一种轨道交通IGBT全时保护驱动器的制作方法

本发明属于电路保护驱动器领域，具体涉及一种轨道交通igbt全时保护驱动器。

背景技术：

目前在轨道交通技术装备中传动系统中的关键部分为牵引变流器，电力电子器件又是变流器中最核心的器件之一。目前igbt(绝缘栅极双极性晶体管)作为一种可控器件在轨道交通中牵引变流器和各种辅助变流器中得到广泛的应用，igbt模块的导通和截止需要驱动控制电路来控制，现有驱动控制电路存在如下几方面的问题：

1、体积大，分立器件或集成式构成的驱动控制电路体积大。

2、隔离不够完全，有的仅仅实现了电气隔离，但并没有实现信号隔离。

3、igbt保护功能不完善。

现有中国专利文件201510454264.9公布了一种步进电机驱动器中igbt保护电路及保护方法，其主要技术方案为：包括控制电路、过流保护电路、电流互感器、栅极驱动、栅极驱动、igbt、栅极电阻、栅极稳压二极管以及三极管。控制电路与栅极驱动及三级管基极连接，栅极驱动通过栅极电阻与igbt栅极连接，三极管集电极与稳压二极管阴极连接，稳压二极管阳极与igbt栅极连接，电流互感器串联在电机线圈中，电流互感器的输出端与过流保护电路的输入端连接，过流保护电路输出端与控制电路连接。与本发明方案不同。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种轨道交通igbt全时保护驱动器，完成了包括欠压保护、干扰信号的屏蔽、igbt栅极电压保护、vce电压抑制、开关电阻分段控制、过流保护、全时短路工况的保护措施及工作原理，既实现了电气隔离，又实现了信号隔离，实现了对igbt的多方面、多角度的完善保护。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种轨道交通igbt全时保护驱动器，采用dc-dc电磁隔离技术进行信号的隔离，电源输入电压为15v-24v；

采用栅极过压保护技术，在igbt的栅极与发射极两端并联静电释放电阻及用于抑制过压的tvs二极管，并在其基础上增设肖特基二极管到栅极电源，为栅极过压提供反馈到栅极电源的通道；

采用分时段全时控制igbt开关电阻，通过设置可编程逻辑单元在开通和关短期间分段调节栅极电阻，以控制di/dt和dv/dt的速率稳定；

采用igbt全时短路状况保护技术，在退饱和及电阻分压的基础上增加ve-e电压检测模块，实现igbt全时短路保护；

采用vce过压保护技术，软硬件集合实现对igbt的过压保护，硬件方面采用tvs设定有源钳位保护点，技术采用负反馈环路；软件方面当igbt电压达到额定电压后电流开始下降，此时控制选取较大的电阻来延缓di/dt速率，减小由于杂散电感以及di/dt产生的vce过压。

进一步的，所述驱动器利用磁芯变压器技术实现10kv超高压隔离。

进一步的，所述分时段全时控制igbt开关电阻的具体控制过程为：

开通过程中：

第一阶段igbt栅极由-15v充电达到0v未到达阈值电压，在此过程中igbt是未动作的，因此通过程序控制mos管开通选取较小的栅极驱动电阻使栅压快速达到0v；

第二阶段当igbt栅极电压由0v升到阈值电压的过程，通过程序控制选取安全快速的电阻达到栅极充电目的；

第三阶段当栅压到达阈值电压但未达到米勒平台电压的过程中，选取电阻控制igbt开通di/dt的速率；

第四阶段当栅极电压稳定在密勒平台上，集射极电压下降显著，此时通过控制栅极电阻得以立控制开通期间dv/dt的速率；

关断过程中：

在igbt栅极电压降至阈值电压，此时处于栅极电荷抽取过程，通过控制栅极驱动电阻，来控制这个过程中dv/dt速率，当igbt电压达到额定电压后电流开始下降，此时控制选取较大的电阻来延缓di/dt速率，减小由于杂散电感以及di/dt产生的vce过压；当电流减小到90％后选取小电阻来减小电流拖尾时间，减小igbt关短损耗。

进一步的，所述驱动器采用igbt全时短路状况保护技术，在igbt开通时由于功率发射极ve与辅助发射极ve间杂散电感l&，在电流的上升期会产生δvon；在短路状况发生时δvsc值会大于δvon，因此通过全时检测ve-e电压实现无论在开通的任何阶段以及任何电压的应用条件下全程监控igbt是否发生短路情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明完成了包括欠压保护、干扰信号的屏蔽、igbt栅极电压保护、vce电压抑制、开关电阻分段控制、过流保护、全时短路工况的保护措施及工作原理，通过超高压隔离技术既实现了电气隔离，又实现了信号隔离，通过栅极过压保护技术为防止igbt栅极过压提供了有效的保护，通过igbt开关动作的全时控制技术在开通和关短期间分段调节栅极电阻，有效解决di/dt和dv/dt的速率问题，通过igbt全时短路状况保护技术实现igbt全时短路保护功能，通过vce过压保护技术在软硬件方面实现对igbt的过压保护，实现了对igbt的多方面、多角度的完善保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超高压隔离技术实现方案电路图；

图2为栅极过压保护技术实现方案电路图；

图3为igbt开关动作的全时控制技术

图4为退饱和检测技术方案电路图；

图5为vce电压检测短路保护技术方案电路图；

图6为退饱和及电阻分压结合ve-e电压检测电路图；

图7为vce过压保护技术电路图；

图8为本发明方案拓扑图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。

如图1所示的一种轨道交通igbt全时保护驱动器，采用以下技术方案：

1、超高压隔离技术：由于轨道交通应用领域电压等级高的特征，本方案采用的dc-dc电磁隔离技术，并且根据轨道交通应用环境中提供的电源环境，电源方案设计输入电压为15v-24v宽范围设计，该方案具有输入欠压锁定、软起动、振荡器同步等功能，利用磁芯变压器技术实现了10kv超高压隔离。实现方案如图1所示。

2、栅极过压保护技术：由于igbt的栅极很容易被过压击穿，在高压开关过程中由于igbt杂散电感以及自身的寄生电容很容易产生高于igbt栅极耐压值(±20v)的过压。针对这种情况，本发明方案提出由在栅极与发射极两端并联静电释放电阻以及抑制过压的tvs二极管，在此基础上增加一个肖特基二极管到栅极电源，为栅极过压提供反馈到栅极电源的通道。以上措施为防止igbt栅极过压提供了有效的保护。具体方案如图2所示。

3、igbt开关动作的全时控制技术：igbt栅极驱动参数对igbt开关过程中di/dt和dv/dt以及开关损耗有着很大的影响，一个设计合理的igbt驱动电路应该是根据栅极驱动参数的影响而进行优化设计。栅极驱动电阻对电流变化率以及集射极电压变化率有较大的影响，当栅极电阻较大时，会增加igbt的开关损耗，在发生短路时或与igbt反并联的续流二极管关断期间，施加在密勒电容上的di/dt和dv/dt，可引起栅极电路有电流流过，若电流足够大，则会在栅极上产生压降，会导致igbt误导通或在栅极驱动电路引起振荡；当栅极电阻较小时，di/dt和dv/dt则变大。因此在实际应用中为了防止igbt过压，通常要求di/dt不能太大，这可以通过栅极电阻调节实现。而相应的dv/dt也不大，即电压变化率较小，从而造成开关损耗较大。因此，通过栅极电阻调节di/dt和dv/dt是矛盾的。

本发明方案提供了一个分段全时控制igbt开关电阻的方案，通过可编程逻辑单元在开通和关短期间分段调节栅极电阻，达到解决di/dt和dv/dt问题的一种有效的方法。具体控制过程为：在开通过程中第一阶段igbt栅极由-15v充电达到0v未到达阈值电压，因此在此过程中igbt是未动作的，因此通过程序控制mos管开通选取较小的栅极驱动电阻使栅压快速达到0v；第二阶段当igbt栅极电压由0v升到阈值电压的过程，通过程序控制选取安全快速的电阻达到栅极充电目的；第三阶段当栅压到达阈值电压但未达到米勒平台电压的过程中，选取电阻控制igbt开通di/dt的速率；第四阶段当栅极电压稳定在密勒平台上，集射极电压下降显著，此时通过控制栅极电阻得以立控制开通期间dv/dt的速率；

关断过程中，在igbt栅极电压降至阈值电压，这时候处于栅极电荷抽取过程，通过控制栅极驱动电阻，来控制这个过程中dv/dt速率，当igbt电压达到额定电压后电流开始下降，这时候控制选取较大的电阻来延缓di/dt速率，可以显著减小由于杂散电感以及di/dt产生的vce过压；当电流减小到90％后选取小电阻来减小电流拖尾时间，有效减小igbt关短损耗。具体方案如图3所示。

4、igbt全时短路状况保护技术：igbt在实际运行当中，主要的短路主要分为1类及2类短路，从时间上分为开机短路以及工作中短路。目前市场现有的退饱和检测及vce电压监测的短路保护功能可满足对1、2类，但是两种保护功能都有一定的弊端，无法完全满足轨道交通应用。

(1)退饱和检测在实际应用过程中的缺点是响应时间不及时，因为在igbt实际开通过程中进入到饱和区的时间远超过10微秒(igbt最大短路时间)，因此在实际应用中如果遇到开机短路的状况，此类短路保护的响应时间无法满足安全需要，有一定时间的检测盲区，技术方案如图4所示。

(2)vce电压检测短路保护，在igbt短路发生时由于vce电压并不会降至vcesat电压，因此只需通过电阻分压来实时监测母线电压来检测igbt是否发生短路，此类保护在轨道交通应用中存在一定电压盲区的弊端。因为在轨道交通应用中，其特点之一为电压等级高，而vce阈值电压的设定是与母线电压存在正比关系。在实际的应用中，例如：条件vcc＝1800v，vref＝8.9v，如果vcc母线电压在设定值vcc只有500v时，在发生短路的情况下，取样电阻的电压值无法达到驱动板设定的检测阈值电压，因此此类保护同样存在短路电压检测的盲区，技术方案如图5所示。

本发明专利采用的是全时短路保护技术，可以在igbt在应用过程中的任意时段任意的电压下发生短路情况下可实现实时保护的功能。具体方案为，在退饱和及电阻分压的基础上增加ve-e电压检测功能，在igbt开通时由于功率发射极ve与辅助发射极ve间杂散电感l&的原因，在电流的上升期会产生δvon。在短路状况发生时δvsc值会大于δvon，因此通过全时检测ve-e电压便可实现无论在开通的任何阶段以及任何电压的应用条件下全程监控igbt是否发生短路情况，此技术可以实现igbt全时短路保护功能，具体方案如图6所示。

5、vce过压保护技术：在轨道交通应用领域，主电路(直流电容到igbt模块间)存在较大杂散电感(几十到数百nh)。igbt关断时,集电极电流下降率较高,即存在较高的dioff/dt,在杂散电感两端感应出电动势,方向与直流母线电压一致,并与直流母线一起叠加在igbt两端。从而使igbt集电极-发射极间产生很大的浪涌电压,甚至会超过igbt额定集射极电压,使igbt损坏。

本方案在软硬件方面实现对igbt的过压保护。硬件方面采用可靠tvs设定有源钳位保护点，技术采用负反馈环路，如图7所示。给定的是tvs击穿点，被控对象为集电极电压。软件方面当igbt电压达到额定电压后电流开始下降，这时候控制选取较大的电阻来延缓di/dt速率，可以显著减小由于杂散电感以及di/dt产生的vce过压。

本发明专利完成了包括欠压保护、干扰信号的屏蔽、igbt栅极电压保护、vce电压抑制、开关电阻分段控制、过流保护、全时短路工况的保护措施及工作原理，对igbt保护功能比较完善。

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。