CN101728952A

CN101728952A - 基于arm微处理器控制的igbt串联电路

Info

Publication number: CN101728952A
Application number: CN200910154386A
Authority: CN
Inventors: 王剑平; 余琳; 黄康; 盖玲; 刘孔绚
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-02
Also published as: CN101728952B

Abstract

本发明公开了一种基于ARM微处理器控制的IGBT串联电路。该串联电路包括ARM微处理器S3C2410PWM输出电路、多个IGBT驱动电路、与IGBT驱动电路相等个数的IGBT保护电路和与IGBT驱动电路相等个数的电压监控电路，并对十个IGBT串联电路进行了仿真；安装设计图为实际应用接线方式。S3C2410定时器发出PWM信号为驱动器M57962L的输入信号。驱动电路准确控制IGBT开断。保护电路由IGBT过压保护电路、栅极电阻、静态均压电阻组成，可保护IGBT的正常工作。电压监控电路监控M57962L供电电源模块的电压，使电路正常工作。利用本发明能实现多个IGBT的串联，可用于高压设备。

Description

基于ARM微处理器控制的IGBT串联电路

技术领域

本发明涉及一种基于ARM微处理器控制的IGBT串联电路。

背景技术

绝缘栅极双晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor--IGBT)是20世纪80年代诞生的一种新型电力电子器件，是一种将功率MOSFET和GTR集成在一个芯片上的复合器件。其输入极为MOSFET，输出极为GTR。因此，IGBT兼有MOSFET的快速响应、易于驱动以及GTR的高阻断电压、强载流能力的优点。其工作频率在几十千赫兹以内，目前已广泛应用于各种功率变换器。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态下都可以承受电流冲击，而由于本身的关断延迟时间很短，易于实现器件的串联。

尽管一些厂家研制了耐高压IGBT模块，如日本三菱公司研制的3.3Kv/1.2kA巨大容量IGBT模块。但由于其高昂的价格以及电压电流的系列化和标准化，限制了应用范围。实际中应用最多、技术最成熟的IGBT系列仍然是600V、1200V以及1700V三个电压等级的系列，但较低的耐压值限制了其在高压设备中的应用。利用IGBT串联来实现其在高压条件下的应用是一种不错的解决方法。但由于IGBT特殊的结构，其导通与关断均有一定的延迟时间，容易产生电压不均。这对驱动信号的同时性以及IGBT过压后的保护电路提出很高的要求。因此，尽管关于IGBT串联的理论有很多，但在IGBT串联的实际应用中，特别是多个(大于三个)IGBT的串联却很少。因此设计一种稳定的、可靠的IGBT串联电路显得尤为重要。

实现IGBT的串联，关键是要使所串联的IGBT能同时通断，这样才能实现动态均压。要使其能同时通断，就必须有准确无误的驱动电路以及可靠的IGBT保护电路。

理想的IGBT驱动电路应能实现控制电路及与IGBT栅极的电隔离，同时要求在驱动电路内部信号传输无延时或延时很短。M57962L是日本三菱公司开发的用以驱动N沟道IGBT的驱动器。内部有2500V高隔离电压的快速光耦，以及短路和过流保护电路。同时采用双电源供电结构，确保IGBT的可靠通断。其输入端为TTL电平输入接口，适于微机控制，驱动信号最大延迟为1.5μs。M57962L以其驱动可靠、价格低廉而广泛的应用于IGBT驱动领域。

脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM从处理器到被控系统是数字式的，让信号保持数字式可以将噪声影响降到最小。ARM微处理器S3C2410是韩国三星公司一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，面向高性价比、低功耗的应用，运行频率可达203Hz。S3C2410有5个16位定时器，其中定时器0、1、2、3具有PWM功能，可编程控制输出波形PWM。

IGBT属于电压控制型器件。在它的栅-射极间加阀值电压U_TH以上的直流电压+Uge，IGBT即处于正向导通状态。当+Uge增大时，IGBT通态压降下降，但其承受短路电流的时间减小。当栅-射极电压为零时，IGBT即处于关断状态，为尽快抽取IGBT器件内部的存储电荷，必须为其提供一个负偏压-Uge。在实际应用中+Uge一般选择12-18V，-Uge一般选择-5--15V。

另一影响IGBT通断的重要因素是栅极串联电阻Rg。Rg可以控制栅极电压的前后沿陡度，进而控制IGBT器件的开关损耗。当Rg增大时，可抑制栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡，同时能减小IGBT集电极尖峰电压；但当Rg增大时，IGBT开关时间延长，损耗加大。当Rg减小时，可减小IGBT开关时间，减小损耗；但当Rg太小时，可导致栅-射极之间振荡，IGBT集电极di/dt增加，引起IGBT集电极尖峰电压，使IGBT损坏。因此Rg值应根据IGBT电流容量和电压额定值以及开关频率选取。

IGBT的保护电路由IGBT过压保护电路、栅极电阻、静态均压电阻共同组成。IGBT的过压保护电路是防止IGBT在串联过程中，因电压分配不均，使部分IGBT出现过压而损坏。IGBT的过压保护电路，通常有三种：RC缓冲电路、RCD缓冲电路、放电阻止型缓冲电路。对缓冲电路的要求是：

(1)尽量减小主电路的分布电感；

(2)吸收电容应采用低感吸收电容；

(3)吸收二极管应选用快速开通和快软恢复二极管，以免产开通电压和反向恢复引起较大的振荡过电压。

当把单个IGBT的输入输出在一块电路板上实现，使其成为串联电路中的一个模块，将更容易实现多个IGBT的串联。因此，RCD缓冲电路相比于放电阻止型缓冲电路虽然功耗大，但是其电路结构更适合运用在多个IGBT的串联中，更容易实现IGBT串联电路的模块化设计。同时，RCD缓冲电路与RC缓冲电路相比，能够回避IGBT开通时的负担问题。因此综合考虑采用RCD缓冲电路作为IGBT的过压保护电路。

同时为了防止IGBT栅极击穿，在IGBT的栅-射极间并联了电阻；为了起到静态均压的作用，在IGBT的集-射极间并联了电阻。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ARM微处理器控制的IGBT串联电路。利用该电路能够实现多个IGBT的串联，使其能满足高压设备的应用要求。通过合理的设计IGBT的驱动电路及其保护电路，并将IGBT的驱动电路和输出电路模块化，利用这些模块来实现IGBT的串联，根据需要的电压要求来选择需要串联模块的数量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括ARM微处理器S3C2410PWM输出电路、多个IGBT驱动电路、与IGBT驱动电路相等个数的IGBT保护电路和与IGBT驱动电路相等个数的电压监控电路；ARM微处理器S3C2410PWM输出电路分别与各自的IGBT驱动电路输入端相连；其中每个IGBT驱动电路的有四个输出端，第一个输出端与IGBT的集电极相连，第二个输出端与IGBT的栅极相连，第三个输出端与监控电路的一端相连，第四个输出端与IGBT的发射极和监控电路的另一端相连；第一个IGBT保护电路的一端与IGBT的集电极相连，并通过集电极与负载的一端相连，负载的另一端与高压电源的正端相连；第一个保护电路的另一端分别与第一个IGBT的栅极和发射极相连，并通过发射极与第二个IGBT的集电极相连；前一个IGBT的发射极分别与后一个IGBT的集电极相连，直到最后一个；最后一个IGBT保护电路的一端与最后一个IGBT的集电极相连，最后一个保护电路的另一端分别与最后一个IGBT的栅极和发射极相连，并通过的发射极接地，再接到高压电源负端。

所述的ARM微处理器S3C2410PWM输出电路由ARM微处理器S3C2410的内部PWM定时器组成，发生器发出的PWM控制信号输入到IGBT的驱动电路的输入端。

所述的IGBT驱动电路包括IGBT驱动器M57962L，DC/DC电源模块，与非门U1A、U1B，稳压二极管ZD1、ZD2、ZD3，隔离二极管VD1、VD2，电阻R1、R2、Rg；VD2的负极与IGBT的集电极相连，ZD2的阳极与IGBT的栅极相连，M57962L的14脚和U1B4011的一端分别与ARM微处理器S3C2410PWM输出电路相连，DC/DC电源模块的1脚接外部直流源的正端，DC/DC电源模块2脚与电压监控电路的一端相连，DC/DC电源模块的输出端4脚和5脚与电压监控电路的另一端相连，同时4脚与IGBT的发射极相连。

所述的IGBT保护电路包括缓冲电阻R5、缓冲电容C、和快速恢复二极管fd组成，栅极电阻为R3，静态均压电阻R4；R4的一端与IGBT的集电极相连，另一端与IGBT的发射极相连，并连到R3的一端，R3的另一端与IGBT的栅极相连。

所述的电压监控电路包括稳压二极管ZD4、ZD5、ZD6，发光二极管LED，快速光电耦合器U3、U4，与非门U5A、U5B、U5C、U5D，电阻R6、R7。ZD6的阴极和LED的阴极分别与DC/DC电源模块的两个输出端5脚和4脚相连，U5D4011的输出端与DC/DC电源模块的输入端2脚相连，U5C4011的两个输入端接地。

本发明具有的有益效果是：

1、每个IGBT都有独立的驱动电路和保护电路，这样可以减小干扰，同时有利于实现IGBT模块化的串联方式。

2、采用DC/DC电源模块的方式为M57962L供电。利用DC/DC电源模块可以减少外接供电电源，使电路在实际应用中更加简介，降低成本。IGBT栅极和DC/DC电源模块输出端的公共端相连，实现浮地。

3、利用PWM技术控制驱动信号的输入，通过调节驱动信号的占空比和频率，可以实现对IGBT通断过程中脉宽和频率的调节。

4、采用的电压监控电路能监控电源模块输出电压。当IGBT被击穿或部分击穿时，电源模块输出电压发生变化，监控电路自动切断电源模块供电电压，保护电源模块。

5、对十个IGBT的串联电路进行了仿真，得到了仿真波形图：十个IGBT串联仿真的各IGBT的栅-射极电压波形、各IGBT的集电极电压波形及各IGBT的集电极电流波形。通过仿真，为模块中各电器元件参数的选择提供了参考，为实际串联的实现提供了支撑。

6、提供了模块化的串联方式、接线方法及串联模块的外型，具有实际应用价值，可用于高压设备。

附图说明

图1是本发明的硬件系统结构框图。

图2是本发明的IGBT驱动电路图。

图3是本发明的IGBT保护电路图。

图4是本发明的电压监控电路图。

图5是本发明的十个IGBT串联仿真的各IGBT栅-射极电压波形。

图6是本发明的十个IGBT串联仿真的各IGBT的集电极电压波形。

图7是本发明的十个IGBT串联仿真的各IGBT的集电极电流波形。

图8是本发明的安装设计图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的硬件系统结构框图。包括ARM微处理器S3C2410PWM输出电路、多个IGBT驱动电路、与IGBT驱动电路相等个数的IGBT保护电路和与IGBT驱动电路相等个数的电压监控电路；ARM微处理器S3C2410PWM输出电路分别与各自的IGBT驱动电路输入端相连；其中每个IGBT驱动电路的有四个输出端，第一个输出端与IGBT的集电极相连，第二个输出端与IGBT的栅极相连，第三个输出端与监控电路的一端相连，第四个输出端与IGBT的发射极和监控电路的另一端相连；第一个IGBT保护电路的一端与IGBT的集电极相连，并通过集电极与负载的一端相连，负载的另一端与高压电源的正端相连；第一个保护电路的另一端分别与第一个IGBT的栅极和发射极相连，并通过发射极与第二个IGBT的集电极相连；前一个IGBT的发射极分别与后一个IGBT的集电极相连，直到最后一个；最后一个IGBT保护电路的一端与最后一个IGBT的集电极相连，最后一个保护电路的另一端分别与最后一个IGBT的栅极和发射极相连，并通过的发射极接地，再接到高压电源负端。需要串联的IGBT个数由所选IGBT的正常工作电压和高压电源的电压决定。每个IGBT都有独立的驱动电路和保护电路，这样可以减小干扰，同时有利于实现IGBT模块化的串联方式。驱动电路所需的驱动信号由S3C2410定时器组成的PWM输出电路提供，通过调节驱动信号的占空比和频率，可以实现对IGBT通断过程中脉宽和频率的调节。电压监控电路用于监控IGBT栅-射极电压。

图2是本发明的IGBT驱动电路图。本发明采用M57962L为IGBT驱动器。它采用双电源驱动结构，内部集成有2500V高隔离电压的光耦合器、过电流保护电路、过电流保护输出信号端子和与TTL电平相兼容的输入接口。

使用M57962L需要选择合适的栅极电阻Rg。Rg越大，IGBT开关时间越长，开关损耗越大，但可减小di/dt。Rg越小，IGBT开关时间越短，开关损耗越小，但di/dt增加，引起IGBT集电极尖峰电压。为防止I_OP超过极限值(I_OPMAX＝5A)，Rg的选取可依据公式：

Rg＝(U_CC+U_EE)/I_OP

U_CC和U_EE分别为M57962L4脚和6脚的输入电压，其推荐值U_CC＝15V，U_EE＝-10V。由于M57962L采用双电源供电方式，使得IGBT能可靠通断。电源的功率必须能够驱动IGBT，IGBT的驱动功率可按公式：

P＝f*C_IN*ΔU²

公式中C_IN为等效放电电容，根据经验公式，一般C_IN＝5C_iss，C_iss可从厂家提供的IGBT参数资料中得到。电源的功率一般为1.5P-2P。

DC/DC电源模块是M57962L的供电电源。供电电源为±12V输出。利用电源模块可以减少外接供电电源，使电路在实际应用中更加简介，成本也更低。

图2所示的U1A、U1B为两个与非门。U2为快速光耦。

图2所示二极管VD1、VD2可使用1N4007，起隔离作用。当IGBT过载时，VD1、VD2截止。

图2所示稳压二极管ZD1用于防止VD1、VD2基穿而损坏驱动器。稳压二极管ZD2、ZD3组成限幅器，以确保IGBT的栅极不被击穿。

图3是本发明的IGBT保护电路图，它由IGBT过压保护电路、栅极电阻、静态均压电阻共同组成。

图3所示的过压保护电路由缓冲电阻R5、缓冲电容C、快速恢复二极管fd组成。

缓冲电阻R5可按公式：

R5＝1/(6C*f)

缓冲电容C可按公式：

C＝LI²/(U_C-U)²

公式中f为开关频率，L为主电路杂散电感，U_C为C上最大充电电压，U为电源电压。

快速恢复二极管fd应该选择过渡正向电压低，反向恢复时间短、逆向恢复特性较软的二极管。

图3所示的R3是栅极电阻，其作用是保护IGBT的栅极不被击穿。

图3所示的R4是静态均压电阻。其作用是IGBT在不工作状态下的均压作用。

图4是本发明的电压监控电路图。电压监控电路用于监控电源模块输出端的电压。ZD6和LED组成工作指示电路。当IGBT栅-射极电压正常时，LED发光。ZD4、ZD5，快速光电耦合器U3、U4，与非门U5A、U5B、U5C、U5D，电阻R6、R7组成反馈电路。当IGBT被击穿或部分击穿，电源模块输出电压发生变化，若继续供电将损坏电源模块。反馈电路判断其电压是否正常，不正常时切断电源模块供电，同时返回信号给S3C2410，S3C2410显示报警并且告诉用户出现故障的IGBT。

图5是本发明的十个IGBT串联仿真的各IGBT栅-射极电压波形。图5示出了该驱动电路能产生的驱动脉冲的波形。

图6是本发明的十个IGBT串联仿真的各IGBT的集电极电压波形。十个IGBT串联时，高压电源的电压为10000V，每个IGBT集-射极间应承受1000V电压，图6示出了其波形。

图7是本发明的十个IGBT串联仿真的各IGBT的集电极电流波形。当采用阻值为200Ω的纯电阻作为负载时，每个IGBT上均有相同的电流通过，电流的峰值为50A。图7示出了其波形。

图8是本发明的安装设计图。图4示出了该串联模块的基本外型。一个串联模块有一个输入端和输出端。每个模块有四个固定孔，用以固定模块。安装时可将模块重叠安装。

本发明的工作过程如下：

ARM微处理器S3C2410定时器发出PWM信号作为M57962L的输入信号。信号的高压端接14脚，低压端接U1B的输入端。DC/DC电源模块为M57962L提供双电源供电。当IGBT模块过载，集电极电压上升至15V以上时，隔离二极管VD1、VD2截止，M57962L的1脚为15V高电平，则将M57962L的5脚置为低电平，使IGBT截止，同时将8脚置为低电平，使光电耦合器工作，以驱动外接电路将输入端13脚置为高电平。R3是IGBT的栅极电阻，R4是IGBT静态均压电阻。R5、C、fd组成RCD缓冲电路，作为IGBT的过压保护电路。

ZD6和LED组成工作指示电路，ZD6为10V稳压管反接形成，起降压作用，即降压10V，保证LED能正常工作，当输出大于11.5V时，LED发光，显示电源模块工作状态。

ZD4和ZD5分别为10V和5V的稳压管，作用同ZD6。DC/DC模块工作正常时，输出电压为±12V，由于是对称输出，所以只需监控12V输出端。即电源模块的5脚。当其正常时，光电耦合器U3、U4导通，通过与非门U5A和U5B的作用，在U5B的输出端得到“1”；同时电源模块接地端(DC/DC 2脚)经过与非门U5C作用，在U5C的输出端得到“1”，这样U5D的输出端到低电平“0”输入到DC/DC模块，使得DC/DC有5V的输入，能维持电源模块工作。

电源模块工作前，即DC/DC得3、4、5脚均无电压，此时两个光电耦合器均不导通，但是通过U5A和U5B，仍然能在U5B的输出端得到“1”，这样就能使电源模块自动供电。

若电源模块工作后，IGBT出现了击穿或部分击穿现象，实验证明DC/DC模块的输出电压将介于5～10V之间，此时光电耦合器U3无法导通，但U4能够导通，通过U5A和U5B作用，在U5B的输出端得到“0”，则U5D的4脚输出“1”，DC/DC模块无输入电压。即起到了切断电源模块供电电源的作用。同时返回信号给S3C2410，S3C2410显示报警并且告诉用户出现故障的IGBT。

Claims

1.一种基于ARM微处理器控制的IGBT串联电路，其特征在于包括ARM微处理器S3C2410PWM输出电路、多个IGBT驱动电路、与IGBT驱动电路相等个数的IGBT保护电路和与IGBT驱动电路相等个数的电压监控电路；ARM微处理器S3C2410PWM输出电路分别与各自的IGBT驱动电路输入端相连；其中每个IGBT驱动电路的有四个输出端，第一个输出端与IGBT的集电极相连，第二个输出端与IGBT的栅极相连，第三个输出端与监控电路的一端相连，第四个输出端与IGBT的发射极和监控电路的另一端相连；第一个IGBT保护电路的一端与IGBT的集电极相连，并通过集电极与负载的一端相连，负载的另一端与高压电源的正端相连；第一个保护电路的另一端分别与第一个IGBT的栅极和发射极相连，并通过发射极与第二个IGBT的集电极相连；前一个IGBT的发射极分别与后一个IGBT的集电极相连，直到最后一个；最后一个IGBT保护电路的一端与最后一个IGBT的集电极相连，最后一个保护电路的另一端分别与最后一个IGBT的栅极和发射极相连，并通过的发射极接地，再接到高压电源负端。

2.根据权利要求1所述的一种基于ARM微处理器控制的IGBT串联电路，其特征在于：所述的ARM微处理器S3C2410PWM输出电路由ARM微处理器S3C2410的内部PWM定时器组成，发生器发出的PWM控制信号输入到IGBT的驱动电路的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种基于ARM微处理器控制的IGBT串联电路，其特征在于：所述的IGBT驱动电路包括IGBT驱动器M57962L，DC/DC电源模块，与非门U1A、U1B，稳压二极管ZD1、ZD2、ZD3，隔离二极管VD1、VD2，电阻R1、R2、Rg；VD2的负极与IGBT的集电极相连，ZD2的阳极与IGBT的栅极相连，M57962L的14脚和U1B4011的一端分别与ARM微处理器S3C2410PWM输出电路相连，DC/DC电源模块的1脚接外部直流源的正端，DC/DC电源模块2脚与电压监控电路的一端相连，DC/DC电源模块的输出端4脚和5脚与电压监控电路的另一端相连，同时4脚与IGBT的发射极相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于ARM微处理器控制的IGBT串联电路，其特征在于：所述的IGBT保护电路包括缓冲电阻R5、缓冲电容C、和快速恢复二极管fd组成，栅极电阻为R3，静态均压电阻R4；R4的一端与IGBT的集电极相连，另一端与IGBT的发射极相连，并连到R3的一端，R3的另一端与IGBT的栅极相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于ARM微处理器控制的IGBT串联电路，其特征在于：所述的电压监控电路包括稳压二极管ZD4、ZD5、ZD6，发光二极管LED，快速光电耦合器U3、U4，与非门U5A、U5B、U5C、U5D，电阻R6、R7。ZD6的阴极和LED的阴极分别与DC/DC电源模块的两个输出端5脚和4脚相连，U5D4011的输出端与DC/DC电源模块的输入端2脚相连，U5C4011的两个输入端接地。