高壓igbt驅(qū)動及保護電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了高壓IGBT驅(qū)動及保護電路，包括：信號處理電路、隔離變壓器傳輸電路、隔離電源電路、欠壓保護電路、門極箝位電路、短路保護電路、IGBT動態(tài)故障檢測電路、絕緣柵雙極型晶體管、供電電源；本發(fā)明的優(yōu)點是能夠工作在高壓運行環(huán)境中并能輸出較大的功率，本發(fā)明具有很高的工作效率，本發(fā)明能快速響應(yīng)，低輸入輸出延遲時間在μs級別，具有較強的抗干擾能力，輸入的1800V的母線電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動隔離能力在4000V以上，大大保證了系統(tǒng)的安全；同時通過反饋信號傳輸?shù)奖景l(fā)明的工作狀態(tài)信息能遠程被中央控制單元進行實時監(jiān)測和控制，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于對于電源轉(zhuǎn)化有需要的工業(yè)控制領(lǐng)域。
【專利說明】高壓IGBT驅(qū)動及保護電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高壓IGBT驅(qū)動及保護電路，屬于電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),是由 BJT (雙極型三極管)和MOS (絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大，MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。
[0003]目前，大功率IGBT器件在現(xiàn)代電力機車傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。在高壓大功率應(yīng)用中，系統(tǒng)工作頻率不高，IGBT —般工作在硬開關(guān)方式下，對器件驅(qū)動保護的要求較高。目前高壓大電流IGBT的發(fā)展趨向于減小飽和電壓VCE，關(guān)斷損耗Eoff，提高短路耐受能力，使IGBT關(guān)斷柔和及反并聯(lián)二極管軟恢復(fù)。IGBT門極電路作為連接控制端與主電路的橋梁，對控制IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)、優(yōu)化開關(guān)性能和保護IGBT具有重要作用。
[0004]隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣傳動控制起著極為重要的作用，為了滿足高性能、節(jié)能和環(huán)保的要求，交流調(diào)速控制系統(tǒng)以其特有的優(yōu)點正逐步取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速，在電氣傳動領(lǐng)域中扮演著重要的角色。電力機車的輔助電源主要為機車主電路提供冷卻、為空氣制動系統(tǒng)提供電能；輔助變流器的工作狀況直接影響到主電路的工作狀態(tài)，以及司乘人員的工作環(huán)境，是機車穩(wěn)定、安全運行的關(guān)鍵。
[0005]但是，傳統(tǒng)的輔助變流器工作在高壓大功率的條件下時不可避免地存在著電路的響應(yīng)速度慢、抗干擾能力差、工作效率低等缺陷，從而大大地影響了系統(tǒng)的安全和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述技術(shù)問題的高壓IGBT驅(qū)動及保護電路，本發(fā)明包括:信號處理電路、隔離變壓器傳輸電路、隔離電源電路、欠壓保護電路、門極箝位電路、短路保護電路、IGBT動態(tài)故障檢測電路、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、供電電源。
[0007]所述信號處理電路，隔離變壓器傳輸電路、門極箝位電路、IGBT動態(tài)故障檢測電路、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)依次連接；
[0008]所述供電電源、隔離電源電路、欠壓保護電路、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、IGBT動態(tài)故障檢測電路依次連接；
[0009]所述隔離電源電路、短路保護電路、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、IGBT動態(tài)故障檢測電路依次連接；
[0010]所述信號處理電路分別與欠壓保護電路和短路保護電路連接。
[0011]所述信號處理電路主要包括邏輯判斷芯片，所述信號處理電路用于檢測由隔離變壓器傳輸電路、短路保護電路和欠壓保護電路所提供的信號并對由隔離變壓器傳輸電路、短路保護電路和欠壓保護電路所提供的信號進行邏輯判斷處理，以保障門極驅(qū)動信號輸出的安全與可靠。
[0012]本發(fā)明對所述供電電源采用所述隔離變壓器傳輸電路進行隔離，實現(xiàn)供電電源與控制信號的電氣隔離，保證控制信號與供電電源之間的安全。
[0013]為了增強隔離能力，所述隔離電源電路采用開環(huán)工作方式，電壓穩(wěn)定由后級的線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)。
[0014]所述欠壓保護電路包括15V欠壓保護電路和-15V欠壓保護電路。一旦供電電源發(fā)生故障，出現(xiàn)欠壓狀況，則欠壓保護電路輸出故障信號，封鎖門極脈沖。
[0015]在短路時，所述短路保護電路輸出故障信號，封鎖門極脈沖。
[0016]所述門極箝位電路連接IGBT用于保證IGBT的門射極電壓的穩(wěn)定，以達到門極過壓箝位保護的目的。
[0017]所述IGBT動態(tài)故障檢測電路通過本發(fā)明的反饋信號，傳輸給中央控制單元(ACU)。即ACU分別接收來自于本發(fā)明的欠壓保護電路的欠壓故障信號和來自于短路保護電路的短路故障信號，ACU通過檢測判斷本發(fā)明的工作狀態(tài)和故障情況，動態(tài)顯示本發(fā)明的工作狀態(tài)，然后，ACU輸出待處理信號到本發(fā)明，控制本發(fā)明的工作狀態(tài)。
[0018]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如下:
[0019](I)具有足夠的驅(qū)動功率，能提供合適的正向柵極電壓，關(guān)斷時可以提供足夠的反向關(guān)斷柵極電壓，具有快速響應(yīng)能力，具有低輸入輸出延遲時間。
[0020](2)具有足夠的隔離電壓等級，并具有較強抗干擾能力，輸入1800V的母線電壓，本發(fā)明驅(qū)動隔離能力在4000V以上。
[0021](3)能夠準確檢測IGBT短路故障，可以進行可靠和有效的關(guān)斷。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點是能夠工作在高壓運行環(huán)境中并能輸出較大的功率，本發(fā)明能夠工作在高壓大功率的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)軌道交通中電力機車中輔助電源系統(tǒng)的功能，同時本發(fā)明具有很高的工作效率，本發(fā)明能快速響應(yīng)，低輸入輸出延遲時間在μ s級別，具有較強的抗干擾能力，輸入的1800V的母線電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動隔離能力在4000V以上，大大保證了系統(tǒng)的安全；同時通過反饋信號傳輸?shù)奖景l(fā)明的工作狀態(tài)信息能遠程被中央控制單元進行實時監(jiān)測和控制，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于對于電源轉(zhuǎn)化有需要的工業(yè)控制領(lǐng)域，具有較強的實用價值和現(xiàn)實意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明所述高壓IGBT驅(qū)動及保護電路的整體電路圖；
[0024]圖2是本發(fā)明所述高壓IGBT驅(qū)動及保護電路的隔離變壓器傳輸電路圖；
[0025]圖3是本發(fā)明所述高壓IGBT驅(qū)動及保護電路的隔離電源電路圖；
[0026]圖4是本發(fā)明所述高壓IGBT驅(qū)動及保護電路的欠壓保護電路圖；
[0027]圖5是本發(fā)明所述高壓IGBT驅(qū)動及保護電路的短路保護電路圖；
[0028]圖6是本發(fā)明所述高壓IGBT驅(qū)動及保護電路的門極箝位電路圖；
[0029]圖7是本發(fā)明所述高壓IGBT驅(qū)動及保護電路的IGBT動態(tài)故障檢測電路圖?！揪唧w實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。如圖1所示，本發(fā)明包括:
[0031]信號處理電路、隔離變壓器傳輸電路、隔離電源電路、欠壓保護電路、門極箝位電路、短路保護電路、IGBT動態(tài)故障檢測電路、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、供電電源。
[0032]所述信號處理電路，隔離變壓器傳輸電路、門極箝位電路、IGBT動態(tài)故障檢測電路、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)依次連接；
[0033]所述供電電源、隔離電源電路、欠壓保護電路、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、IGBT動態(tài)故障檢測電路依次連接；
[0034]所述隔離電源電路、短路保護電路、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、IGBT動態(tài)故障檢測電路依次連接；
[0035]所述信號處理電路分別與欠壓保護電路和短路保護電路連接。
[0036]所述信號處理電路主要包括邏輯判斷芯片TC428、邏輯判斷芯片TC426，所述信號處理電路用于檢測由隔離變壓器傳輸電路、短路保護電路和欠壓保護電路所提供的信號并對由隔離變壓器傳輸電路、短路保護電路和欠壓保護電路所提供的信號進行邏輯判斷處理，以保障門極驅(qū)動信號輸出的安全與可靠。
[0037]所述隔離變壓器傳輸電路，如圖2所示；
[0038]本發(fā)明對供電電源采用隔離變壓器傳輸電路進行隔離，實現(xiàn)供電電源與控制信號的電氣隔離，保證控制信號與供電電源之間的安全。隔離變壓器傳輸電路采用I個原邊線圈(如圖2中的12、14)和2個副邊線圈(如圖2中的3、5和4、6)組成，3個線圈的繞組變比為1:1:1。
[0039]所述隔離電源電路，如圖3所示；
[0040]為了增強隔離能力，隔離電源電路采用開環(huán)工作方式，電壓穩(wěn)定由后級的線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)。由圖2中的4、6和3、5兩個副邊線圈輸出提供電源給圖3中的穩(wěn)壓芯片A31、穩(wěn)壓芯片A32使用，穩(wěn)壓芯片A31、穩(wěn)壓芯片A32的輸入端有設(shè)置電解電容C31、電解電容C32，以保護隔離電源電路的安全和穩(wěn)定，隔離電源電路輸出電壓分別為V2P+ = 15V，V2P- = -15V，輸出電壓供本發(fā)明使用。
[0041]所述欠壓保護電路,如圖4所示；
[0042]所述欠壓保護電路包括(a)_15V欠壓保護電路和(b) 15V欠壓保護電路。一旦供電電源發(fā)生故障，出現(xiàn)欠壓狀況，則欠壓保護電路輸出故障信號，封鎖門極脈沖。
[0043]所述短路保護電路，如圖5所示；
[0044]在短路時，短路保護電路輸出故障信號，封鎖門極脈沖。
[0045]所述門極箝位電路，如圖6所示；
[0046]本發(fā)明的門極驅(qū)動信號I和門極驅(qū)動信號2通過門極箝位電路連接IGBT，門極箝位電路上有一個雙向瞬態(tài)電壓抑制器(TVS61)，其穩(wěn)壓值與IGBT的正柵壓和負柵壓相同。這樣可以保證IGBT的門射極電壓的穩(wěn)定，以達到門極過壓箝位保護的目的。
[0047]所述IGBT動態(tài)故障檢測電路，如圖7所示；
[0048]所述IGBT動態(tài)故障檢測電路通過本發(fā)明的反饋信號，傳輸給中央控制單元(ACU)。即ACU分別接收來自于本發(fā)明的欠壓保護電路的欠壓故障信號和來自于短路保護電路的短路故障信號，ACU通過檢測判斷本發(fā)明的工作狀態(tài)和故障情況，動態(tài)顯示本發(fā)明的工作狀態(tài)，然后，ACU輸出待處理信號到本發(fā)明，如圖1所示，控制本發(fā)明的工作狀態(tài)。
[0049]如圖1所示，本發(fā)明的主要工作原理是:外部的待處理信號進入本發(fā)明以后，通過隔離變壓器傳輸電路進入信號處理電路。供電電源通過隔離電源電路為本發(fā)明中的短路保護電路和欠壓保護電路進行供電。短路保護電路和欠壓保護電路通過檢測IGBT的工作狀態(tài)，將反饋信號提供給信號處理電路。信號處理電路通過處理接收的各種信號，輸出門極驅(qū)動信號。同時在信號處理電路與IGBT之間有門極箝位電路來保護IGBT的安全。
[0050]本發(fā)明能夠工作在高壓大功率的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)軌道交通中電力機車中輔助電源系統(tǒng)的功能。
[0051]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)，能夠輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.高壓IGBT驅(qū)動及保護電路，其特征在于，包括:信號處理電路、隔離變壓器傳輸電路、隔離電源電路、欠壓保護電路、門極箝位電路、短路保護電路、IGBT動態(tài)故障檢測電路、絕緣柵雙極型晶體管、供電電源； 所述信號處理電路，隔離變壓器傳輸電路、門極箝位電路、IGBT動態(tài)故障檢測電路、絕緣柵雙極型晶體管依次連接； 所述供電電源、隔離電源電路、欠壓保護電路、絕緣柵雙極型晶體管、IGBT動態(tài)故障檢測電路依次連接； 所述隔離電源電路、短路保護電路、絕緣柵雙極型晶體管、IGBT動態(tài)故障檢測電路依次連接； 所述信號處理電路分別與欠壓保護電路和短路保護電路連接； 所述信號處理電路包括邏輯判斷芯片，所述信號處理電路用于檢測由隔離變壓器傳輸電路、短路保護電路和欠壓保護電路所提供的信號并對由隔離變壓器傳輸電路、短路保護電路和欠壓保護電路所提供的信號進行邏輯判斷處理，以保障門極驅(qū)動信號輸出的安全與可靠。
【文檔編號】H02M1/44GK103546020SQ201310517146
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】吳健, 馬春華 申請人:北京京鐵信達鐵路設(shè)備有限公司