專利名稱：隔離柵雙極性晶體管的觸發和驅動模板的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種隔離柵雙極性晶體管的觸發和驅動模板。
隔離柵雙極性晶體管(IGBT)，兼有雙極性功率晶體管高耐壓大容量的特點和功率MOIFET(即金屬氧化半導體場效應管，開關速度高，驅動功率小的特點。
對于隔離柵雙極性晶體管(IGBT)，其觸發和驅動是關鍵，由于該雙極性晶體管有過電流保護的要求，通常它只能承受于10微秒的過電流，同時由于電路電感的存在，所以在過電流的瞬間，其集電極(C)處常會發生尖的脈沖，如采用正常驅動速度來關斷電過流狀態下的隔離柵雙極性晶體管，就達不到保護的要求，因此要采取低速切斷電路，使雙極性晶體管不致損壞，這稱為“軟關斷”，目前采用TLP250芯片或EXP841厚膜電路芯片來實現，缺點是造價偏高，而且電路不能小型化。
本實用新型的目的是要提供一種隔離柵雙極性晶體管的觸發和驅動模板它可克服上述的缺點，該模板成本低，可以小型化設計，性能極為可靠，其電路有光電隔離和單電壓供電，而且有過電流保護和記憶，而且雙極性晶體管有過電流瞬間采用軟關斷的技術，可以有效地防止過電流瞬間在集電極處產生電壓尖脈沖損壞晶體管。
本實用新型的目的是這樣實現的一種隔離柵雙極性晶體管的觸發和驅動模塊，其特征在于模板的直流穩壓電路ZH的輸入端1，2端接于變壓器TC，其輸出端3端與脈寬調置電源M的4端相接，直流穩壓電源ZH的輸入端1，2端，即XS1端接于變壓器TC輸出端，直流穩壓單元ZH的輸出端(3)輸出+12V直流電壓，且與脈寬調置電源M的4端相接，同時又接于觸發信號發生單元CH輸入端(9)，CH的6，7，8端(即XS4端)與CPU相接，而10端與過電流記錄和鎖定單元G的11端相接，CH的A，B，C，D端接于母線4分別接于驅動單元T的A端(即2端)，驅動單元E的B端(即21端)，另一驅動單元T的C端(即21端)，另一驅動單元E的D端(即33端)，CH的B端又接于二極管D2的正極，D2負極接于G的13端，CH的D端又接于二極管D1正極，D1負極又接于G的12端；驅動單元T的3，4端，(即XS2端)與I1相接，驅動單元E的18端與母線8相接，再接于電源單元M的5端，E的22端、19端各與發光二極管D3的正極和負極相接，E的23端，20端(即XS2端)接于I3；另一個驅動單元T的24端接于母母8，再接于M的5端，而25，26端(即XS3端)接于I2，另一個驅動單元E的28端也接于母線8，再接于M的5端，而29端、30端各與發光二極管D4的正負極相接，31，32端(即XS3端)與I4相接；鎖定單元G的16端接于發光二極管D4負極，17端接發光二極管D3負極，G的14，15端(即XS4端)也與CPU相接，同時又與開關SB相接。
模板(1)通過螺釘固定在帶有鑲螺母的金屬底板2上，底板(2)是U型零件，兩側均有出線孔，上蓋(3)是一塊單面復銅板，該復銅板面向內側與金屬制成的兩側翼(4)鉚接在一起。
圖1觸發和驅動模板(ICM)示意圖；圖2觸發和驅動模板應用的示意圖；圖3觸發驅動模板示意圖。
茲結合附圖對隔離柵雙極性晶體管觸發驅動模板的結構和原理詳細敘述由圖1，隔離柵雙極性晶體管觸發一驅動模板(簡稱ICM)是由8部分組成，它包括直流穩壓單元ZH，脈沖調置開關電源單元M，觸發信號發生單元CH，2個由光耦驅動器(TCP250芯片)為核心的驅動單元T，2個由光耦驅動器(EXP841)組成的驅動單元E以及過電流記錄和鎖定單元G。
直流穩壓電源ZH的輸入端1，2端，，即XS1端接于變壓器TC輸出端，直流穩壓單元ZH的輸出端(3)輸出+12V直流電壓，且與脈寬調置電源M的4端相接，同時又接于觸發信號發生單元CH輸入端(9)，CH的6，7，8端(即XS4端)與CPU相接，而10端與過電流記錄和鎖定單元G的11端相接，CH的A，B，C，D端接于母線4分別接于驅動單元T的A端(即2端)，驅動單元E的B端(即21端)，另一驅動單元T的C端(即21端)，另一驅動單元E的D端(即33端)，CH的B端又接于二極管D2的正極，D2負極接于G的13端，CH的D端又接于二極管D1正極，D1負極又接于G的12端。
驅動單元T的3，4端，(即XS2端)與I1相接，驅動單元E的18端與母線8相接，再接于電源單元M的5端，E的22端、19端各與發光二極管D3的正極和負極相接，E的23端，20端(即XS2端)接于I3。
另一個驅動單元T的24端接于母母8，再接于M的5端，而25，26端(即XS3端)接于I2，另一個驅動單元E的28端也接于母線8，再接于M的5端，而29端、30端各與發光二極管D4的正負極相接，31，32端(即XS3端)與I4相接。
鎖定單元G的16端接于發光二極管D4負極，17端接發光二極管D3負極，G的14，15端(即XS4端)也與CPU相接，同時又與開關SB相接。
1、直流穩壓電源-ZH，由3-AC380V的電源其中U、V兩線電壓送到了控制變壓器TC的原級，TC的次級通過導線和XS1端送入ICM模板。XS1端子是ICM的ZH單元的輸入端。輸入的交流電通過ZH單元的整流-濾波-穩壓形成了ICM模板所需要的直流DC12V的穩定的電壓源。
ZH送出的DC12V是負責向ICM模板的邏輯控制電路提供工作電壓、電流、和對IGBT模塊送出觸發-驅動信號的電壓源，其功率約為20VA。
2、脈寬調置的開關電源M由于IGBT管子在導通時，需要的驅動電壓信號的幅度為大于等于+15V的直流電壓，關斷時，IBGT管子的阻斷驅動信號需要幅為大于等于-5V的直流電壓，為了達到這個要求，而又不增加電源功率，在ICM模板中，脈寬調置控制芯片，控制一組推挽式輸出的功率放大器以及通過脈沖變壓器的隔離和升壓，分別組成了四組開關電源，又通過對脈沖變壓器次級的輸出，分別進行整流-濾波-穩壓，實現IGBT導通關斷時所需要的+15V和-5V的穩壓電源。
3、IGBT的驅動單元T，EIGBT的驅動電路在ICM模板中設計了兩種單元，而每種單元由光耦驅動器T，E各一個，組成一組，分別控制一塊IGBT1或(IGBT2)模板中的上下兩支管子I1、I3(或I2、I4)，由TLP250為核心的T單元控制上面的管子(即上臂)；由EXP841為核心的E單元控制下面的管子(即下臂)，一塊IGBT模板中的兩支管子組成一個橋臂。負載就接在兩個橋臂的中間。一組由XS2端子引出控制IGBT1模塊，另一組由XS3端子引出控制IGBT2模塊。
每組單元中都分別除具有驅動IGBT管子導通/截止的功能，而且還具有過電流保護和過電流檢測信號的輸出功能，從而能夠達到對IGBT過電流(短路)保護。
4、IGBT觸發信號發生器GHIGBT的導通/截止時間及頻率的控制是受觸發信號發生器CH單元的控制。
系統的CPU(或稱主控器)通過光纜信傳輸給ICM的XS4-2，XS4-3端子兩組相差180度的方波信號，這兩組信號送到ICM模板，首先進入G單元，通過該單元的整形，移相后產生四路觸發信號，分別去控制觸發T和E四個單元，而通過T，E單元實現對IGBT的驅動。
兩組從主控器送來相位差180度的方波信號通過整形，移相送到T單元的門控端，使其分別驅動它們所控制的IGBT模塊中的I1和I2兩支管子的導通/截止，由于這兩組觸發信號相位差180度，那么I1導通，I2必截止，反之亦然。
通過整形后的兩種信號，同時又都送到了兩路反相器，通過反相后又行了移相處理，形成了另外兩路相位差180度的觸發信號，這兩種信號分別送到了E單元的門控電路，通過兩組E單元去控制I3、I4兩支管子的導通/截止，其情況同上，由于每支模塊上、下兩支管子的導通/截止相位差180度，也就是說，一塊模塊中上臂管子導通，則下臂管子必截止。另一側的上下臂相同，本單元電路中只對觸發信號的前沿移相，而對后沿不移相，其目的是在一橋臂上的兩支管子，在導通時均遲后一個相角度，而截止時不遲后，即迅速截止，從而產生一個截止到導通轉換中的死區，防止轉換過程中出現的短路現象發生，這死區時間的設定是根據不同規格IGBT的開關時間，IGBT的分散性和溫度特性而決定的，該單元是可以調整的，為此保證上了IGBT的正常，可靠的工作。
由上面的介紹可知，一個橋臂模塊中上臂導通，則其下臂必處截止狀態，而另一側的橋臂，下臂正處在導通狀態，而上臂處在截止狀態，這種交叉導通的兩支管子給負載RL形發通電源的通道。又由于交替地交叉導通，使負載RL上得了交變的電流、電壓。實現了直流到交流的逆變。
過電流記錄和鎖定單元G鎖定就是在ICM模板上產生設計的允許最大短路時間到達時，關斷以E單元的I3、I4兩支管子，從而達到IGBT不被損壞和保護現場的目的。
圖2表明了簡單系統的構成，實現了主回路；交流-直流-交流的變化過程，達到了流過負載RL上交流電壓、電流以及頻率等電量的控制。
市電3-AC380V輸入為例，其U、V、W三相通過全波整流，濾波形成了直流電壓，該直流電壓加在由四支IGBT管子組成的兩個橋臂上，負載RL就接在兩橋臂的中間。
在ICM模板給出的觸發-驅動信號控制下，I1、I4和I2、I3分組交替導通/截止。為此，在負載RL上的電壓、電流極性也隨兩組IGBT的導通/截止而交變。從而在負載RL上形成具有一定頻率的電壓、電流。由于觸發信號的對稱，所以負載RL上的交流電壓，電流波形也是對稱的。從而實現了直流到交流逆變。其逆變后的頻率取決于主控制器發出觸發信號的頻率，改變這個頻率就可以改變負載RL上交流電量的頻率，其頻率可調范圍遠遠超過了市電50赫茲的范圍，高達幾百至幾千赫茲，從而能夠滿足高速交流電機變頻率調速的要求。
一旦負載RL發生短路或瞬時過電壓，使IGBT造成承受大于等于10微秒的近電流，使I2或I4集電極C的電位高于柵極G達7.5V，即因過電流造成IGBT管壓降增加時，則ICM模板中的E單元加在I2和I4門極G上的驅動信號就自動由+15V過渡到-5V，實現IGBT的低速關斷，低速關斷IGBT是為避免常速關斷集電極產生尖脈沖過電壓主損壞IGBT，這種低速關斷對于小于10微秒的過電流不動作。
在關斷IGBT的同時，驅動單元E送出一個低電平信號，作為ICM過電流的檢測信號，該信號被ICM模板的過電流記錄和鎖定單元G記錄下來，光達到預先設定的IGBT所能承受的短路時間，即達到G預先設定的IGBT所能承受的短路時間，即達到G預先設定的記錄次數時，鎖定單元G就產生一個鎖定信號通過D1、D2兩個二極管，使傳送給I3、I4的觸發信號常為零，直至事故處理后，觸除鎖定狀態時為止，從而保護IGBT和現場。
CPU檢測短路事故只能通過霍爾元件檢測后，通過模數轉換等方式進行，其速度遠不如ICM模板自身檢測與執行速度快，為此在短路(過電流)發生后，CPU還會不停地發出觸發信號，使短路事故狀態持續，造成事故擴大等情況。為此ICM的檢測和鎖定功能解決了這個問題，只要發生短路達到了IBGT承受的臨界時間前就自行實施保護，。
鎖定后可以通過光纜將IGBT發生短路并將已經保護的信息反饋到CPU，以便使CPU采取措施實施保護。
鎖定的解除是在CPU采用措施后，即可由CPU發出信號解除鎖定。
鎖定的解除方式有三種一種是CPU發出信號，另兩種是合閘復位和手動方式。
由于電網瞬時過電壓可能產生過電流而造成“誤”保護“誤”記錄的“誤”動作。這里指的“誤”是講偶發性的不是連續的，為此CPU在循環程序中，每次可以發出信號刷新ICM模板G單元的過電流記錄，從而克服上述狀態造成的“誤”動作的連續記錄。
由圖3，ICM從結構上是全屏蔽的，圖中焊有電子器件6的ICM模板1通過螺釘固定在帶有銥螺母的金屬底板2上，底板2是U型件，兩側各有兩個出線孔。XS1，XS2，XS3，XS3端子分別從各出線孔引出，然后與CPU，IGBT，TC件件聯接。上蓋3是一塊單面復銅板，復銅面向內而絕緣層向外，從而使ICM模板與IGBT的距離安裝可以很近，從而縮短了引出線的長度(其長度可以小于等于100毫米)，復銅板面向內側與金屬制成的兩側翼4鉚接在一起從而使底板2，上蓋3，側翼4，二件的金屬導體聯接在一起，把ICM模板上，屏蔽在其中。
總之，從結構上看ICM模板具有屏蔽性良好，而且在與IBGT相鄰面有很高的絕緣性能。
與現有技術相比，隔離柵雙極性晶體管的觸發驅動模板具有下列優點1.ICM模板功耗低，而能驅動功率大的IGBT，ICM模板可以實現IGBT主回路的負載電流達300安培，開關頻率可達40KHZ。
2.ICM模板體積小，一塊模板同時可以驅動兩支IGBT模塊四支管子。
3.ICM模塊具有短路保護功能而且根據IBGT承受短路電流能力，用戶可以選擇1-16次觸發的短路時間，其時間的長短取決于用戶系統CPU觸發頻率的速率并且具有低速過流截止功能，從而保護在過流關斷IGBT時，不因常速切斷過流而產生的IGBT集電極電壓尖脈沖而損壞IGBT模塊，低速切斷對于小于等于10微秒期間的過電流不動作。
4.短路保護有鎖定觸發功能，在解除鎖定觸發的方式有合閘自復位，手動復位和CPU程序控制的自動復位功能，保證了瞬時過電壓記錄的不累計。
5.從結構上ICM模板自成一體，并有屏蔽和耐壓絕級的技術措施，從而保證了ICM的高可靠性和與IGBT安裝距離的特點，保證使IGBT可以得到穩定可靠的觸發驅動。
6.ICM模板的設計采取了觸發-驅動輸入與輸出的隔離措施及其它一些抗干擾措施，使其送出的觸發-驅動波形穩定可靠。
7.本模板設計合理只用2支代短路保護的EXP841實現對四支IGBT的保護。
權利要求1.一種隔離柵雙極性晶體管的觸發和驅動模塊，其特征在于模板的直流穩壓電路ZH的輸入端1，2端接于變壓器TC，其輸出端3端與脈寬調置電源M的4端相接，直流穩壓電源ZH的輸入端1，2端，，即XS1端接于變壓器TC輸出端，直流穩壓單元ZH的輸出端(3)輸出+12V直流電壓，且與脈寬調置電源M的4端相接，同時又接于觸發信號發生單元CH輸入端(9)，CH的6，7，8端(即XS4端)與CPU相接，而10端與過電流記錄和鎖定單元G的11端相接，CH的A，B，C，D端接于母線4分別接于驅動單元T的A端(即2端)，驅動單元E的B端(即21端)，另一驅動單元T的C端(即21端)，另一驅動單元E的D端(即33端)，CH的B端又接于二極管D2的正極，D2負極接于G的13端，CH的D端又接于二極管D1正極，D1負極又接于G的12端；驅動單元T的3，4端，(即XS2端)與I1相接，驅動單元E的18端與母線8相接，再接于電源單元M的5端，E的22端、19端各與發光二極管D3的正極和負極相接，E的23端，20端(即XS2端)接于I3；另一個驅動單元T的24端接于母母8，再接于M的5端，而25，26端(即XS3端)接于I2，另一個驅動單元E的28端也接于母線8，再接于M的5端，而29端、30端各與發光二極管D4的正負極相接，31，32端(即XS3端)與I4相接；鎖定單元G的16端接于發光二極管D4負極，17端接發光二極管D3負極，G的14，15端(即XS4端)也與CPU相接，同時又與開關SB相接。
2.根據權利要求1所述的模板，其特征在于模板(1)通過螺釘固定在帶有鑲螺母的金屬底板2上，底板(2)是U型零件，兩側均有出線孔，上蓋(3)是一塊單面復銅板，該復銅板面向內側與金屬制成的兩側翼(4)鉚接在一起。
專利摘要一種隔離柵雙極性晶體管的觸發和驅動模板,由直流穩壓源單元ZH,脈沖調置開關電源單元M,觸發信號發生單元CH,驅動單元E和T,過電流記錄和鎖定單元G組成,該模塊可控制4支雙極性晶體管I1,I2,I3和I4,本模板結構小,成本低,可防止過電流損壞晶體管。
文檔編號H03K17/00GK2394381SQ9820384
公開日2000年8月30日 申請日期1998年4月23日 優先權日1998年4月23日
發明者李躍, 李青松 申請人:李躍, 李青松