本發(fā)明主要涉及功率器件技術(shù)領(lǐng)域，特指一種三電平IGBT功率模塊的驅(qū)動(dòng)器及控制方法。

背景技術(shù)：

隨著高速動(dòng)車組的發(fā)展，對(duì)變流器模塊的安全穩(wěn)定性要求越來越高。三電平電路相比于傳統(tǒng)兩電平電路，IGBT關(guān)斷時(shí)承受電壓僅為兩電平電路的一半，且三電平的設(shè)置也有利于諧波抑制。因此，三電平電路在牽引變流器總體電能質(zhì)量、模塊應(yīng)用環(huán)境及極端、故障工況表現(xiàn)上均優(yōu)于兩電平電路。但三電平的引入增加了電路的復(fù)雜性，控制和驅(qū)動(dòng)相對(duì)于兩電平電路會(huì)更復(fù)雜。對(duì)于三電平大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，需要考慮內(nèi)外側(cè)元件的運(yùn)行差異性以及故障保護(hù)設(shè)定的差異性。專利CN201410712694.1介紹了一種通用性IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括IGBT驅(qū)動(dòng)器和IGBT故障反饋模塊，具備短路保護(hù)及故障反饋功能。專利CN201410712694.1提出的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含IGBT驅(qū)動(dòng)器和IGBT故障反饋模塊，具備IGBT正常驅(qū)動(dòng)、過電流檢測、過電壓箝位、故障反饋等功能。但一套系統(tǒng)包含兩個(gè)部件，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜化，故障率也相應(yīng)提升，同時(shí)針對(duì)三電平電路，專利CN201410712694.1未能考慮內(nèi)外側(cè)元件運(yùn)行工況的差異性亦未考慮并聯(lián)元件的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)問題。在針對(duì)三電平主電路中元件驅(qū)動(dòng)或者元件采用并聯(lián)方式工作的驅(qū)動(dòng)問題時(shí)，專利CN201410712694.1提出的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)量、提升成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠性及安全性高的三電平IGBT功率模塊的驅(qū)動(dòng)器，并提供了一種可靠性高的基于此驅(qū)動(dòng)裝置的控制方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種三電平IGBT功率模塊的驅(qū)動(dòng)器，包括對(duì)應(yīng)于三電平IGBT功率模塊外側(cè)IGBT元件的外驅(qū)動(dòng)單元、對(duì)應(yīng)于三電平IGBT功率模塊內(nèi)側(cè)IGBT元件的內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元，所述外驅(qū)動(dòng)單元與所述內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元之間通訊相連；所述外驅(qū)動(dòng)單元和內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元均對(duì)應(yīng)設(shè)置有檢測單元，并通過對(duì)應(yīng)的檢測單元與對(duì)應(yīng)的IGBT元件信號(hào)相連。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述外驅(qū)動(dòng)單元和內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元均包括電源模塊、邏輯處理模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和通訊模塊，所述電源模塊與所述邏輯處理模塊和驅(qū)動(dòng)模塊相連、用于提供電源；所述邏輯處理模塊經(jīng)通訊模塊與傳動(dòng)控制單元進(jìn)行通訊連接；所述邏輯處理模塊經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊與對(duì)應(yīng)的檢測單元相連以發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)；所述檢測單元與所述邏輯處理模塊相連、用于對(duì)相應(yīng)IGBT元件進(jìn)行檢測并將檢測信號(hào)發(fā)送至邏輯處理模塊進(jìn)行故障監(jiān)控。

所述通訊模塊包括第一通訊接口和第二通訊接口，所述第一通訊接口用于與傳動(dòng)控制單元進(jìn)行通訊；所述外驅(qū)動(dòng)單元與內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元之間通過第二通訊接口通訊連接。

所述電源模塊包括變壓器和整流電路，所述變壓器分別與外部電源和整流電路相連。

所述檢測單元包括過壓箝位電路，用于在IGBT元件過壓時(shí)吸收過壓尖峰能量。

所述外驅(qū)動(dòng)單元和內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元均包括過流關(guān)斷電路，用于在IGBT元件的管壓降大于預(yù)設(shè)值時(shí)鎖定IGBT元件的門極信號(hào)以避免過電流擊穿。

本發(fā)明還相應(yīng)公開了一種基于如上所述的三電平IGBT功率模塊的驅(qū)動(dòng)器的控制方法，所述內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元和外驅(qū)動(dòng)單元之間相互通訊，并分別控制對(duì)應(yīng)的IGBT元件按通斷邏輯進(jìn)行通斷，此通斷邏輯為：內(nèi)側(cè)IGBT元件先于外側(cè)IGBT元件導(dǎo)通；內(nèi)側(cè)IGBT元件后于外側(cè)IGBT元件關(guān)斷。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

當(dāng)IGBT元件的管壓降Vce大于預(yù)設(shè)值，判斷所述IGBT元件為過流故障，所述外驅(qū)動(dòng)單元或內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元鎖定對(duì)應(yīng)IGBT元件的門極信號(hào)。

在所述IGBT元件過流故障時(shí)，所述外驅(qū)動(dòng)單元或內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元分級(jí)降低門極電壓以實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。

所述外驅(qū)動(dòng)單元和內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元通過光纖進(jìn)行通訊，并在外驅(qū)動(dòng)單元或內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元故障時(shí)，IGBT元件按正常的通斷邏輯進(jìn)行關(guān)斷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明的三電平IGBT功率模塊的驅(qū)動(dòng)器，采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元分別對(duì)三電平IGBT功率模塊的外側(cè)IGBT元件和內(nèi)側(cè)IGBT元件進(jìn)行控制，充分考慮了外側(cè)IGBT元件和內(nèi)側(cè)IGBT元件運(yùn)行工況的差異性，更好的適應(yīng)于三電平IGBT功率模塊，其可靠穩(wěn)定性高。本發(fā)明的控制方法，控制外側(cè)IGBT元件與內(nèi)側(cè)IGBT元件按通斷邏輯進(jìn)行通斷，保證驅(qū)動(dòng)工作的可靠進(jìn)行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方框結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明中三電平整流電路的電路原理圖。

圖3為本發(fā)明中各IGBT元件的門極輸出信號(hào)時(shí)序圖。

圖4為本發(fā)明中內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元門極鎖定信號(hào)電路原理圖。

圖5為本發(fā)明中驅(qū)動(dòng)單元保護(hù)電路原理圖。

圖6為本發(fā)明中軟關(guān)斷功能電路原理圖。

圖7為本發(fā)明中過壓箝位功能電路原理圖。

圖中標(biāo)號(hào)表示：1、外驅(qū)動(dòng)單元；11、電源模塊；12、邏輯處理模塊；13、驅(qū)動(dòng)模塊；2、內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元；3、檢測單元。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

如圖1至圖7所示，本實(shí)施例的三電平IGBT功率模塊的驅(qū)動(dòng)器，包括對(duì)應(yīng)于三電平IGBT功率模塊外側(cè)IGBT元件的外驅(qū)動(dòng)單元1、對(duì)應(yīng)于三電平IGBT功率模塊內(nèi)側(cè)IGBT元件的內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2，外驅(qū)動(dòng)單元1與內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2之間通訊相連；外驅(qū)動(dòng)單元1和內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2均對(duì)應(yīng)設(shè)置有檢測單元3，并通過對(duì)應(yīng)的檢測單元3與對(duì)應(yīng)的IGBT元件信號(hào)相連。其中三電平IGBT功率模塊是指橋臂由多個(gè)功率器件串聯(lián)的整流電路或逆變電路，如圖2中整流電路的橋臂由兩個(gè)IGBT元件串聯(lián)，其中A1、A4/B1、B4定義為外側(cè)IGBT元件，由外驅(qū)動(dòng)單元1驅(qū)動(dòng)；A2、A3/B2、B3定義為內(nèi)側(cè)IGBT元件，選用內(nèi)側(cè)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明的三電平IGBT功率模塊的驅(qū)動(dòng)器，采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元分別對(duì)三電平IGBT功率模塊的外側(cè)IGBT元件和內(nèi)側(cè)IGBT元件進(jìn)行分別驅(qū)動(dòng)控制，充分考慮了外側(cè)IGBT元件和內(nèi)側(cè)IGBT元件運(yùn)行工況的差異性，更好的適應(yīng)于驅(qū)動(dòng)三電平IGBT功率模塊，其可靠穩(wěn)定性高。

本實(shí)施例中，外驅(qū)動(dòng)單元1和內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2均包括電源模塊11、邏輯處理模塊12、驅(qū)動(dòng)模塊13（圖1中的晶體管陣列）和通訊模塊，電源模塊11與邏輯處理模塊12和驅(qū)動(dòng)模塊13相連、用于提供各模塊的電源；邏輯處理模塊12經(jīng)通訊模塊與傳動(dòng)控制單元（TCU）進(jìn)行通訊連接；其中通訊模塊包括第一通訊接口（圖1中的光纖座R）和第二通訊接口（圖1中的光纖座P），傳動(dòng)控制單元（TCU）經(jīng)第一通訊接口向邏輯處理模塊12發(fā)送脈沖光信號(hào)，經(jīng)邏輯處理模塊12處理后生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)至驅(qū)動(dòng)模塊13，繼而經(jīng)檢測單元3控制對(duì)應(yīng)IGBT元件的通斷；另外邏輯處理模塊12也經(jīng)第一通訊接口向TCU反饋脈沖光信號(hào)；外驅(qū)動(dòng)單元1與內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2之間則通過第二通訊接口通訊連接。另外檢測單元3主要用于對(duì)IGBT元件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，在監(jiān)測到IGBT元件故障后，將故障信號(hào)發(fā)送至邏輯處理模塊12以封鎖對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而且將故障信號(hào)反饋至TCU以及另一驅(qū)動(dòng)單元。

本實(shí)施例中，電源模塊11包括變壓器和整流電路，變壓器分別與外部電源和整流電路相連，用于對(duì)外部電源（圖1中V）進(jìn)行整流后提供給各模塊。外驅(qū)動(dòng)單元1和內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2均設(shè)有獨(dú)立的電源模塊11以及驅(qū)動(dòng)模塊13，但共用一套保護(hù)電路，如圖1所示，共用的保護(hù)電路通過第一通訊接口（圖1中的光纖座R）接收來自TCU的脈沖信號(hào)，通過內(nèi)部的邏輯處理后同時(shí)給兩驅(qū)動(dòng)單元中的驅(qū)動(dòng)模塊13發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而保證內(nèi)側(cè)和外側(cè)IGBT元件能夠同時(shí)收到通斷指令。本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)器能夠保持兩驅(qū)動(dòng)單元的供電、驅(qū)動(dòng)、檢測的獨(dú)立性，但共享保護(hù)電路，從而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)功能。各IGBT元件將同時(shí)接收到通斷指令，共享保護(hù)電路，在一路驅(qū)動(dòng)單元故障時(shí)另一路驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)t不會(huì)受到影響。

如圖5所示，本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)器具有過流關(guān)斷功能：檢測單元3對(duì)IGBT的管壓降Vce進(jìn)行檢測，依據(jù)元件特性曲線，Vce越大則流過元件的電流越大，當(dāng)Vce大于預(yù)設(shè)值時(shí)則判斷為過流故障，通過保護(hù)電路發(fā)出指令鎖定元件的門極信號(hào)。如圖5所示，其中保護(hù)電路含有比較器芯片，通過穩(wěn)壓二極管Z可以設(shè)定保護(hù)門檻值，保護(hù)門檻值通過芯片5#管腳傳入。Vce信號(hào)通過芯片6#管腳傳入，與保護(hù)門檻值進(jìn)行比較，若Vce低于保護(hù)門檻值，芯片7#管腳OVC信號(hào)輸出正常，反之則OVC輸出過流故障信號(hào)，鎖定門極信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過流關(guān)斷功能，保護(hù)元件不被過電流擊穿。其中過流關(guān)斷為軟關(guān)斷，以避免關(guān)斷過快導(dǎo)致的元件過壓。具體地，如圖6所示，在接收到OVC的故障信號(hào)后，經(jīng)過濾波處理，發(fā)出關(guān)斷指令。此時(shí)門極電壓不會(huì)立刻變?yōu)殛P(guān)斷電壓，門極開通信號(hào)將保持幾個(gè)微秒。然后門極電壓降為額定值的2/3并保持幾個(gè)微秒（門極電壓的降低會(huì)相應(yīng)減小元件電流），在門極開通保持時(shí)間結(jié)束后，門極電壓下降為關(guān)斷電壓，元件關(guān)斷。通過分級(jí)降低門極電壓實(shí)現(xiàn)的軟關(guān)斷可以有效抑制元件的關(guān)斷過壓，避免在大電流情況下過快關(guān)斷元件導(dǎo)致元件損壞。

如圖7所示，檢測單元3包括過壓箝位電路，用于在IGBT元件過壓時(shí)吸收過壓尖峰能量。當(dāng)IGBT元件C、E之間出現(xiàn)過壓時(shí)，瞬態(tài)抑制二極管Z1將被擊穿并迅速吸收過壓尖峰能量，實(shí)現(xiàn)過壓箝位功能。其中Z1由數(shù)個(gè)瞬態(tài)抑制二極管串聯(lián)而成，保證過壓尖峰在二極管耐受極限內(nèi)，尖峰消失后二極管又可恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

另外，本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)外互聯(lián)保護(hù)功能：內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2和外驅(qū)動(dòng)單元1通過光纖相互通信，且始終保證內(nèi)側(cè)IGBT元件先于外側(cè)IGBT元件導(dǎo)通而后于外側(cè)IGBT元件關(guān)斷。如圖4所示，在出現(xiàn)故障時(shí)，若內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2故障，故障信號(hào)將傳遞給外驅(qū)動(dòng)單元1，外驅(qū)動(dòng)單元1將鎖定并關(guān)斷外側(cè)IGBT元件，同時(shí)反饋給內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2鎖定信號(hào)，則內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元也2將鎖定并關(guān)斷內(nèi)側(cè)IGBT元件；若外驅(qū)動(dòng)單元1故障，則將直接關(guān)斷外側(cè)IGBT元件。故障邏輯同樣保證了故障狀態(tài)下內(nèi)側(cè)IGBT元件而后于外側(cè)IGBT元件關(guān)斷。

本發(fā)明還相應(yīng)公開一種基于如上所述的三電平IGBT功率模塊的驅(qū)動(dòng)器的控制方法，其中內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2和外驅(qū)動(dòng)單元1之間相互通訊，并分別控制對(duì)應(yīng)的IGBT元件按通斷邏輯進(jìn)行通斷，此通斷邏輯為：內(nèi)側(cè)IGBT元件先于外側(cè)IGBT元件導(dǎo)通；內(nèi)側(cè)IGBT元件后于外側(cè)IGBT元件關(guān)斷。本發(fā)明的控制方法充分考慮了外側(cè)IGBT元件和內(nèi)側(cè)IGBT元件運(yùn)行工況的差異性，更好的適應(yīng)于驅(qū)動(dòng)三電平IGBT功率模塊中各元件，可靠性高。具體而言，考慮元件運(yùn)行安全性、死區(qū)設(shè)置、關(guān)斷情況下的續(xù)流回路等問題，三電平模塊的動(dòng)作時(shí)序遵循A1A2/A2A3/A3A4/A2A1的通斷順序（以圖2示例），內(nèi)側(cè)IGBT元件始終先于外側(cè)IGBT元件導(dǎo)通，后于其關(guān)斷。該種動(dòng)作時(shí)序可以有效避免器件因死區(qū)設(shè)置不當(dāng)?shù)榷鸬臉虮蹖?dǎo)通，同時(shí)在外側(cè)IGBT元件關(guān)斷時(shí)，可利用內(nèi)側(cè)IGBT元件及二極管實(shí)現(xiàn)續(xù)流。針對(duì)此類差異，需對(duì)內(nèi)外側(cè)IGBT元件進(jìn)行分別控制，并為內(nèi)側(cè)IGBT元件增設(shè)吸收回路。

本實(shí)施例中，當(dāng)IGBT元件的管壓降Vce大于預(yù)設(shè)值，判斷IGBT元件為過流故障，外驅(qū)動(dòng)單元1或內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2鎖定對(duì)應(yīng)IGBT元件的門極信號(hào)，具體控制過程參考驅(qū)動(dòng)器中對(duì)保護(hù)電路的描述。

本實(shí)施例中，在IGBT元件過流故障時(shí)，外驅(qū)動(dòng)單元1或內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2分級(jí)降低門極電壓以實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，具體控制過程參考驅(qū)動(dòng)器中對(duì)軟關(guān)斷的描述。

本實(shí)施例中，外驅(qū)動(dòng)單元1和內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2通過光纖進(jìn)行通訊，并在外驅(qū)動(dòng)單元1或內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元2故障時(shí)，IGBT元件按正常的通斷邏輯進(jìn)行關(guān)斷。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。