一种大功率变流器半导体器件的驱动电路及其工作方法与流程

本发明属于大功率变流器领域，具体涉及了一种大功率变流器半导体器件的驱动电路及其工作方法。

背景技术

随着用电负荷容量不断上升，大功率变流器的应用得以推广。性能要求不高的大功率变流器可以通过单只大电流半导体器件实现，然而大电流半导体器件因自身节电容较大无法实现较高的开关频率限制了变流器的性能。性能要求较高的大功率变流器只能通过多只小电流半导体器件并联，以实现较高的开关频率提高性能并扩增容量。半导体器件并联要求所有半导体器件均流，均流程度取决于所并联器件驱动信号同步性、所并联器件的开关过程的一致性、散热条件的一致性及外部连接电路的一致性。

中国专利zl201320506486.7《一种大功率igbt模块并联驱动电路》公开了一种大功率igbt模块并联驱动电路，包括驱动核及其驱动扩展板。同样可以实现半导体器件的并联驱动，但因各驱动扩展板的响应时间不一致直接导致并联的半导体器件开关动作的不同步，使得动态均流效果较差。

中国专利zl201610624444.1《一种igbt并联均流电路及其控制方法》公开了一种igbt并联均流电路及其控制方法，其方法是基于测量出各半导体器件开断的时间差和稳态电流，最后通过调整半导体器件的驱动信号时间和驱动信号幅值以实现均流，方法相对复杂等效在控制的前向通道增加了延时，一定程度上限制了变流器的性能。且工程应用推广难度较高。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种大功率变流器中半导体器件的驱动电路及其工作方法，通过大容量驱动器单元同时为一只或多只半导体器件进行驱动，以此保证了半导体器件驱动信号的同步性，提高了半导体器件的均流性，并在此基础上监测半导体器件的电流和温度并进行保护，保证了大功率变流器半导体器件的安全稳定运行。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种大功率变流器驱动电路，包括：控制信号接收处理单元、大容量驱动器单元和故障信号处理及反馈单元，其中：

所述控制信号接收处理单元用于将外部1路驱动信号生成2路互补带死区的驱动信号，传输给大容量驱动器单元；

所述大容量驱动器单元与半导体器件连接，用于接收控制信号接收处理单元发送的驱动信号并进行放大后发送给半导体器件，同时获取每个半导体器件两端的电压值，并将电压值反馈给故障信号处理及反馈单元；

所述故障信号处理及反馈单元用于监测半导体器件的电流和温度信号，同时接收每个半导体器件两端的电压值，并将电流、温度和电压值与预先设定的阈值进行比较，当超出阈值时发送故障信号给外部控制器。

还包括接口电路，接口电路用于实现故障信号处理单元及反馈单元和控制信号接收处理单元与外部控制器之间的数据交互，并且接口电路设置有光信号接口和电信号接口。

所述半导体器件至少为一个，当半导体器件超过一个时，所有半导体器件之间并联。

所述半导体器件的驱动信号由一只大容量驱动器单元发出，半导体器件为单只大电流半导体器件或者并联的多只小电流半导体器件。

所述大电流半导体器件的电流超过600a，小电流半导体器件的电流低于600a。

所述故障信号处理及反馈单元中的保护阈值根据不同的半导体器件和不同的器件降额标准进行调整；根据降额标准对半导体功率器件的内部最高工作温度进行限制，然后结合工作的电压、电流和开关频率计算得到其损耗，再参考内部热阻参数计算得到温度的保护阈值，结合半导体瞬间承受电流能力和降额标准得到电流的保护阈值，结合半导体器件的电流与两端电压的关系，根据降额标准得到电压的保护阈值。

一种大功率变流器驱动电路的工作方法，首先通过控制信号接收处理单元接收外部控制器发出的1路驱动信号，并将外部1路驱动信号生成2路互补带死区的驱动信号，传输给大容量驱动器单元，大容量驱动器单元接收到2路互补带死区的驱动信号进行放大，并将放大后的驱动信号发送给半导体器件，同时获取每个半导体器件两端的电压值，并将电压值反馈给故障信号处理及反馈单元，故障信号处理及反馈单元接收半导体器件两端的电压值，同时，监测半导体器件的电流和温度信号，并将电流、温度和电压值与预先设定的保护阈值进行比较，当超出保护阈值时发送故障信号给外部控制器

当外部控制器接收到故障信号后，立刻封锁半导体器件的使能开通信号，然后本驱动电路由于无外部控制器发出的使能开通信号，关闭半导体器件使之得以保护。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：通过大容量驱动器单元同时为一只或多只半导体器件进行驱动，以此保证了半导体器件驱动信号的同步性，提高了半导体器件的均流性，同时兼容一只大电流半导体器件和多只小电流半导体器件并联的方案，在多只半导体器件并联的应用中，可有效的保证各半导体器件开关的同步性；在此基础上监测所有半导体器件的电流和温度并进行保护；本驱动电路控制及反馈信号得以精简，可精简变流器内部的信号线走线。

本驱动电路中的保护阈值可针对不同的半导体器件和不同的降额标准进行调整，当任一半导体器件超出阈值时，反馈给外部控制器，外部控制器反馈停机指令，避免事故扩大化。

本驱动电路接收的控制信号和故障反馈信号均兼容电信号接口和光信号接口，增加了适应性，接口电路中的控制信号和反馈信号做到了光信号和电信号接口电路的兼容，拓展了适用性。本方法相对简单，同样在一定程度上实现了均流，通过保证各半导体器件的驱动信号一致性以均流，其余均流的优化取决于半导体器件一致性和外电路决定。

附图说明

图1为本发明的一种大功率变流器的驱动电路的功能模块的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。显然，所描述的实例是本发明的一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种大功率变流器驱动电路包括：控制信号接收处理单元、大容量驱动器单元和故障信号处理及反馈单元，其中：控制信号接收处理单元用于将外部1路驱动信号生成2路互补带死区的驱动信号，传输给大容量驱动器单元；大容量驱动器单元与半导体器件连接，用于接收控制信号接收处理单元发送的驱动信号并进行放大后发送给半导体器件，同时获取每个半导体器件两端的电压值，并将电压值反馈给故障信号处理及反馈单元；

故障信号处理及反馈单元用于监测半导体器件的电流和温度信号，同时接收每个半导体器件两端的电压值，并将电流、温度和电压值与预先设定的阈值进行比较，当超出阈值时发送故障信号给外部控制器；

还包括接口电路，接口电路用于实现故障信号处理单元及反馈单元和控制信号接收处理单元与外部控制器之间的数据交互，并且接口电路设置有光信号接口和电信号接口。

本发明中的半导体器件至少为一个，当半导体器件超过一个时，所有半导体器件之间并联，半导体器件的驱动信号由一只大容量驱动器单元发出，半导体器件为单只大电流半导体器件或者并联的多只小电流半导体器件，大电流半导体器件的电流超过600a，小电流半导体器件的电流低于600a。在本发明的某一实施例中，半导体器件为igbt。

在本发明中，故障信号处理及反馈单元中的保护阈值根据不同的半导体器件和不同的器件降额标准进行调整，根据降额标准对半导体功率器件的内部最高工作温度进行限制，然后结合工作的电压、电流和开关频率计算得到其损耗，再参考内部热阻参数计算得到温度的保护阈值；结合半导体瞬间承受电流能力和降额标准得到电流的保护阈值，结合半导体器件的电流与两端电压的关系，根据降额标准得到电压的保护阈值；不同的期间设定的不同保护阈值，实现了更加精细化的管理和监测，保证了运行的安全可靠性。

本发明的工作方法如下，首先通过控制信号接收处理单元接收外部控制器发出的1路驱动信号，并将外部1路驱动信号生成2路互补带死区的驱动信号，传输给大容量驱动器单元，大容量驱动器单元接收到2路互补带死区的驱动信号进行放大，并将放大后的驱动信号发送给半导体器件，同时获取每个半导体器件两端的电压值，并将电压值反馈给故障信号处理及反馈单元，故障信号处理及反馈单元接收半导体器件两端的电压值，同时，监测半导体器件的电流和温度信号，并将电流、温度和电压值与预先设定的保护阈值进行比较，当超出保护阈值时发送故障信号给外部控制器，告知外部控制器大功率变流器中半导体器件发生故障，需要停机避免事故扩大化，当外部控制器接收到故障信号后，立刻封锁半导体器件的使能开通信号，这里的故障信号可以是光信号或电信号，然后本驱动电路由于无外部控制器发出的使能开通信号，关闭半导体器件使之得以保护。

如图1所示，驱动电路有控制信号接收处理单元、大容量驱动器单元、故障信号处理及反馈单元和接口电路组成，接口电路硬件上实现了光信号电信号接口的兼容，共处理三个信号，分别是驱动信号、使能信号和故障信号，控制信号接收处理单元根据接口电路中的1路驱动信号生成2路互补带死区的驱动信号，作用于大容量驱动器单元，同时根据使能信号判断是否使能大容量驱动器单元工作以触发半导体器件，当大容量驱动器单元被使能后，一方面为半导体器件提供驱动能量，一方面监测其工作电流；因工作电流大小与半导体器件主极间电压直接相关，因此通过检测半导体器件主极间电压实现对其工作电流的监测，一旦超过预设的保护阈值，故障信号作用于故障信号处理及反馈单元，一方面阻断控制信号接收处理单元中的使能信号，另一方面通过接口电路上报故障，故障信号处理及反馈单元同时监测半导体器件的工作温度，工作温度一旦超过预设阈值，像电流故障一样触发保护并上报故障，保护阈值可根据不同的半导体器件和不同的降额标准进行调整。