一种智能化的igbt恒流驱动装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能化的IGBT恒流驱动装置，包括隔离DC?DC模块、PLD数字控制模块、DAC数模转换模块、受控恒流源、电压比较逻辑电路、门级电流采集电路和电流比较逻辑电路。一次侧控制部分的驱动电源和驱动信号经过隔离DC?DC模块为二次侧提供隔离的驱动电源和驱动信号，二次侧的报警信号经过隔离DC?DC模块为一次侧提供隔离的报警信号；驱动信号、电压比较逻辑电路和电流比较逻辑电路的输出端与PLD数字信号的输入端相连，PLD的输出与DAC数模转换模块的输入相连，DAC数模转换模块和减法电路输出与受控恒流源的输入相连，受控恒流源的输出经过驱动电阻Rg与IGBT的门级相连。本发明装置，以PLD数字控制为核心，可根据不同型号IGBT参数的差异调节控制回路的输出，实现对不同系列、不同型号的IGBT最优控制。
【专利说明】
一种智能化的IGBT恒流驱动装置
技术领域
[00011本发明涉及一种IGBT驱动电路，具体说是一种智能化的IGBT恒流驱动装置。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子技术和半导体技术的飞速发展，电力电子技术不断渗透到新的领 域。绝缘概双极型晶体管IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)既具有M0SFET的工 作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热稳定性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断 电压高等多项优点，是取代GTR的理想开关器件。因此，其在现代电力电子技术中应用范围 也越来越广泛。如今，IGBT的额定电流和额定电压分别提高到了3600A和6500V，由大功率 IGBT构成的现代化兆瓦级变流器广泛应用在各类工业当中，如机车车辆的牵引和辅助供 电系统等等。
[0003] IGBT的驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间的接口，是电力电子装置的 重要环节，其性能的好坏对整个电路的工作性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路， 可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行 效率、可靠性、安全性都有重要的意义。大功率IGBT的运行环境比较恶劣，电压一般在千伏 以上，一旦发生故障而没有及时得到处理则会引起很严重的后果，甚至会造成安全事故，因 此设计好驱动电路对设备的安全运行至关重要。传统的大功率IGBT驱动一般是由分立元 件、纯模拟电路组成，实现的保护功能有限，保护的精确性靠元器件的精度保证，在IGBT 串、并联时会产生不同步，这样会留下安全隐患。
[0004] 传统的IGBT驱动电路多使用开环方式的驱动电路，即只能通过单一的改变栅极驱 动电阻或者调节栅极驱动电压来控制IGBT的开关过程，而对于IGBT开关过程的细节并没有 进行深入的分析和实时控制，从而会增加一些不必要的开关延迟和开关损耗。近年来随着 技术的发展，出现了一些智能型的IGBT驱动可以对IGBT的开关过程细节实现控制，例如： (1)多级栅极电阻切换的IGBT驱动系统，（2)直接对集电极电流变化率进行控制的IGBT驱动 系统。
[0005] 中国实用新型专利"智能数字化大功率IGBT驱动装置"（授权公告号 CN204633582U)公开了一种多级栅极电组切换的IGBT驱动系统。首先通过di/dt模块检测 IGBT的开关状态，根据IGBT所处的状态通过CPLD实时的切换IGBT的驱动电阻，一方面减小 了 IGBT的开关延迟和米勒平台时间，减小开关损耗；另一方面降低开通和关断时的IGBT集 电极电流的变化率，从而减小开通时的电压尖峰和关断时的电压尖峰，降低IGBT因超出安 全工作区而失效的风险。虽然采用改变栅极电阻实现的智能化IGBT驱动电路具有以上优 点，但其驱动系统的栅极驱动电压仍为固定电压，仅根据IGBT的工作状态分阶段的改变驱 动电阻，不能精确的实现对IGBT栅极驱动电流以及集电极电流的变化率的线性控制，不能 实现在最大程度降低开关损耗的基础上保证IGBT工作在安全工作区。
[0006] 中国发明专利申请"一种开关过程自动跟踪控制的大功率IGBT驱动电路"（公开号 CN105429440A)公开了一种开关过程自动跟踪控制的大功率IGBT驱动电路，包括三步驱动 控制模块，三步驱动控制模块分别与die/dt检测模块、功率放大模块连接，diG/dt检测模块、 功率放大模块均与IGBT连接。直接通过对集电极电流变化率di/dt进行采样，将采样数值经 过运算放大器处理，根据与外部给定的值的比较，实时的控制栅极驱动电压的变化，尽而实 现控制集电极电流变化率di/dt的目的。该专利公开的技术方案，只是实现了对集电极电流 变化率di/dt的线性控制，并没有实现最大程度的减小开关损耗。仅在集电极电流变化率 di/dt发生变化的阶段实时的控制栅极驱动电压的变化，对于开关延迟和米勒平台阶段，集 电极电流变化率di/dt没有变化，IGBT栅极充电采用的仍然是恒压充电的方式。随着电容电 压的上升，充电电流必然减小，尤其是米勒平台阶段，栅极电容电压与充电电压差值已经很 小，充电电流也比较小，所以不能够实现最大程度的减小开关延迟和米勒平台时间，减小开 关损耗。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出一种智能化的 IGBT恒流驱动装置。其基本思路是：以PLD数字控制为核心，通过检测集电极电流IC和极射 级电压U CE准确的判断IGBT的工作状态，根据IGBT的工作状态，实时的改变IGBT栅极的充电 电流，实现对IGBT的最优控制，（1)以PLD数字控制为核心，可根据不同型号IGBT参数的差异 调节控制回路的输出，实现对不同系列、不同型号的IGBT最优控制。（2)驱动IGBT的实质就 是对IGBT栅极电流充放电的控制，本专利采用数控恒流源实时的对IGBT栅极充放电电流进 行闭环控制，一方面能够限制IGBT栅极充放电电流的最大值，防止栅极以及整个IGBT出现 震荡，另一方面可以对IGBT开关过程的实现最优化控制。（3)在有效地抑制IGBT集电极电流 的变化率di/dt，减小开通时的电流尖峰和关断时的电压尖峰，防止IGBT因超出安全工作区 而损坏的基础上，最大限度的减小开关延迟以及米勒平台时间，减小开关损耗，提高系统效 率。（4)在发生短路的情况下，可以根据IGBT极射级V CE和集电极电流IC的状态区别一类短 路和二类短路，选择对应的方式关断IGBT，并根据短路电流的大小控制栅极电流的放电速 度，实现软关断，避免关断时出现电压尖峰，超出IGBT的安全工作区。
[0008] 本发明为实现发明目的，所采用的具体方案如下： 一种智能化的IGBT恒流驱动装置，包括隔离DC-DC模块、PLD数字控制模块、DAC数模转 换模块、受控恒流源、电压比较逻辑电路、门级电流采集电路和电流比较逻辑电路组成。一 次侧控制部分的驱动电源和驱动信号经过隔离DC-DC模块为二次侧提供隔离的驱动电源和 驱动信号，二次侧的报警信号经过隔离DC-DC模块为一次侧提供隔离的报警信号。驱动信 号、电压比较逻辑电路和电流比较逻辑电路的输出端与PLD数字信号的输入端相连，PLD的 输出与DAC数模转换模块的输入相连，DAC数模转换模块和减法电路输出与受控恒流源的输 入相连，受控恒流源的输出经过驱动电阻Rg与IGBT的门级相连。
[0009] 隔离DC-DC模块主要用于实现一次侧和二次侧之间的隔离，一方面用于实现一次 侧和二次侧之间电源的隔离，另一方面用于实现一次侧和二次侧驱动信号和报警信号的隔 离传输。
[0010] PLD数字控制模块为整个系统的核心，通过检测集电极电流Ic和集射级电压Uce实 时的判断IGBT所处工作的状态，根据IGBT的工作状态输出相应的数字信号，控制后级系统 实现整个驱动系统的闭环控制。其主要作用包括：（1)实现对不同系列不同型号的IGBT最优 控制；（2)对PWM进行数字滤波抑制短脉冲；（3)根据IGBT工作状态，改变IGBT栅极的充放电 电流改善开关特性，减小死区时间和开关损耗;（4)综合利用VCE检测和1^检测区别一类短 路和二类短路，选择对应的方式关断IGBT; (5)在发生短路的情况下，可以根据短路电流的 大小控制栅极电流的放电速度，实现软关断，避免关断时出现电压尖峰，超出IGBT的安全工 作区。
[0011] DAC数模转换模块主要用于将PLD输出的数字信号转化为对应的电压信号，作为后 级受控恒流源的输入，采用两路输出的高速数模转换芯片。DAC数模转换模块也可以采用由 开关器件和对应的电阻网路组成的电路实现数模转换，如图2(a)所示，开关器件Sll-Sln的 一端分别与电阻Rll-Rln的一端相连，另一端与电阻R10相连，PLD输出的数字信号通过控制 Sll-Sln的开通和关断可以输出可调的模拟量Vrefl，用于作为可控恒流源的输入控制IGBT 的开通过程。如图2(b)所示，IGBT的关断过程恒流源的输入模拟量Vref2,电路结构与Vrefl 相同，此种数模转换结构复杂，输出的电压不够线性，但执行速度快，性价比较高。
[0012]受控恒流源模块的主要作用是实现对IGBT栅极电流的精确控制，DAC模块输出的 模拟量Vrefl和Vref 2分别为IGBT开通时和IGBT关断时的栅极电流闭环系统的给定值，栅级 电流采样电路输出的模拟量VRg为栅极电流闭环系统的反馈量。受控恒流源模块根据给定 值和反馈量，实时的控制IGBT的栅极电流，实现IGBT栅极电流闭环控制。
[0013] 电压比较逻辑电路对IGBT极射级电压UCE进行电阻分压并与对应阀值电压进行比 较，将比较后的数字量送给PLD;电流逻辑比较电路对流过IGBT发射极的电流进行滤波处理 并与对应阀值电压进行比较将比较后的数字量送给PLD;PLD通过电压逻辑电路和电流逻辑 电路输出的数字量可以准确的判断IGBT的工作状态。
[0014] 门级电流采集电路的主要作用是对流过IGBT栅极电阻Rg的电流进行滤波处理并 将其送入受控恒流源模块，作为受控恒流源的输入。
[0015] 本发明智能化的IGBT恒流驱动装置，IGBT开通过程如图3所示：⑴当P丽上升沿 到来时，在T1到T2阶段，栅极电压UGE从负压上升到U(th)(IGBT栅极开启电压），用较大的驱 动电流，减小开通延迟时间，这样可以提高系统的响应速度；（2)在栅极电压达到VGE(th)之 后，电流1C开始上升，IGBT进入线性区，从T2到T3时刻，电流1C与栅极驱动电压UGE成正比， 通过控制UGE上升的斜率可以有效地控制电流1C的上升率，根据_^_:;=:|，通过控制栅极 电容的充电电流，可以有效地控制栅极电压的上升率，进而有效地控制电流IC的上升率和 二极管的反向恢复应力；（3)在电流1C达到最大值之后，模块CE两端的电压开始下降，从T4 到T5时刻，其下降的速度由栅极充电电流所决定的，充电电流越大，UCE下降速度越快，由于 开通损耗大约等于电流上升时和集电极电压下降时围城的三角形的面积，所以加快UCE的 下降速率，可以缩短"米勒"效应持续的时间，减小电流1C和集电极电压UCE围成的面积，从 而有效地降低IGBT的开通损耗。IGBT关断过程如图4所示：（1)在P丽下降沿到来时，在T1 -T2阶段，以较大的电流抽取栅极的能量，使UGE尽快的降低到米勒平台电压，缩短关断延迟， 此段时间不会对1C和UCE造成影响；（2)当栅极电压到达米勒平台，在T2-T3阶段，由于米勒 平台的存在，UCE开始缓慢上升，1C继续保持不变，需要以较大的电流抽取栅极的能量，减小 米勒平台持续的时间；（3)当极射级电压UCE上升到一定阀值，在T3-T4阶段，UGE从弥勒平台 下降到UGE(th)，1C以很快的速度下降，由于主回路中存在杂散电感，过高的1C变化率会产 生过高的电压尖峰，为了避免关断时过高电压尖峰对IGBT造成损坏，此阶段需要采用较小 的电流抽取栅极的能量，降低UGE的变化率，从而控制集电极电流IC的变化率，减小电压尖 峰。（4)当集电极电流1C低于一定阀值时，在T4-T5阶段，以较大的电流抽取栅极的能量，缩 短拖尾电流时间，减小关断损耗。
[0016]本发明提出的一种智能化的IGBT恒流驱动装置，以PLD数字控制为核心，通过检测 集电极电流Ic和极射级电压UCE准确的判断IGBT的工作状态，根据IGBT的工作状态，实时的 改变IGBT栅极的充电电流，实现对IGBT的最优控制，（1)以PLD数字控制为核心，可根据不同 型号IGBT参数的差异自动的调节控制回路的输出，实现对不同系列、不同型号的IGBT最优 控制。（2)驱动IGBT的实质就是对IGBT栅极电流充放电的控制，本专利采用数控恒流源实时 的对IGBT栅极充放电电流进行闭环控制，一方面能够限制IGBT栅极充放电电流的最大值， 防止栅极以及整个IGBT出现震荡，另一方面可以对IGBT开关过程的实现最优化控制。（3)在 有效地抑制IGBT集电极电流的变化率di/dt，减小开通时的电流尖峰和关断时的电压尖峰， 防止IGBT因超出安全工作区而损坏的基础上，最大限度的减小开关延迟以及米勒平台时 间，减小开关损耗，提高系统效率。（4)在发生短路的情况下，可以根据IGBT极射级V CE和集 电极电流Ic的状态区别一类短路和二类短路，选择对应的方式关断IGBT根据，并根据短路 电流的大小控制栅极电流的放电速度，实现软关断，避免关断时出现电压尖峰，超出IGBT的 安全工作区。
[0017]本发明一种智能化的IGBT恒流驱动装置，以PLD数字控制为核心，可根据不同型号 IGBT参数的差异调节控制回路的输出，实现对不同系列、不同型号的IGBT最优控制。
[0018] 本发明，采用数控恒流源实时的对IGBT栅极充放电电流进行闭环控制，一方面能 够限制IGBT栅极充放电电流的最大值，防止栅极以及整个IGBT出现震荡，另一方面通过对 IGBT栅极充放电电流进的闭环控制可实现对IGBT开关过程控制的最优化。
[0019] 本发明智能化的IGBT恒流驱动装置，在有效地抑制IGBT集电极电流的变化率di/ dt，减小开通时的电流尖峰和关断时的电压尖峰，防止IGBT因超出安全工作区而损坏的基 础上，最大限度的减小开关延迟以及米勒平台时间，减小开关损耗，提高系统效率。
[0020] 4本发明的智能化IGBT驱动模块，在发生短路的情况下，可以根据IGBT极射级VCE 和集电极电流Ic的状态区别一类短路和二类短路，选择对应的方式关断IGBT根据，并根据 短路电流的大小控制栅极电流的放电速度，实现软关断，避免关断时出现电压尖峰，超出 IGBT的安全工作区。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明一种智能化的IGBT恒流驱动装置电路示意图。
[0022] 图2是本发明由开关器件和对应的电阻网路实现的数模转换电路示意图。图(a)是 IGBT开通过程数模转换电路示意图；图（b)是IGBT关断过程数模转换电路示意图。
[0023] 图3是IGBT开通过程示意图。
[0024] 图4是IGBT关断过程不意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0026]图1为本发明一种智能化的IGBT恒流驱动装置示意图，包括隔离DC-DC模块、PLD数 字控制模块、DAC数模转换模块、受控恒流源、电压比较逻辑电路、门级电流采集电路和电流 比较逻辑电路组成。一次侧控制部分的驱动电源和驱动信号为隔离DC-DC模块的输入，为二 次侧提供隔离的驱动电源和驱动信号，经过隔离DC-DC模块的驱动电源的正电压为+VCC，负 电压为-VEE，为后级PLD数字控制模块、DAC数模转换模块、受控恒流源等电路提供电源;二 次侧PLD数字控制模块的输出与隔离DC-DC模块的输入相连，为一次侧提供隔离的报警信 号。隔离DC-DC模块、电压比较逻辑电路和电流比较逻辑电路的输出端与PLD数字信号的输 入端相连，PLD的输出端与DAC数模转换模块的输入端相连，DAC数模转换模块和门级电流采 集电路输出端与受控恒流源的输入端相连，受控恒流源的输出端经过驱动电阻Rg与IGBT的 栅极相连。
[0027]图2为本发明为实现DAC数模转换发明的由开关器件和对应的电阻网路实现的数 模转换电路示意图，如图2(a)所示，开关器件Sll-Sln的一端分别与电阻Rll-Rln的一端相 连，另一端与电阻R10相连，PLD输出的数字信号通过控制Sll-Sln的开通和关断可以输出可 调的模拟量Vref!，用于作为可控恒流源的输入控制IGBT的开通过程。如图2(b)所示，IGBT 的关断过程恒流源的输入模拟量Vref2，电路结构与Vrefl相同，此种数模转换结构复杂，输 出的电压不够线性，但执行速度快，性价比较高。
[0028]正常工作时，智能化的IGBT恒流驱动装置根据一次侧控制部分的驱动信号高效的 控制IGBT的开通和关断。智能化的IGBT恒流驱动装置以PLD数字控制芯片为核心，根据电压 比较逻辑电路和电流比较逻辑电路的输出值，实时的判断IGBT的工作状态，根据IGBT的工 作状态，实时的调节受控恒流源的输入，改变IGBT栅极的充放电电流，实现对IGBT的最优控 制。当驱动信号由低电平转换为高电平状态时，IGBT开通，PLD数字控制芯片根据IGBT的工 作状态，实时的控制受控恒流源的输入Vref!，从而高效的控制IGBT的开通过程，其具体的 开通过程如图3所示：（1)当PWM上升沿到来时，在T1到T2阶段，电流IC=0,栅极电压UGE从负 压上升到U(th)(IGBT栅极开启电压），IGBT恒流驱动装置输出较大的驱动电流，减小开通延 迟时间，这样可以提高系统的响应速度；（2)在栅极电压达到VGE(th)之后，电流1C开始上 升，IGBT进入线性区，从T2到T3时刻，电流1C与栅极驱动电压UGE成正比，通过控制UGE上升 的斜率可以有效地控制电流1C的上升率，根据_^_:=|，通过控制栅极电容的充电电流， 可以有效地控制栅极电压的上升率，进而有效地控制电流1C的上升率和二极管的反向恢复 应力；（3)在电流1C达到最大值之后，模块CE两端的电压开始下降，从T4到T5时刻，其下降的 速度由栅极充电电流所决定的，充电电流越大，UCE下降速度越快，由于开通损耗大约等于 电流上升时和集电极电压下降时围城的三角形的面积，所以加快UCE的下降速率，可以缩短 "米勒"效应持续的时间，减小电流1C和集电极电压UCE围成的面积，从而有效地降低IGBT的 开通损耗。当驱动信号由高电平转换为低电平状态时，IGBT关断，PLD数字控制芯片根据 IGBT的工作状态，实时的控制受控恒流源的输入Vref2，从而高效的控制IGBT的关断过程， IGBT具体的关断过程如图4所示：（1)在PWM下降沿到来时，在T1-T2阶段，以较大的电流抽 取栅极的能量，使UGE尽快的降低到米勒平台电压，缩短关断延迟，此段时间不会对1C和UCE 造成影响；（2)当栅极电压到达米勒平台，在T2-T3阶段，由于米勒平台的存在，UCE开始缓慢 上升，1C继续保持不变，需要以较大的电流抽取栅极的能量，减小米勒平台持续的时间；（3) 当极射级电压UCE上升到一定阀值，在T3-T4阶段，UGE从弥勒平台下降到UGE(th)，1C以很快 的速度下降，由于主回路中存在杂散电感，过高的IC变化率会产生过高的电压尖峰，为了避 免关断时过高电压尖峰对IGBT造成损坏，此阶段需要采用较小的电流抽取栅极的能量，降 低UGE的变化率，从而控制集电极电流1C的变化率，减小电压尖峰。（4)当集电极电流1C低于 一定阀值时，在T4-T5阶段，以较大的电流抽取栅极的能量，缩短拖尾电流时间，减小关断损 耗。
[0029]系统发生短路故障时，智能化的IGBT恒流驱动装置可以根据IGBT极射级VCE和集 电极电流1C的状态区别一类短路和二类短路，选择对应的方式关断IGBT根据，并根据短路 电流的大小控制栅极电流的放电速度，实现软关断，避免关断时出现电压尖峰，超出IGBT的 安全工作区。当驱动信号为高电平时，且IGBT输出回路出现短路情况，智能化的IGBT恒流驱 动装置通过电压比较逻辑电路和电流比较逻辑电路的输出值，实时的监测到IGBT短路的状 态，根据短路电流的大小实时的调节受控恒流源的输入Vref2,改变IGBT栅极的放电电流， 高效的控制栅极电流的放电速度，实现软关断，在避免出现电压尖峰超出IGBT安全工作区 的情况下，尽快的关断IGBT，减小短路过程中IGBT所受到的能量冲击，从而最大程度在系统 发生短路的情况下保护IGBT模块。在智能化的IGBT恒流驱动装置检测到系统发生短路故障 时，一方面会立刻封锁驱动信号的输出，另一方面会将报警信号通过DC-DC模块传送到一次 侧控制部分，实现对整个系统的保护。
【主权项】
1. 一种智能化的IGBT恒流驱动装置，包括隔离DC-DC模块、PLD数字控制模块、DAC数模 转换模块、受控恒流源、电压比较逻辑电路、门级电流采集电路和电流比较逻辑电路;其特 征是：一次侧控制部分的驱动电源和驱动信号经过隔离DC-DC模块为二次侧提供隔离的驱 动电源和驱动信号，二次侧的报警信号经过隔离DC-DC模块为一次侧提供隔离的报警信号； 驱动信号、电压比较逻辑电路和电流比较逻辑电路的输出端与PLD数字信号的输入端相连， PLD的输出与DAC数模转换模块的输入相连，DAC数模转换模块和减法电路输出与受控恒流 源的输入相连，受控恒流源的输出经过驱动电阻Rg与IGBT的门级相连。
【文档编号】H02M1/08GK105932864SQ201610563586
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】姚瑱, 余国军, 徐小军, 钱巍, 吴波
【申请人】南京埃斯顿自动控制技术有限公司