一种高压IGBT驱动装置

技术领域

本发明涉及高压输电领域，具体涉及一种高压IGBT驱动装置。

背景技术

IGBT是能源变换与传输的核心器件，广泛应用于电力电子装置中，IGBT驱动板为IGBT的开通关断提供门极电压以及控制保护功能。为优化IGBT的开关特性，IGBT驱动通常靠近IGBT进行安装。由于IGBT驱动板的安装位置位于高电位、多电压等级的环境下，通常采用高压设备就地取能方案。

然而现有的IGBT驱动板取能技术存在诸多问题：例如，在国内外高压大功率IGBT应用实例中，IGBT驱动板的取能电源输入端都是以电力电子组件中输出电压较稳定的稳压电容或需要设计专门的供能装置作为输入源，但当电力电子组件无法提供输出稳定的供能单元时，取能电源需要从IGBT的集-射极电压取能，由于IGBT在不同运行工况下的集-射极电压波形可能为宽波动范围的方波、偏置正弦、正弦斩波、直流等形式，输入电压幅值变化快，增加了取能电源的设计难度。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中IGBT在不同运行工况下的集-射极电压波形不稳定，导致取能电源的设计难度大的缺陷，从而提供一种高压IGBT驱动装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种高压IGBT驱动装置，包括：取能模块、电压转换模块及驱动模块，其中，

所述取能模块用于通过采集IGBT器件的集电极、发射极间电压进行取能；

所述电压转换模块用于将所述IGBT器件的集电极、发射极间电压转换为不同电压等级的稳定电源送至所述驱动模块为所述IGBT器件的开通关断提供门极电压。

可选地，所述取能模块，包括：电源自启动电路及多路高压取能电路，其中，

所述电源自启动电路的输入端连接至所述IGBT器件的集电极，所述电源自启动电路的输出端连接至所述电压转换模块；

每路所述高压取能电路的输入端连接至所述IGBT器件的集电极，每路所述高压取能电路的输出端连接至所述电压转换模块；

在所述高压IGBT驱动装置启动预设时间内，导通所述电源自启动电路，利用所述电源自启动电路采集所述IGBT器件的集电极、发射极间电压进行取能，在所述高压IGBT驱动装置启动预设时间后，导通至少一路所述高压取能电路，利用所述高压取能电路采集所述IGBT器件的集电极、发射极间电压进行取能。

可选地，所述电压转换模块，包括：高压直流电源转换电路、中压直流电源转换电路及多等级电压转换单元，其中，

所述高压直流电源转换电路的输入端与多路所述高压取能电路的输出端连接，所述高压直流电源转换电路的输出端与所述中压直流电源转换电路的第一输入端连接；

所述中压直流电源转换电路的第二输入端与所述电源自启动电路的输出端连接，所述中压直流电源转换电路的输出端与所述多等级电压转换单元的输入端连接；

所述多等级电压转换单元的输出端与所述驱动模块连接；

所述高压直流电源转换电路用于将所述IGBT器件的集电极、发射极间电压转换为波形波动在预设波动范围内的电压；

所述中压直流电源转换电路用于将波形波动在预设波动范围内的电压转换为预设电压范围内的直流电源；

所述多等级电压转换单元用于依据所述高压IGBT驱动装置各部分电路的需求将预设电压范围的直流电源转换为多路、多电压等级的直流电源。

可选地，所述驱动模块，包括：控制电路及栅极驱动电路，其中，

所述控制电路通过通信接口接收外部控制器的控制命令，同时将所述IGBT器件的驱动及所述IGBT器件的状态信息发送给外部控制器；

所述栅极驱动电路用于为所述IGBT器件提供栅极开关脉冲。

可选地，所述高压直流电源转换电路，包括：电流控制电路、电压控制电路及可控开关，其中，

所述电流控制电路实时采集所述高压直流电源转换电路的输出电流，当所述输出电流大于预设电流时，调小可控开关开度，当所述输出电流小于预设电流时，调大可控开关开度；

所述电压控制电路实时采集所述高压直流电源转换电路的输入电压或输出电压，将所述输入电压与预设输入电压比较或将所述输出电压与预设输出电压比较，当所述输入电压大于预设输入电压或所述输出电压大于预设输出电压时，调小可控开关开度，当所述输入电压小于预设输入电压或所述输出电压小于预设输出电压时，调大可控开关开度。

可选地，高压IGBT驱动装置，还包括：高压反馈电路，所述高压反馈电路的一端与所述IGBT器件的集电极连接，所述高压反馈电路的另一端分别与所述控制电路及所述高压直流电源转换电路连接，所述控制电路还与所述高压直流电源转换电路连接；

所述高压反馈电路用于采集所述IGBT器件的主支路电压信息，并将其提供给所述控制电路进行数字式保护，以及发送至所述高压直流电源转换电路进行就地模拟式保护。

可选地，高压IGBT驱动装置，还包括：多个限流电阻，所述电源自启动电路及多路高压取能电路均通过一个所述限流电阻连接至所述IGBT器件的集电极。

可选地，所述多等级电压转换单元包括：升/降压式DC/DC电源、反激电源。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的高压IGBT驱动装置，包括：取能模块、电压转换模块及驱动模块，其中，取能模块用于通过采集IGBT器件的集电极、发射极间电压进行取能；电压转换模块用于将IGBT器件的集电极、发射极间电压转换为不同电压等级的稳定电源送至驱动模块为IGBT器件的开通关断提供门极电压。该高压IGBT驱动装置仅依靠IGBT的C、E两端间电压进行取能，通过电压转换模块将IGBT器件的集电极、发射极间电压转换为不同电压等级的稳定电源。将该稳定电源送至驱动模块，为驱动模块提供所需的不同电压等级、不同参考电位的电压源，解决了IGBT在不同运行工况下的集-射极电压波形不稳定，导致取能电源的设计难度大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中高压IGBT驱动装置的原理框图；

图2为本发明实施例中高压IGBT驱动装置架构说明图；

图3为本发明实施例中高压直流电源转换电路的原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种高压IGBT驱动装置，如图1所示，包括：取能模块、电压转换模块及驱动模块。其中，取能模块用于通过采集IGBT器件的集电极、发射极间电压进行取能；电压转换模块用于将IGBT器件的集电极、发射极间电压转换为不同电压等级的稳定电源送至驱动模块为IGBT器件的开通关断提供门极电压。

在一具体实施例中，取能模块仅依靠IGBT器件的C、E两端间电压进行取能。电压转换模块将IGBT器件的集-射极电压转换为波动较小的高压直流源，进而将高压直流源转换为30-500V的中压直流源，最后将上述中压直流源依据驱动电路各部分电路的需求转换为多路、多电压等级的直流电源并送至驱动电路，为驱动电路提供所需的不同电压等级、不同参考电位的电压源。通过多步电压转换将IGBT器件的集-射极电压转换为不同电压等级、不同参考电位的电压源，为驱动电路提供稳定电压源。

本发明提供的高压IGBT驱动装置，包括：取能模块、电压转换模块及驱动模块，其中，取能模块用于通过采集IGBT器件的集电极、发射极间电压进行取能；电压转换模块用于将IGBT器件的集电极、发射极间电压转换为不同电压等级的稳定电源送至驱动模块为IGBT器件的开通关断提供门极电压。该高压IGBT驱动装置仅依靠IGBT的C、E两端间电压进行取能，通过电压转换模块将IGBT器件的集电极、发射极间电压转换为不同电压等级的稳定电源。将该稳定电源送至驱动模块，为驱动模块提供所需的不同电压等级、不同参考电位的电压源，解决了IGBT在不同运行工况下的集-射极电压波形不稳定，导致取能电源的设计难度大的问题。

在一实施例中，如图2所示，取能模块，包括：电源自启动电路及多路高压取能电路。其中，电源自启动电路的输入端连接至IGBT器件的集电极，电源自启动电路的输出端连接至电压转换模块；每路高压取能电路的输入端连接至IGBT器件的集电极，每路高压取能电路的输出端连接至电压转换模块。

在一具体实施例中，在高压IGBT驱动装置启动预设时间内，导通电源自启动电路，利用电源自启动电路采集IGBT器件的集电极、发射极间电压进行取能，在高压IGBT驱动装置启动预设时间后，导通至少一路高压取能电路，利用高压取能电路采集IGBT器件的集电极、发射极间电压进行取能。

在本发明实施例中，高压IGBT驱动装置，还包括：多个限流电阻，电源自启动电路及多路高压取能电路均通过一个限流电阻连接至IGBT器件的集电极。电源自启动电路包括若干被动元件，高压取能电路包括可控电力电子开关及其驱动装置。电源自启动电路在板卡启动初期控制芯片未上电时经限流电阻R1从IGBT集-射极两端取能，为电压转换模块提供能量；板卡启动后，高压取能电路1～N启动，IGBT集-射极经限流电阻R2、高压取能电路1～N为电压转换模块提供可控功率的能量。

进一步地，限流电阻包括但不限于：水泥电阻、绕线电阻、水冷电阻等。取能模块还包括：参考地接口，其连接至IGBT器件的发射极。取能模块电源中电源自启动电路还对应有自启动接口，高压取能电路对应有高压取能接口，高压反馈电路对应有电压反馈接口，驱动模块对应有IGBT驱动接口。上述接口与外部的连接可以采用单根高压导线或双绞高压导线等连接方式，固定端子可采用螺钉固定、插拔固定等固定方式。

在一实施例中，如图2所示，电压转换模块，包括：高压直流电源转换电路、中压直流电源转换电路及多等级电压转换单元。其中，高压直流电源转换电路的输入端与多路高压取能电路的输出端连接，高压直流电源转换电路的输出端与中压直流电源转换电路的第一输入端连接；中压直流电源转换电路的第二输入端与电源自启动电路的输出端连接，中压直流电源转换电路的输出端与多等级电压转换单元的输入端连接；多等级电压转换单元的输出端与驱动模块连接。

在一具体实施例中，高压直流电源转换电路用于将IGBT器件的集电极、发射极间电压转换为波形波动在预设波动范围内的电压。中压直流电源转换电路用于将波形波动在预设波动范围内的电压转换为预设电压范围内的直流电源。多等级电压转换单元用于依据驱动板高压IGBT驱动装置各部分电路的需求将预设电压范围的直流电源转换为多路、多电压等级的直流电源。

在本发明实施例中，高压直流电源转换电路将IGBT器件的集-射极电压转换为高压直流源，其高压直流源波形波动在预设波动范围内，即得到较稳定的高压直流源。中压直流电源转换电路将上述高压直流源转换为30-500V的中压直流源。多等级电压转换单元将上述中压直流源依据驱动板各部分电路的需求转换为多路、多电压等级的直流电源。上述多路、多电压等级的直流电源供给的范围包括但不限于：驱动模块中的数字控制芯片以及信息采集芯片所需电压源、驱动IGBT栅极开通所需的栅-发射极电压源、驱动IGBT栅极关断所需的栅-发射极电压源；电压转换模块中的直流开关电源电路所需电压源；高压直流电源转换电路中的控制保护电路所需电压源。

在本发明实施例中，高压直流电源转换电路可以为一路，将多路高压取能电路输出的IGBT器件的集-射极电压转换为高压直流源汇总后，进行高压直流电源转换。另外，高压直流电源转换电路可以为多路，其与高压取能电路一一对应设置，每路高压直流电源转换电路将每路高压取能电路进行高压直流电源转换进行电压源汇总，进而输送至中压直流电源转换电路进行中压直流电源转换。

具体地，高压直流电源转换电路可以为线性电源、开关电源。中压直流电源转换电路可以为升/降压式DC/DC电源、反激电源；多等级电压转换单元可以为升/降压式DC/DC电源、反激电源、线性电源。仅以此为例，不以此为限。

在一实施例中，如图2所示，驱动模块，包括：控制电路及栅极驱动电路。其中，控制电路通过通信接口接收外部控制器的控制命令，同时将IGBT器件驱动及IGBT器件的状态信息发送给外部控制器；栅极驱动电路用于为IGBT器件提供栅极开关脉冲。

在一具体实施例中，驱动模块包括一套控制电路和一套栅极驱动电路，其中控制电路包括一组数字控制芯片和一组信息采集芯片。其中数字控制芯片的功能包括但不限于：(1)提供IGBT栅极开关命令；(2)处理与上级控制器通信内容及数据解码编码；(3)提供电力电子组件及IGBT故障处理功能；(4)提供取能单元的高压直流电源部分的控制与保护。栅极驱动电路分别与一个或多个IGBT器件的集电极、发射极、栅极连接。当IGBT驱动板完全启动后，IGBT驱动板的栅极驱动电路能够提供IGBT栅极开关脉冲，处理与上级控制器通信内容及数据解码编码，提供取能单元的高压直流电源部分的控制与保护功能，提供电力电子组件及IGBT驱动的故障处理功能。

在本发明实施例中，通信接口与外部控制器的连接形式包括但不限于：光纤、双绞线、串口、网线等。

在一实施例中，当高压直流电源转换电路为多路时，如图3所示每路高压直流电源转换电路，包括：电流控制电路、电压控制电路及可控开关。

在一具体实施例中，电流控制电路实时采集高压取能电路的输出电流，当输出电流大于预设电流时，调小可控开关开度，当输出电流小于预设电流时，调大可控开关开度。电压控制电路实时采集高压取能电路的输入电压或输出电压，将输入电压与预设输入电压比较或将输出电压与预设输出电压比较，当输入电压大于预设输入电压或输出电压大于预设输出电压时，调小可控开关开度，当输入电压小于预设输入电压或输出电压小于预设输出电压时，调大可控开关开度。

在本发明实施例中，高压直流电源转换电路上配置的过流保护电路可以在该回路电流超过限定值时关闭该回路。

在一实施例中，如图2所示，高压IGBT驱动装置，还包括：高压反馈电路，高压反馈电路的一端与IGBT器件的集电极连接，高压反馈电路的另一端分别与控制电路及高压直流电源转换电路连接，控制电路还与高压直流电源转换电路连接。

在一具体实施例中，高压反馈电路用于采集IGBT器件主支路电压信息，并将其提供给控制电路进行数字式保护，以及发送至高压直流电源转换电路进行就地模拟式保护。

在一实施例中，采用取能和驱动一体化设计，并集成了电压采集、IGBT过压、过流保护等功能，显著减小了高电位控制板的尺寸，损耗，缩减了成本，提高了IGBT运行的可靠性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。