一种IGBT驱动装置及系统的制作方法

本发明涉及半导体功率器件技术领域，具体的说，涉及一种igbt驱动装置及系统。

背景技术：

igbt器件在牵引电传动、电能传输与变换、有源滤波等电力电子领域得到了广泛应用。交流传动是我国铁道牵引动力发展的一个重要方向，大功率交流传动电力机车均是基于igbt器件的牵引变流器实现。变流器模块是轨道机车车辆用的变流器系统的核心关键部件。在变流器系统中，大功率igbt器件的驱动是一个重要环节，其性能直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。驱动电路性能的提高能减小igbt开关延时，降低开关损耗，获得很好的开通关断性能，在发生过流或短路故障时，也需要驱动电路能够迅速做出保护动作，避免超过热极限以及超过器件耐压的情况，确保igbt可靠安全运行。

现有的igbt驱动器采用三极管实现栅极控制信号的驱动放大，由于三极管的额定电流较小，需要多个三级管并联，占用电路板面积较大，电路结构复杂，可靠性较低。

因此，亟需一种能够简化驱动电路，提高可靠性的igbt驱动装置和系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种igbt驱动装置及系统，以解决的传统的igbt驱动装置电路结构复杂，可靠性较低的技术问题。

本发明提供一种igbt驱动装置，该装置包括：

驱动控制单元，其用于生成开通驱动信号和关断驱动信号，并在pwm信号的控制下通过所述开通和关断驱动信号对igbt进行交错驱动，以及在所述igbt短路时通过所述开通和关断驱动信号对igbt进行软关断；

电压检测单元，其用于检测igbt集电极和发射极之间的电压，并根据所述 集电极和发射极之间的电压判断igbt是否短路。

所述驱动控制单元包括：

控制模块，其用于根据pwm信号生成第一控制信号和第二控制信号；

开通驱动模块，其用于生成开通驱动信号并在第一控制信号的控制下向igbt的栅极传输开通驱动信号；

关断驱动模块，其用于生成关断驱动信号并在第二控制信号的控制下向igbt的栅极传输关断驱动信号。

本发明提供的igbt驱动装置还包括：桥臂保护单元，其用于在判断igbt发生桥臂直通短路时向桥臂内互补igbt的驱动装置发送短路保护指令，并接收所述桥臂内互补igbt的驱动装置发送的短路保护指令；

所述驱动控制单元还用于根据所述短路保护指令对igbt进行软关断。

所述电压检测单元包括：

检测模块，其用于检测igbt集电极和发射极之间的电压vce；

短路判断模块，其用于在开通控制信号对igbt进行驱动时，若vce大于第一预设电压且持续时间达到第一预设时长，则判断igbt短路，若vce大于第二预设电压且持续时间达到第二预设时长，则判断igbt短路，第一预设电压大于第二预设电压，第一预设时长小于第二预设时长。

所述控制模块还用于在igbt短路时调节第一控制信号波形，使开通驱动模块停止向igbt栅极传输开通驱动信号，并调节第二控制信号的占空比，使关断驱动模块向igbt栅极传输关断驱动信号的时间延长，从而实现igbt的软关断。

所述电压检测单元还包括：

失效判断模块，其用于在关断控制信号对igbt进行驱动时，若vce小于第三预设电压，则判断igbt失效。

所述开通驱动模块包括：

第一开关器件，其一端连接开通驱动信号源，另一端通过第一电阻与igbt栅极连接，第一开关器件在第一控制信号的控制下进行开关动作；

所述关断驱动模块包括：

第二开关器件，其一端连接关断驱动信号源，另一端通过第二电阻与igbt栅极连接，第二开关器件在第二控制信号的控制下进行开关动作。

所述第一开关器件为n型场效应管，其栅极接入第一控制信号，漏极接入第 一驱动信号，源极与第一电阻连接，所述第二开关器件为p型场效应管，其栅极接入第二控制信号，漏极接入第二驱动信号，源极与第二电阻连接。

本发明还提供一种igbt驱动系统，该系统包括：

多个所述igbt驱动装置，当判断igbt发生桥臂直通短路时，短路igbt的驱动装置向桥臂内互补igbt的驱动装置发送短路保护指令，所述桥臂内互补igbt的驱动装置接收所述短路保护指令，并根据所述短路保护指令对所述桥臂内互补igbt进行软关断。

本发明提供的igbt驱动装置和系统，通过驱动控制单元生成具有足够驱动功率的开通驱动信号和关断驱动信号，实现在pwm信号的控制下通过开通驱动信号和关断驱动信号对igbt的交错驱动，相对于传统的三极管功率放大电路简化了电路，提高了可靠性，减小了驱动装置体积。并且，对于igbt一类和二类短路采用的不同的电压和时长基准进行检测，使igbt短路判断的条件更加细化和明确，结合通过调节控制信号占空比对igbt进行软关断，实现了对不同类型短路的更快速更精准地保护，提高了igbt工作安全性。同时，通过在栅极电压为低电平时对igbt电压的检测实现对于igbt失效的判断。而且，可以通过桥臂内一个igbt的短路判断对与其互补的igbt进行软关断保护，大幅缩短了该igbt的保护时间，进一步增强了元件的安全性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的igbt驱动装置的示意图；

图2是本发明实施例提供的驱动控制单元的示意图；

图3是本发明实施例提供的开通驱动模块和关断驱动模块的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何 应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供一种igbt驱动装置，如图1所示，该igbt驱动装置1包括：驱动控制单元2、电压检测单元3。驱动控制单元2用于生成开通驱动信号和关断驱动信号，并在pwm信号的控制下通过开通和关断驱动信号对绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)4进行交错驱动，以及在igbt短路时通过开通和关断驱动信号对igbt进行软关断。电压检测单元3用于检测igbt集电极和发射极之间的电压vce，并根据集电极和发射极之间的电压vce判断igbt是否短路。

由于pwm脉冲信号不具有足够的功率来驱动igbt，传统的igbt驱动装置通常采用由三极管组成的功率放大电路对pwm信号进行功率放大，然后再传输给igbt进行驱动。由于三极管的额定电流较小，因此传统的三极管功率放大电路需要由多个三极管并联组成，占用电路板面积较大。而在本发明提供的igbt驱动装置中，通过驱动控制单元生成具有足够驱动功率的开通驱动信号和关断驱动信号，在pwm信号的控制下交错地向igbt栅极传输开通驱动信号和关断驱动信号，从而实现通过pwm信号对igbt的驱动，相对于传统的三极管功率放大电路简化了电路设计，减小了驱动装置体积。

进一步的，如图2所示，驱动控制单元包括：控制模块5、开通驱动模块6和关断驱动模块7。控制模块5用于根据pwm信号生成第一控制信号和第二控制信号。开通驱动模块6用于生成开通驱动信号并在第一控制信号的控制下向igbt的栅极传输开通驱动信号。关断驱动模块7用于生成关断驱动信号并在第二控制信号的控制下向igbt的栅极传输关断驱动信号。控制模块5根据pwm驱动信号脉冲波形生成与其同步同频率的第一控制信号和第二控制信号。在本发明的一种实施方式中，第一控制信号和第二控制信号的波形互补，当pwm信号为高电平时，生成的第一控制信号为高电平，生成的第二控制信号为低电平，而当pwm信号为低电平时，生成的第一控制信号为低电平，生成的第二控制信号为高电平。在该种实施方式中，开通驱动模块在第一控制信号为高电平时向igbt栅极传输开通驱动信号，在第一控制信号为低电平时则不进行传输，关断驱动模块在与第一控制信号互补的第二控制信号为高电平时进行关断驱动信号的传输， 而在第二控制信号为低电平时不进行传输，从而实现开通驱动信号和关断驱动信号对于igbt的交错驱动。

进一步的，在本发明实施例中，如图3所示，开通驱动模块6包括：第一开关器件a，第一开关器件a一端连接开通驱动信号源，另一端通过第一电阻r1与igbt栅极g连接。关断驱动模块7包括：第二开关器件b，第二开关器件b一端连接关断驱动信号源，另一端通过第二电阻r2与igbt栅极g连接。第一开关器件a在第一控制信号的控制下进行开关动作，第二开关器件b在第二控制信号的控制下进行开关动作。

可选的，在本发明的一种实施方式中，第一开关器件a为p型场效应管，其栅极接入第一控制信号，漏极连接开通驱动信号源，源极与第一电阻r1连接，第二开关器件b为n型场效应管，其栅极接入第二控制信号，漏极连接关断驱动信号源，源极与第二电阻r2连接。在本实施方式中，在igbt正常工作过程中，第一控制信号和第二控制信号的波形可相同，由于n型场效应管和p型场效应管导通电平相反，从而实现开通驱动信号和关断驱动信号的交错传输。同样的，若第一控制信号和第二控制信号的波形互补，则第一开关器件a和第二开关器件b可选为相同类型的场效应管，第一、第二控制信号和第一、第二快关器件的对应选择方式在这里不做限制。

优选的，第一开关器件a和第二开关器件b选用场效应管irf7319，开通驱动信号源和关断驱动信号源分别选为+15v和﹣15v的驱动电压源。场效应管irf7319常态电流达到6a，峰值电流达到30a，是三极管器件的三倍，单个场效应管irf7319即可满足对igbt的驱动电流要求，相对于传统的三极管功率放大电路极大的简化了电路。

进一步的，电压检测单元包括：检测模块和短路判断模块。检测模块用于检测igbt集电极和发射极之间的电压vce。短路判断模块用于在开通控制信号对igbt进行驱动时，若vce大于第一预设电压且持续时间达到第一预设时长，则判断igbt短路，若vce大于第二预设电压且持续时间达到第二预设时长，则判断igbt短路。其中，第一预设电压大于第二预设电压，第一预设时长小于第二预设时长。

igbt的短路分为一类短路(桥臂直通短路)和二类短路(相间短路)两种，这两种短路都会出现“退饱和现象”，当igbt一旦退出饱和区，其功率损耗会 成百倍的急剧增加。其中，在发生一类短路时，电感量很小，igbt的电流会快速上升，当电流上升到4倍额定电流时，igbt会发生退饱和现象，其标志是igbt的电压会迅速上升至直流母线电压。由于在igbt退出饱和区后，其电流将会大于4倍额定电流，其电压为母线电压，此时igbt芯片的损耗非常大，需要在尽可能短的时间内关断igbt。由于一类短路电流爬升非常快，在本发明中采用第一预设电压作为电压基准检测vce电压，当检测到vce超过第一预设电压并持续时间达到第一预设时长时，则表明igbt发生了一类短路，此时短路检测模块生成短路保护指令，驱动控制单元根据指令对igbt进行软关断。

在igbt发生二类短路时，电感量相对较大，电流爬升的速度相对于一类短路稍微慢一些，栅极脉冲打开时，igbt的vce下降至饱和压降，随着电流进一步加大，饱和压降轻微上升，当电流达到4倍额定值时，出现退饱和现象，vce迅速上升至直流母线电压，从退饱和算起，数微秒内必须关断igbt。由于二类短路电流上升速度相对于一类短路稍慢，因此，在本发明中，采用第二预设电压作为电压基准检测vce电压，第二预设电压小于第一预设电压，当检测到vce超过第二预设电压并持续时间达到第二预设时长时，则表面igbt发生二类短路，第二预设时长大于第一预设时长，此时短路检测模块生成短路保护指令，驱动控制单元根据指令对igbt进行软关断。

电压检测单元在驱动脉冲高电平期间，采用不同基准电压对igbt的通态压降vce进行检测判断。针对igbt发生一类短路时电流爬升非常快，发生二类短路电流爬升相对慢一些的特点，采用高电压基准(第一预设电压)结合短时长(第一预设时长)的标准以及低电压基准(第二预设电压)结合长时长(第二预设时长)的标准检测vce。第一、第二预设电压和第一、第二预设时长通过具体的igbt器件型号试验设定。对于一类和二类短路采用的不同的电压和时长基准进行检测可以使igbt短路判断的条件更加细化和明确，相对于传统的采用统一基准进行检测的igbt驱动器，本发明提供的驱动装置可以极大的减少误保护的发生，并且能够更快的判断出短路的发生，实现了对不同类型短路的更快速地保护，在igbt未损坏前及时将igbt关断，提高了igbt工作安全性。

进一步的，由于在短路情况下，igbt电流达到额定值的4倍以上，关断时电流变化率很大，在主电路的寄生电感上产生很大的感应电压，叠加在母线电压上对igbt形成非常大的关断电压尖峰，可能会超过igbt的额定电压而导致器 件击穿失效。因此，需要采用软关断技术对igbt短路情况下产生的关断过压进行抑制。在本发明实施例中，控制模块还用于在igbt短路时调节第一控制信号波形，使开通驱动模块在第一控制信号控制下停止向igbt栅极传输开通驱动信号，并调节第二控制信号的占空比，使关断驱动模块向igbt栅极传输关断驱动信号的时间延长，从而实现igbt的软关断。

控制模块停止开通驱动信号的传输，通过延长关断驱动模块传输关断驱动信号的时间，使栅极关断驱动信号脉冲对igbt栅极电容平缓放电，减缓igbt关断的速度，igbt发射极e接地，实现对于igbt的软关断。第二控制信号调节后的占空比根据具体的igbt器件型号试验设定。

进一步的，电压检测单元还包括：失效判断模块，失效判断模块用于在关断控制信号对igbt进行驱动时，若vce小于第三预设电压，则判断igbt失效。当igbt栅极电压为低电平时，igbt应该处于关断状态，如果检测到vce大于第三预设电压，则可判断igbt没有失效，反之如果检测到vce小于第三预设电压，则可判断igbt失效。第三预设电压根据具体的igbt器件型号试验设定，在一种实施方式中第三预设电压小于等于第二预设电压。

进一步的，本发明提供的igbt驱动装置还包括：桥臂保护单元，桥臂保护单元用于在判断igbt发生桥臂直通短路时向桥臂内互补igbt的驱动装置发送短路保护指令，并接收桥臂内互补igbt的驱动装置发送的短路保护指令。驱动控制单元根据短路保护指令对igbt进行软关断。当电压检测单元检测到igbt短路时，向桥臂内互补的igbt的驱动装置发送短路保护指令，使该互补的igbt的驱动装置及时关断该互补igbt，相对于该互补igbt的电压产生异常再进行判断和保护，这样可以大幅缩短短路发生到进行保护之间的时间，进一步增强了元件的安全性。

在本发明实施例中，驱动控制单元、电压检测单元以及桥臂保护单元的功能可通过复杂可编程逻辑器件(complexprogrammablelogicdevice，cpld)实现，使保护时间精确到纳秒级，大幅提高保护精度，并且可以实现对于第一、第二、第三预设电压和第一、第二预设时长以及第四控制信号的占空比的灵活调整。

由于igbt器件应用于高压场合，驱动电路与控制电路在电气上应严格隔离。本发明提供的igbt驱动装置采用开环隔离型高频dc/dc实现电源隔离，并通过光纤实现驱动信号与主电路的光电隔离。

本发明实施例还提供一种igbt驱动系统，该系统包括：多个上述本发明实施例提供的igbt驱动装置，当判断igbt发生桥臂直通短路时，其驱动装置向桥臂内互补igbt的驱动装置发送短路保护指令，该桥臂内互补igbt的驱动装置接收短路保护指令，并根据短路保护指令对该桥臂内互补igbt进行软关断。也就是说若桥臂上的某只igbt由于误导通而引起短路，其桥臂内互补igbt的驱动装置检测该互补igbt的通态压降并判断该互补igbt短路，并发送短路保护指令给误导通的igbt的驱动装置，误导通的igbt的驱动装置根据短路保护指令及时关断igbt，这样大幅缩短了该误导通igbt的保护时间，进一步增强了元件的安全性。

本发明提供的igbt驱动装置和系统，通过驱动控制单元生成具有足够驱动功率的开通驱动信号和关断驱动信号，实现在pwm信号的控制下通过开通驱动信号和关断驱动信号对igbt的交错驱动，相对于传统的三极管功率放大电路简化了电路，提高了可靠性，减小了驱动装置体积。并且，对于igbt一类和二类短路采用的不同的电压和时长基准进行检测，使igbt短路判断的条件更加细化和明确，实现了对不同类型短路的更快速更精准地保护，提高了igbt工作安全性。同时，通过在栅极电压为低电平时对igbt电压的检测实现对于igbt失效的判断。而且，可以通过桥臂内一个igbt的短路判断对与其互补的igbt进行软关断保护，大幅缩短了该igbt的保护时间，进一步增强了元件的安全性。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。