部接线的网络，指的是+15V 电源网络）；Ca1的另一端与R11的另一端相连接。

驱动芯片U1分布在驱动板中间，电容C4、C5、C11、C13、二极管D8、电源芯片U9作为DC-DC电源模块分布在U1的左侧，电阻R1、R1-1、R111、R112、R113、R111-1、R112-1、R113-1、电容C12、C14、C12-1、二极管D5、D6、D7、D5-1、D6-1、D7-1、D9、D9-1与四-2输入与门U8组成光电收发电路分布在DC-DC电源模块的下方，互锁功能电路分布在光电收发电路下方；电源转换电路分布在互锁功能电路下方；光纤接收器U2、U2-1以及U3、U3-1组成光纤输入及反馈部分，电源输入连接器P1分布在DC-DC电源模块的左侧；光纤输入及反馈部分分布在光电收发电路左侧以及电源输入连接器P1的下方；两组开通阻断电阻网络分布在驱动芯片U1的右侧且上下对称分布，两组Vce短路保护电路分布在两组开通阻断电阻网络之间；驱动板最右侧设有驱动输出连接器。

光纤接收器U2、U2-1采用HFRB-1528Z，U8采用CD4081BCM，光纤接收器U3、U3-1采用HFRB-2522ETZ，U5采用CD4106，U7采用CD4011。

按照上述方案设计制作了IGBT驱动电路装置，电路整体结构布局如下图2所示。

外部控制电路提供的电源通过输入连接器P1接入驱动电路装置。

电容C4、C5、C11、C13、二极管D8、电源芯片U9一起组成电源电路，为驱动板提供可靠的电源输入，见图3。

电容C15、C16、C17、C17-1、电阻R8、R9、R10与三端稳压器U10一起组成电源转换电路，将DC15V电源转换为DC5V,供驱动芯片使用，见图4。

外部控制信号通过光纤接收器U2、U2-1接入驱动装置，通过光纤发送器U3、U3-1反馈回控制电路。电阻R111～R113、R111-1～R113-1、电容C12、C14、、C12-1、二极管D5、D6、D7、D5-1、D6-1、D7-1与光纤接收器U2、U2-1组成两路故障反馈电路，将驱动芯片产生的故障信号放大整理后，将故障信号传递给控制系统，控制系统将封锁脉冲信号，见图5。

电阻R4、R4-1、R5、R5-1、R6、R6-1、电容C2、C2-1、C3、C3-1、C18、光纤接收器U3、U3-1、施密特触发器U5以及四2输入与非门U7组成互锁电路，能防止直通信号，驱动板立即封锁脉冲，同时向控制单元发故障信号，见图6。

组成一路开通关断电阻网络有两路，每路输出包括两个并联的开通电阻和两个并联的关断电阻，可以及时根据IGBT参数进行调整及优化，图7为其中一路的结构示意图，包括电阻R221、R222、R231、R232和R21。

电阻Ra22、R26、电容Ca2、Ca22、二极管D62、D72组成其中一路Vce短路保护电路，电阻Ra12、R16、电容Ca1、Ca12、二极管D61、D71组成另一路Vce短路保护电路当电路发生短路时，使IGBT能及时关掉门极，见图8。