門極驅(qū)動電路板、門極驅(qū)動單元及其驅(qū)動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及牽引系統(tǒng)，尤其是一種用于牽引系統(tǒng)中控制及監(jiān)視IGBT狀態(tài)的門極驅(qū)動電路板、門極驅(qū)動單元及其驅(qū)動方法。
【背景技術(shù)】
[0002]牽引系統(tǒng)中，VVVF逆變及斬波的控制多由高功率晶體管模塊IGBT的通斷來完成，因而IGBT在這一系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性作用。高效的控制及監(jiān)視IGBT的狀態(tài)必然成為整個牽引系統(tǒng)中的最為關(guān)鍵的一個部分。
[0003]門極驅(qū)動單元(Gate Drive Unit，簡稱⑶U)，一種用以驅(qū)動控制大功率IGBT晶體管的可編程印刷電路板，尤其在牽引控制中廣泛應(yīng)用。在過去的10年里，國內(nèi)外動車、地鐵等車輛的牽引控制基本用的主流的幾家如BOMBARDIER、SIEMENS、ALSTOM等，其成熟的技術(shù)，穩(wěn)定的性能及業(yè)內(nèi)深遠(yuǎn)的影響占據(jù)主要市場。
[0004]然而近年來，國內(nèi)外現(xiàn)用車輛上使用的牽引控制設(shè)備部分部件已基本到其使用壽命，尤其是直接關(guān)聯(lián)IGBT大功率負(fù)載的GDU原本就是高故障率高易損率的部件即將迎來大規(guī)模的老化、損壞而必須更換的局面。然原裝部件(如BOMBARDIER)供貨周期長，價格高，且就該部件而言只有售前服務(wù)沒有售后技術(shù)支持。由于國內(nèi)外相關(guān)客戶近年來認(rèn)知的不斷提高，對相關(guān)技術(shù)都有一定的了解，關(guān)鍵組成元件的熟悉，認(rèn)為GDU該部件的集成度有限，就成本和銷售價格比差過大，進(jìn)口價格過高，周期過長，且期望在GDU故障、損壞時能夠提供技術(shù)支持，不影響基本性能的情況下能夠維修或提供改善建議，而對于這些需求原裝進(jìn)口就不能達(dá)到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:為了提供一種門極驅(qū)動電路板、門極驅(qū)動單元及其驅(qū)動方法，集成度高、成本較低，保證了 IGBT的使用性能。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種門極驅(qū)動電路板，用以驅(qū)動控制大功率IGBT晶體管，包括CPLD主控芯片、初級低壓PCB、次級高壓PCB、隔離驅(qū)動變壓器及高壓分壓PCB，所述初級低壓PCB、次級高壓PCB之間通過隔離驅(qū)動變壓器連接，所述CPLD主控芯片、高壓分壓PCB固定在次級高壓PCB上。
[0007]所述初級低壓PCB上設(shè)置有電源接口，連接電源電壓24V DC (+5 %, -10% ),所述次級高壓PCB上設(shè)置有門極-發(fā)射極接口，連接IGBT門極和發(fā)射極，集電極接口，連接不同電壓等級的IGBT集電極，發(fā)射極接口，連接IGBT發(fā)射極，CPLD主控芯片程序下載接口和測試接口，光纖接收接口，IGBT開關(guān)信號，光纖發(fā)送接口，GDU故障反饋信號。
[0008]所述高壓分壓PCB采用基材S1141，代替原進(jìn)口陶瓷板方式，配置特質(zhì)高精度大功率電阻完成電路配置，在功能上達(dá)到原裝方式要求，在性能上高于原裝設(shè)計(jì)，更精確及時的監(jiān)控IGBT狀態(tài)。且采用基材SI 141替代原裝陶瓷板工藝上方便處理，成本上得到進(jìn)一步控制。
[0009]所述次級高壓PCB上設(shè)置有狀態(tài)指示燈，包括綠燈和紅燈，用于顯示IGBT及⑶U是否正常工作。
[0010]本發(fā)明還提供一種門極驅(qū)動單元，包括
[0011]電源模塊，接收外部直流供電電壓，并將電壓轉(zhuǎn)換成各邏輯器件所需的電壓及IGBT的驅(qū)動控制電壓；
[0012]高壓分壓模塊，連接不同電壓等級的IGBT集電極，通過分壓電路按比例縮小Vce并實(shí)時監(jiān)控，確定IGBT工作狀態(tài)及正常與否；
[0013]短路保護(hù)模塊，連接IGBT的門極-發(fā)射極，用于監(jiān)控IGBT門極和發(fā)射極電流，并判斷是否啟動或關(guān)斷IGBT ；
[0014]故障顯示模塊，與電源模塊、高壓分壓模塊、短路保護(hù)模塊連接，指示電源模塊狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測高壓分壓模塊、短路保護(hù)模塊，并將故障信號報錯顯示；
[0015]故障反饋模塊，與故障顯示模塊連接，將故障信號反饋給上級DCU ;
[0016]自檢自恢復(fù)模塊，與高壓分壓模塊、短路保護(hù)模塊連接，故障移除后進(jìn)行自檢，確認(rèn)各功能狀態(tài)正常后自動復(fù)位進(jìn)入正常工作狀態(tài)；
[0017]光纖啟動模塊，與自檢自恢復(fù)模塊連接，自檢正常后按上級DCU給定信號開關(guān)IGBT0
[0018]所述短路保護(hù)模塊中，短路電流限制在290mA，超過即判定為短路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，關(guān)斷IGBT的同時鎖定開信號，直到故障移除電流監(jiān)測在正常范圍內(nèi)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
[0019]所述短路保護(hù)模塊中還設(shè)置有IGBT發(fā)射極Emain監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控IGBT發(fā)射極狀態(tài)，監(jiān)測IGBT的Emain= > E kelvin的電流變化dl c/dt超過5kA/ms，電壓變化量超過150V時，判定為短路保護(hù)，即時關(guān)斷IGBT并鎖定開信號，直到故障移除自檢通過后恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
[0020]本發(fā)明還提供一種門極驅(qū)動單元的驅(qū)動方法，包括如下步驟:
[0021](I)根據(jù)所選IGBT型號參數(shù)配置正確的CPLD程序并固件加載；
[0022](2)將該門極驅(qū)動單元與IGBT連接；
[0023](3)上電，發(fā)送啟動信號，門極驅(qū)動單元通過自檢并進(jìn)入正常工作模式；
[0024](4)工作過程中檢測門極驅(qū)動單元及IGBT各參數(shù)性能，發(fā)生過壓、過流故障時關(guān)斷IGBT并指不報錯；
[0025](5)故障時信號反饋于上級D⑶，并鎖定啟動信號，直到故障排查移除；
[0026](6)等待故障移除后，自檢通過，延時復(fù)位進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
[0027]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的門極驅(qū)動電路板、門極驅(qū)動單元及其驅(qū)動方法迎合了當(dāng)下環(huán)境，為國內(nèi)外過去一直用的同規(guī)格GDU-DYTP 140A提供更新替換提供可選方案，且由自主研發(fā)代替進(jìn)口成品采購也解決了客戶對于該部件損耗的懷疑，提供可靠的技術(shù)支持及專業(yè)的售后服務(wù)，并且同比進(jìn)口產(chǎn)品而言，不但降低了成本，提高了效率，以更優(yōu)的性能更優(yōu)的服務(wù)確定了其明顯的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0029]圖1是本發(fā)明門極驅(qū)動電路板的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
[0031]如圖1所示，一種門極驅(qū)動電路板，用以驅(qū)動控制大功率IGBT晶體管，包括CPLD主控芯片5、初級低壓PCB1、次級高壓PCB3、隔離驅(qū)動變壓器2及高壓分壓PCB4，所述初級低壓PCB1、次級高壓PCB3之間通過隔離驅(qū)動變壓器2連接，所述CPLD主控芯片5、高壓分壓PCB4固定在次級高壓PCB3上，所述高壓分壓PCB4采用基材S1141，所述初級低壓PCBl上設(shè)置有電源接口 6，所述次級高壓PCB3上設(shè)置有門極-發(fā)射極接口 8、集電極接口 9、發(fā)射極接口 7、CPLD主控芯片程序下載接口和測試接口 12、光纖接收接口 10、光纖發(fā)送接口 11及狀態(tài)指示燈13。
[0032]該門極驅(qū)動電路板是一款驅(qū)動控制大功率IGBT的PCB，由其主要功能是對IGBT門極的驅(qū)動控制及對IGBT各項(xiàng)電性能監(jiān)控，由功能定義命名門極驅(qū)動單元(GDU)。該GDU在牽引控制應(yīng)用中尤為廣泛，是為牽引控制系統(tǒng)的核心部件之一。
[0033]該⑶U是通用型驅(qū)動單元，適用于多種不同廠家型號IGBT，加載不同的配置程序使其對應(yīng)匹配不同型號IGBT實(shí)現(xiàn)不同位置功能。主要實(shí)現(xiàn)以下功能:過壓、過流保護(hù)；短路保護(hù)；自恢復(fù)二極管控制；優(yōu)化、補(bǔ)償開關(guān)損耗；調(diào)節(jié)控制dVra/dt和diydt確保開關(guān)速度；IGBT狀態(tài)監(jiān)測，故障反饋。
[0034]該GDU正常工作時自成回路，由各主功能部件配合軟硬件邏輯進(jìn)行自我監(jiān)控及對IGBT的監(jiān)控。
[0035]該門極驅(qū)動電路板包含了一種門極驅(qū)動單元，包括
[0036]電源模塊，通過電源接口 6接收外部直流供電電壓，并將電壓轉(zhuǎn)換成各邏輯器件所需的電壓及IGBT的驅(qū)動控制電壓，24VDC(+5%，-10% )供電，經(jīng)過我司自主研發(fā)的隔離驅(qū)動變壓器初次級隔離，經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換芯片二次轉(zhuǎn)化成+3.3V，+5V，+17V