本发明涉及电子电路技术领域，具体说是一种大功率驱动保护电路。
背景技术：
电力电子器件与电力电子技术的发展相辅相成。目前，功率半导体器件(如igbt、mosfet)由于其独特的优越性已经成为工业应用中不可缺少的器件，在轨道牵引、高压直流输电、新能源发电等中大功率电力电子应用场合中起着关键作用。此外，伴随着功率器件新结构及新工艺的发展，其功率等级、功率密度、开关频率也在不断提高。目前，主流大功率器件普遍采用硅(si)材料，但由于材料限制，其性能已经接近理论极限，碳化硅(sic)、氮化镓(gan)等新型材料的研究应用成为必然趋势。
驱动保护电路作为电力电子装置的重要组成部分，是影响电力电子器件可靠性的重要因素[1]。高性能的驱动保护电路是实现器件正常开通与关断的基础，也是其能够安全运行的保证。由于应用场合工作条件往往较为恶劣，会导致功率器件故障甚至损坏，通过驱动电路进行故障检测是目前能够对功率器件实现故障保护的最快办法。因此，驱动电路还需提供完善的故障检测保护功能，包括：短路保护、过压保护、过温保护及电源欠压保护等。目前，国内外的concept、赛米控、飞仕得、青铜剑等公司已经推出了功能较为完善的产品，实现商业化的驱动保护电路不仅能够实现控制信号的隔离传输和功率放大，还集成了故障检测、有源钳位、软关断等功能。
由于驱动电路功能的不断完善，对其pcb设计提出了更高的要求。如图1～3所示，现有商业化驱动产品大多采用单板集成设计，这样会导致驱动电路板体积较大，且只能在其表面进行元器件放置及电路布局，电路基板利用率不高。少数产品则采用两块功能电路板设计，将驱动电路分为驱动控制板与门极适配板，在实际应用中两块功能板配合应用，利用接线与接口进行信号传输，影响驱动信号稳定性，且控制板与适配板之间的空间利用率不高。
不同类型、不同材料以及不同型号的功率器件对驱动保护电路的要求各不相同。由于si、sic材料的性能影响，会导致功率器件igbt、mosfet的栅极击穿电压不同，在实际应用中对驱动电压有特殊要求，如±15v， 15v/-10v或 20v/-5v等。而同一类型的功率器件也会因为功率等级的影响导致不同型号器件封装形式不同。因此，成熟的商业驱动产品均是针对具体型号的功率器件而发开的，不具备通用性，无法实现不同类型、不同封装功率器件之间驱动电路的灵活替换。
综上所述，驱动电路作为电力电子装置中功率回路与控制回路之间的桥梁，直接影响着功率器件的正常可靠工作与系统的安全稳定运行。现有商业驱动产品均针对具体型号的功率器件设计，且多数采用单板集成设计，会导致电路通用性较低，体积较大，电路基板及空间利用率不高，增加生产成本等问题。目前，针对驱动电路pcb设计研究较少，尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供：
(1)、提高驱动电路适配性及应用设计便利性，提升驱动电路的可维护性，实现产品功能模块化开发，减小电路板体积，提高电路基板利用率，降低生产成本；
(2)、功能分区层叠结构保证各功能电路板功能作用相互独立，实现功能电路板之间的物理可靠连接，确保控制信号的可靠传输。aaa为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种功能层叠型大功率驱动保护电路，包括供电电源板、控制电路板及功率电路板，所述供电电源板、控制电路板及功率电路板通过接插件构成层叠立体结构；
所述功率电路板设置在底层，用于直接与高压大功率器件模块的功率端子相接；
为保证pwm控制信号及故障检测信号的快速性，控制电路板设置在中间层并通过信号接口与功率电路板之间实现信号传输；
供电电源板则设置在顶层，通过电源输出接口与控制电路板及功率电路板连接，用于为控制电路板及功率电路板提供工作电压，并实现控制电路与功率电路之间的高压隔离；
在上述方案的基础上，供电电源板包括dc/dc电源模块、输入电容和输出电容，所述dc/dc电源模块用于：进行电压转换，实现宽范围电压输入，稳定电压输出，所述输入电容与输出电容用于：实现滤波功能；
所述控制电路板包括：逻辑控制芯片、光纤收发器及高速比较器；
所述光纤收发器上设有的光纤接口用于：实现控制信号的隔离传输，将pwm光信号转换为相应的电信号传输给逻辑控制芯片，在功率器件出现故障时，将故障反馈信号转化为相应的光信号从而进行故障预警；
所述高速比较器用于：通过设置相应的检测阈值，将来自功率电路板的故障检测信号与设定阈值相比较，并将比较结果即故障反馈信号传给逻辑控制芯片，为故障保护动作提供判据；
所述逻辑控制芯片用于：对pwm输入信号根据故障反馈信号进行处理后通过信号接口传给功率电路板，从而控制功率器件的可靠开通关断；
所述功率电路板与高压大功率器件模块的功率端子通过螺栓相接，用于提高驱动信号的可靠性；
所述功率电路板包括：功率放大电路、故障检测电路及有源钳位电路；
功率放大电路用于：将控制电路板的pwm信号放大从而控制高压大功率器件模块可靠动作；
所述故障检测电路用于：检测集射极电压vce、门极电压vge、集电极电流变化率dic/dt等状态参数，通过信号接口将故障检测信号传给控制电路板进行信号处理；
所述有源钳位电路用于：检测集射极电压vce，并在故障状态下动作，限制电压关断尖峰，保护功率器件。
在上述方案的基础上，所述功率放大电路包括：场效应管构成的推挽电路及驱动电阻；所述故障检测电路包括：高压二极管或电阻等模拟元器件；所述有源钳位电路包括：瞬态抑制二极管等器件；
在上述方案的基础上，所述供电电源板、控制电路板及功率电路板的四角上均设有安装通孔，通过安装多个绝缘螺柱与垫片实现限位、支撑和固定作用。
在上述方案的基础上，所述信号传输选用排针等接插件。
在上述方案的基础上，所述逻辑控制芯片可选为cpld或fpga；
本发明技术方案带来的有益效果：
(1)、将大功率驱动保护电路采取三块功能电路板设计，包括供电电源板、控制电路板及功率电路板，通过接插件构成层叠立体结构，各功能电路板功能作用相互独立，且物理连接可靠性高，提高电路基板与空间利用率，降低维护难度，减小生产成本；
(2)、通过更换供电电源板的dc/dc电源模块满足不同类型高压大功率器件模块对驱动电压的要求，修改功率电路板设计与不同封装形式高压大功率器件模块进行灵活匹配，无需更改其他功能电路板，提高驱动保护电路的通用性及设计便利性。
缩略语、英文和关键术语定义列表：
1、insulatedgatebipolartransistor(igbt)，绝缘栅双极晶体管；
2、metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor(mosfet)，金属氧化物半导体场效应晶体管；
3、printedcircuitboard(pcb)，印制电路板；
4、pulsewidthmodulation(pwm)，脉冲宽度调制；
5、vce，igbt的集电极和发射极间电压；
6、vge，igbt的门极和发射极间电压；
7、dic/dt，igbt的集电极电流变化率；
参考文献(如专利/论文/标准)
[1]杨媛，文阳，李国玉.大功率igbt模块及驱动电路综述[j].高电压技术，2018，44(10)：3207-3220.
[2]2fsc1050产品说明书，杭州飞仕得科技有限公司，2019.
[3]hv1027产品说明书，杭州飞仕得科技有限公司，2019.
[4]2sp0320x2axproductmanual，powerintegrations，2020.
[5]陈健，吴桢生，汤桂衡，杨轲.智能功率模块电路板封装结构，cn210781761u[p].2020.
[6]高嵩，杨炳雄，宋霄，赵纾梁.层叠电路，cn206442591u[p].2017.
[7]韩星光，层叠式电路板布局结构以及电动工业车辆电机控制器，cn209608991u[p].2019.
附图说明
本发明有如下附图：
图1现有技术设计图一
图2现有技术设计图二
图3现有技术设计图三
图4驱动保护电路结构框图
图5供电电源板结构示意图
图6控制电路板结构示意图
图7功率电路板结构示意图
图8功能层叠型驱动保护电路结构主视图
图9功能层叠型驱动保护电路结构左视图
图10功能层叠型驱动保护电路结构俯视图
具体实施方式
以下结合附图4～10对本发明作进一步详细说明。
本申请提出一种功能层叠型大功率驱动保护电路，驱动保护电路采用三块功能电路板设计，将供电电源、逻辑处理、隔离传输、功率放大及故障检测保护等多种功能分别集成到供电电源板、控制电路板及功率电路板中，各块电路板采用层叠立体式可拆卸结构，利用排针等接插件进行信号传输，实现物理可靠连接。
本发明是针对现有商业化驱动电路通用性低、体积大、基板及空间利用率不足等问题提出一种功能层叠型大功率驱动保护电路，分为供电电源板、控制电路板和功率电路板三部分。其中，控制电路板集成隔离传输、逻辑处理、故障保护等功能，功率电路板集成功率放大、故障检测等功能，如图4所示。
如图5所示，供电电源板通常包括：dc/dc电源模块及输入、输出电容，为控制电路板及功率电路板提供工作电压，并实现控制电路与功率回路之间的高压隔离。此外，通过更换dc/dc电源模块及其外围电路满足siigbt及sicmosfet等功率器件对不同驱动电压(±15v， 15v/-10v或 20v/-5v等)的需求。
如图6所示，控制电路板通常包括：逻辑控制芯片、光纤收发器及高速比较器。
光纤收发器组成光纤接口实现控制信号的隔离传输，将pwm光信号转换为相应的电信号传输给逻辑控制芯片，在功率器件出现故障时将故障反馈信号转化为相应的光信号从而进行故障预警。利用高速比较器设置相应的检测阈值，将来自功率电路板的故障检测信号与设定阈值相比较，并将比较结果即故障反馈信号传给逻辑控制芯片，为故障保护动作提供判据。利用逻辑控制芯片对pwm输入信号根据故障反馈信号进行处理后通过信号接口传给功率电路板，从而控制功率器件的可靠开通关断，逻辑控制芯片可选为cpld或fpga。
如图7所示，功率电路板通常与高压大功率器件模块的功率端子通过螺栓相接，从而提高驱动信号的可靠性。
所述功率电路板包括：功率放大电路、故障检测电路和有源钳位电路；
功率放大电路通常包括场效应管构成的推挽电路及驱动电阻，将控制电路板的pwm信号放大从而控制器件可靠动作。故障检测电路通常由高压二极管或电阻等模拟元器件构成，通过检测集射极电压vce、门极电压vge、集电极电流变化率dic/dt等状态参数，通过信号接口将故障检测信号传给控制电路板进行信号处理。有源钳位电路通常由瞬态抑制二极管等器件构成，通过检测集射极电压vce，限制电压关断尖峰，并且有源钳位电路通常在故障状态下动作，正常时不工作。
此外，根据不同封装形式的功率器件，对功率电路板的pcb设计进行修改，无需改动供电电源板与控制电路板，能够方便快速与不同型号的器件完成适配。
如图8-10所示，分别为功能层叠型驱动保护电路结构的主视图、左视图、俯视图。为保证驱动信号的稳定性，功率电路板设置在底层以便直接与高压大功率器件模块的功率端子相接；为保证pwm控制信号及故障检测信号的快速性，控制电路板设置在中间层并通过信号接口与功率电路板之间实现信号传输；供电电源板则设置在顶层，通过电源输出接口为控制电路板及功率电路板供电；电源接口与信号接口可选用排针等接插件。
三块功能电路板设计可实现各电路板功能作用相互独立，通过接插件实现可靠连接，形成层叠立体式可拆卸结构，将平面电路板实现立体化。由于功率电路板直接与高压大功率器件模块的功率端子相接，在其表面进行元器件放置及电路布局；供电电源板、控制电路板与功率电路板之间具有一定的空间间隙，可以使得供电电源板与控制电路板能够在电路板正反面完成pcb设计，提高了电路基板与空间利用率。此外，为了加强驱动保护电路层叠结构的稳固性，在各层电路板的四角上均设有安装通孔，通过安装多个绝缘螺柱与垫片实现限位、支撑和固定作用。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
1.一种功能层叠型大功率驱动保护电路，其特征在于，包括供电电源板、控制电路板及功率电路板，所述供电电源板、控制电路板及功率电路板通过接插件构成层叠立体结构；
所述功率电路板设置在底层，用于直接与高压大功率器件模块的功率端子相接；
为保证pwm控制信号及故障检测信号的快速性，控制电路板设置在中间层并通过信号接口与功率电路板之间实现信号传输；
供电电源板设置在顶层，通过电源输出接口与控制电路板及功率电路板连接，用于为控制电路板及功率电路板提供工作电压，并实现控制电路与功率电路之间的高压隔离。
2.如权利要求1所述的功能层叠型大功率驱动保护电路，其特征在于，供电电源板包括dc/dc电源模块、输入电容和输出电容，所述dc/dc电源模块用于：进行电压转换，实现宽范围电压输入，稳定电压输出，所述输入电容与输出电容用于：实现滤波功能；
所述控制电路板包括：逻辑控制芯片、光纤收发器及高速比较器；
所述光纤收发器上设有的光纤接口用于：实现控制信号的隔离传输，将pwm光信号转换为相应的电信号传输给逻辑控制芯片，在功率器件出现故障时，将故障反馈信号转化为相应的光信号从而进行故障预警；
所述高速比较器用于：通过设置相应的检测阈值，将来自功率电路板的故障检测信号与设定阈值相比较，并将比较结果即故障反馈信号传给逻辑控制芯片，为故障保护动作提供判据；
所述逻辑控制芯片用于：对pwm输入信号根据故障反馈信号进行处理后通过信号接口传给功率电路板，从而控制功率器件的开通关断；
所述功率电路板与高压大功率器件模块的功率端子通过螺栓相接，用于提高驱动信号的可靠性；
所述功率电路板包括：功率放大电路、故障检测电路及有源钳位电路；
功率放大电路用于：将控制电路板的pwm信号放大从而控制高压大功率器件模块可靠动作；
所述故障检测电路用于：检测集射极电压vce、门极电压vge、集电极电流变化率dic/dt，通过信号接口将故障检测信号传给控制电路板进行信号处理；
所述有源钳位电路用于：检测集射极电压vce，并在故障状态下动作，限制电压关断尖峰，保护功率器件。
3.如权利要求2所述的功能层叠型大功率驱动保护电路，其特征在于，所述功率放大电路包括：场效应管构成的推挽电路及驱动电阻；所述故障检测电路包括：高压二极管或电阻；所述有源钳位电路包括：瞬态抑制二极管。
4.如权利要求1所述的功能层叠型大功率驱动保护电路，其特征在于，所述供电电源板、控制电路板及功率电路板的四角上均设有安装通孔，通过安装多个绝缘螺柱与垫片实现限位、支撑和固定作用。
5.如权利要求1所述的功能层叠型大功率驱动保护电路，其特征在于，所述信号传输使用排针。
6.如权利要求2所述的功能层叠型大功率驱动保护电路，其特征在于，所述逻辑控制芯片选用cpld或fpga。
技术总结