專利名稱:集成多功能的igbt驅(qū)動電路模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及機車車輛輔助供電變流裝置,特別涉及IGBT變流器,具體為集成 多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊。
背景技術(shù):
IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是一種由雙極晶體管和MOSFET(絕緣柵型場效應(yīng) 管)組合的器件,它既具有MOSFET的柵極電壓控制快速開關(guān)特性,又具有雙極晶體管大電 流處理能力和低飽和壓降的特點,近年來在各種電力變換裝置中得到廣泛應(yīng)用,例如IGBT 變流器。在IGBT變流器的設(shè)計中,驅(qū)動電路性能對整個變流器性能有著重要影響。IGBT驅(qū) 動電路是驅(qū)動IGBT模塊以能讓其正常工作,并同時對其進(jìn)行保護(hù)的電路。在驅(qū)動電路的設(shè) 計中,要考慮到驅(qū)動功率、過流保護(hù)、電壓隔離模式、驅(qū)動與主電路間集成等各方面的因素。 但是在目前的大量實際應(yīng)用中,驅(qū)動電路模塊只關(guān)注驅(qū)動功率、過流保護(hù)、電壓隔離模式等 方面,在驅(qū)動電路與主電路間集成技術(shù)方面缺乏研究與改進(jìn)?,F(xiàn)有的IGBT變流器中,存在著主電路和驅(qū)動電路分屬不同模塊的結(jié)構(gòu)。即驅(qū)動電 路模塊只與IGBT的驅(qū)動信號端子連接,實現(xiàn)驅(qū)動與保護(hù)功能,而IGBT、主電路、直流支撐電 路、吸收電路、軟開關(guān)電路、電流檢測電路之間采用電纜連接。使用大量的電纜連接,將使整 個電路成本高、結(jié)構(gòu)臃腫,占用較大的空間,產(chǎn)品質(zhì)量下降,導(dǎo)致整個電路布局比較復(fù)雜,電 纜連接多、成本高、質(zhì)量不可靠的問題。同時,IGBT、主電路、吸收電路、軟開關(guān)等部件之間采用電纜連接時,電路的雜散電 感較大,在主電路開關(guān)過程中,將在IGBT器件上產(chǎn)生較高的電壓尖峰,對功率器件有一定 對沖擊,影響功率器件的壽命,從而降低了功率變換電路的可靠性。還存在電路雜散電感 大、功率器件容易損壞、電路可靠性差效率低的問題。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型為了解決現(xiàn)有IGBT變流器中存在的主電路布局復(fù)雜、成本高、雜散電 感大、可靠性低等問題,提供一種集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊。本實用新型具體采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊,包括 由功率放大開關(guān)電路和隔離驅(qū)動變壓器組成的驅(qū)動電路、IGBT、主電路、直流支撐電路、連 接四個IGBT (A D)的軟開關(guān)電路、吸收電路和電流檢測電路,上述各電路及部件全部集成 在同一印刷電路板模塊上。集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊主要由兩部分電路組成第一部分實現(xiàn)IGBT的 驅(qū)動和保護(hù),包括驅(qū)動電路;驅(qū)動電路包括功率放大開關(guān)電路和隔離驅(qū)動變壓器,連接于變 流器控制電路中,接受變流器控制電路發(fā)送過來的脈沖信號。第二部分集成了主電路的一 些部件和電路,以實現(xiàn)減小電路雜感、簡化電路布局,提高主電路的可靠性的功能,包括連 接IGBT的集成電路;集成電路包括直流支撐電路、軟開關(guān)電路、IGBT吸收電路以及電流檢測電路。直流支撐電路,由第八電容C25和第九電容C26組成,兩電容C25、C26并聯(lián)在直 流支路的正負(fù)兩端,在開關(guān)電路通斷的工作過程中,起維持直流回路電壓穩(wěn)定的作用。軟開 關(guān)電路,由六個電容(17、(18、(19、020、023、024組成,第一電容至第四電容(17 C20直 接并聯(lián)在對應(yīng)的IGBT (A D)的C、E端子之間(C、E端子為IGBT上連接集成電路的對應(yīng) 端子),第六電容C23、第七電容C24并聯(lián)后組成直流隔離電路串聯(lián)在主電路的輸出,起到隔 離輸出電壓的直流成分的作用。IGBT吸收電路,由第一電阻R40、第四電阻R43和第五電容 C22串聯(lián)組成,然后整體并聯(lián)在直流回路的正負(fù)之間,功能是吸收開關(guān)電路通斷過程中在直 流回路產(chǎn)生的電壓尖峰和電壓諧波。電流檢測電路,由電流互感器TA及第二電阻R41、第三 電阻R42組成,電流互感器TA與第二電阻R41、第三電阻R42并聯(lián)后,串接在開關(guān)變換輸出 電路中,可以檢測出輸出電路的電流大小。上述部件之間的連接全部由IGBT驅(qū)動電路模塊的印刷電路板上的PCB銅箔線路 完成,包括輸入直流端子(DC+、DC_)到主電路IGBT間的連接,以及IGBT輸出到高頻變壓器 的連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實用新型提供的集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊具有如下 優(yōu)點(1)將IGBT驅(qū)動電路、IGBT、主電路、直流支撐電路、軟開關(guān)電路、吸收電路和電流 檢測電路全部集成在同一印刷電路板模塊上,這種技術(shù)減小了主電路的雜感,降低了功率 單元主電路的開關(guān)電壓尖峰,提高了功率變換電路的可靠性,降低故障率,從而節(jié)省部件維 修成本。(2)這種設(shè)計將復(fù)雜的主電路接線轉(zhuǎn)化為固定的PCB布線,大大簡化了主電路布 局,節(jié)省空間和成本,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。本實用新型設(shè)計的一種集成多功能IGBT驅(qū)動電路模塊,適用于軟開關(guān)技術(shù)的全 橋移相變換電路,不但實現(xiàn)了 IGBT的驅(qū)動與保護(hù),而且將主電路的一部分(包括器件)功 能集成在驅(qū)動電路模塊上,使驅(qū)動電路和主電路更好的結(jié)合,提高了功率變換電路的可靠 性。
圖1為本實用新型所述集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊驅(qū)動和保護(hù)電路的原理 圖;圖2為本實用新型所述的集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊的集成電路部分的電 路原理圖;圖3為本實用新型所述的集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊的具體實體結(jié)構(gòu)示意 圖。
具體實施方式
集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊,包括由功率放大開關(guān)電路和隔離驅(qū)動變壓器 組成的驅(qū)動電路、IGBT、主電路、直流支撐電路、連接四個IGBT(A D)的軟開關(guān)電路、吸收 電路和電流檢測電路,上述各電路及部件全部集成在同一印刷電路板模塊上。[0019]集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊上包括由功率放大開關(guān)電路和隔離驅(qū)動變壓器 T1、T2組成的驅(qū)動電路,還包括連接四個IGBT(Α D)構(gòu)成全橋移相變換電路的集成電路; 集成電路包括由并聯(lián)于直流支路正負(fù)極兩端的第八電容C25、第九電容C26構(gòu)成的直流支 撐電路,包括六個電容C17、C18、C19、C20、C23、C24并且連接四個IGBT(A D)的軟開關(guān)電 路,由依次串接于直流支路正負(fù)兩端的第一電阻R40、第四電阻R43和第五電容C22組成的 IGBT吸收電路,以及串接于軟開關(guān)電路的輸出電路中,由電流互感器TA、第二電阻R41、第 三電阻R42三者并聯(lián)后構(gòu)成的電流檢測電路;軟開關(guān)電路中第一電容C17、第二電容C18串 接,第三電容C19、第四電容C20串接后分別接入電路正負(fù)極兩端,第一電容C17、第二電容 C18之間引出輸出電路串接電流檢測電路后引至輸出端子E10,第三電容C19、第四電容C20 之間引出輸出電路串接由電容第六電容C23、第七電容C24并聯(lián)組成的直流隔離電路后引 至另一輸出端子Ell,第一電容至第四電容C17 C20分別和外部接入電路中的IGBT (A D)并聯(lián),集成電路輸出端E10、E11外接高頻變壓器T ;各部件之間的連接全部由模塊的PCB 銅箔線路完成。具體的,本實用新型所述的集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊適合應(yīng)用于采用軟 開關(guān)技術(shù)的全橋移相變換電路。主電路將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為高頻的交流電并提供給后級 的高頻變壓器,變換電路采用兩個橋臂,共四個IGBT(A D)完成,本實用新型實現(xiàn)了 IGBT 的驅(qū)動與保護(hù)并集成了主電路的部分功能。首先,完成IGBT的驅(qū)動和保護(hù),包括與變流器控制電路相連的驅(qū)動電路,其工作 原理和過程為(如圖1所示)變流器控制電路發(fā)送脈沖信號(CommandA D)到IGBT驅(qū) 動電路模塊,驅(qū)動電路模塊對脈沖信號分別進(jìn)行功率放大,并輸出給隔離變壓器,隔離變壓 器實現(xiàn)脈沖信號的隔離和整合,并輸出相位相反的兩路IGBT驅(qū)動信號給一個橋臂的上下 兩個IGBT (A-B),另一個橋臂IGBT (C-D)的驅(qū)動電路與IGBT (A-B)類同。IGBT (A D)接收 驅(qū)動信號后開始正常工作。其次,通過軟開關(guān)技術(shù)將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為高頻的交流電并提供給后級的高頻 變壓器T。在開關(guān)電路工作過程中,IGBT(A D)組成全橋移相變換電路,利用外部高頻變 壓器T的原邊漏感續(xù)流和第一、二、三、四、六電容C17 C20、C23及第七電容C24的充放 電,使IGBT(A D)在C、E兩端電壓為零時開通,實現(xiàn)變換電路的零電壓軟開關(guān)功能。主電 路直流電從模塊上的接線端子+HV、-HV輸入,經(jīng)過緊固在電路模塊上IGBT的變換,由模塊 上的端子E10、Ell輸出高頻的交流電給后級的高頻變壓器T。如圖3所示,主電路直流電從接線端子+HV、_HV輸入,經(jīng)過緊固在電路模塊的六個 圓形大焊盤(標(biāo)識為QL、QR)下的IGBT變換,再由端子E10、E11輸出給后級的高頻變壓器。Pl為模塊對外連接器,提供電源及脈沖保護(hù)信號的輸入/輸出。IGBT脈沖驅(qū)動信 號經(jīng)過電路功率放大后,再經(jīng)過隔離變壓器Tl、T2整合隔離,由El E8輸出到IGBT的驅(qū) 動連接端子。電容C25、C26組成了直流支撐電路,電阻R43、R40、電容C22組成了 IGBT吸收回 路,電容C17 C20、C23、C24是軟開關(guān)電路的組成部分,電流互感器T3及電阻R41、R42組 成了電流檢測電路。IGBT驅(qū)動電路模塊上所有部件之間的連接,全部由PCB的銅箔線路完成,包括輸 入直流端子(DC+、DC-)到主電路IGBT間的連接,以及IGBT輸出到高頻變壓器到連接。這種設(shè)計,大大簡化了主電路布局,減小了主電路的雜感,也提高了整個功率電路的可靠性。
權(quán)利要求1.集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊,包括由功率放大開關(guān)電路和隔離驅(qū)動變壓器組 成的驅(qū)動電路、IGBT、主電路、直流支撐電路、連接四個IGBT(A D)的軟開關(guān)電路、吸收電 路和電流檢測電路,其特征在于上述各電路及部件全部集成在同一印刷電路板模塊上;直流支撐電路由第八電容C25和第九電容C26組成,兩電容C25、C26并聯(lián)在直流支路 的正負(fù)兩端;軟開關(guān)電路由六個電容C17、C18、C19、C20、C23、C24組成,第一電容至第四電容C17 C20直接并聯(lián)在對應(yīng)的IGBT (A D)的C、E端子之間,第六電容C23、第七電容C24并聯(lián)后 組成直流隔離電路串聯(lián)在主電路的輸出;電流檢測電路由電流互感器TA及第二電阻R41、第三電阻R42組成,電流互感器TA與 第二電阻R41、第三電阻R42并聯(lián)后,串接在開關(guān)變換輸出電路中;吸收電路由第一電阻R40、第四電阻R43和第五電容C22串聯(lián)組成,然后整體并聯(lián)在直 流回路的正負(fù)之間。
專利摘要本實用新型涉及機車車輛輔助供電變流裝置,特別涉及IGBT變流器,具體為集成多功能的IGBT驅(qū)動電路模塊。解決了現(xiàn)有IGBT變流器中存在的主電路布局復(fù)雜、成本高、雜散電感大、可靠性低的問題,包括由功率放大開關(guān)電路和隔離驅(qū)動變壓器組成的驅(qū)動電路、IGBT、主電路、直流支撐電路、連接四個IGBT(A~D)的軟開關(guān)電路、吸收電路和電流檢測電路,上述各電路及部件全部集成在同一印刷電路板模塊上。本實用新型設(shè)應(yīng)用在軟開關(guān)變流電路中,不但實現(xiàn)了IGBT的驅(qū)動與保護(hù),而且將主電路的一部分功能集成在驅(qū)動電路模塊上,使驅(qū)動電路和主電路更好的結(jié)合,提高了功率變換電路的可靠性。
文檔編號H02M3/28GK201789418SQ201020224850
公開日2011年4月6日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者張晉芳, 李相鋒, 牛勇, 王博, 胥會兵 申請人:永濟(jì)新時速電機電器有限責(zé)任公司