CN101814728B - 大功率igbt光纤驱动电路的故障保护复位控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种大功率IGBT光纤驱动电路的故障保护复位控制系统及方法。本发明的系统包括光纤收发单元，复位信号封锁单元，复位信号发生单元、反相器和驱动控制器单元；本发明控制方法利用故障信号的边沿产生一个延时，在这段延时时间内由复位信号封锁单元屏蔽驱动信号对驱动芯片的复位，延长故障出现后的故障信号和驱动信号封锁时间；延时结束后驱动信号的边沿通过复位信号发生单元产生一个复位脉冲送给驱动控制器的相应引脚使芯片复位。本发明的故障保护与复位控制系统及方法，延长故障出现后的驱动信号封锁时间，克服了自动复位方式下频繁复位造成的过流积累现象，为前级系统控制器的中断响应提供了保障。

Description

大功率IGBT光纤驱动电路的故障保护复位控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电力电子IGBT驱动电路的故障保护复位控制系统及控制方法，尤其涉及一种高压大功率光纤驱动故障保护复位控制系统及控制方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结合了MOSFET和双极型晶体管的优点，具有开关频率高、驱动简单、通态压降小、耐压高、通流能力强等优点，近年来在大功率开关电源、交流传动、电力系统等场合得到了迅速发展和广泛应用。由于IGBT的特性，在短路和过流时会出现过热、电流擎住效应等不良工作状况，严重时可能造成IGBT损坏，因此良好的驱动和保护电路对IGBT稳定、高效、安全地运行至关重要。
由IGBT的特性，过流时IGBT的C-E间电压会急剧增加。这样IGBT将在高电压、大电流下工作，必须及时检测到这一情况，封锁驱动并给出故障信号。一般通过C-E极通态压降检测。当芯片检测到故障时，驱动芯片一直锁定在故障状态，下次发送驱动信号时需要对电路复位，一般复位方法主要有：外部单独复位和自动复位。外部单独型需占用微处理器1路IO口，而高压场合使用光纤通信，若单独增加一路光纤传递复位信号，成本高且结构复杂。采用自动复位方式，即利用驱动信号进行同步式的“周期”复位，可在不增加硬件成本的情况下达到复位功能，。
但由于控制器接收故障信息并响应中断需要一定的时间，而在此时间内应一直维持驱动芯片的故障状态。当采用以上同步自动复位电路时，由于每个周期都会复位，故障维持时间不到一个PWM开关周期。当脉冲频率较高时故障维持时间将很短，可能造成故障信息还未触发DSP的中断便被自动复位引起撤消，难以保证控制器可靠接收故障信息并及时作出响应。同时，根据过流检测与自动复位的原理，只能在复位后下一周期开通信号前沿延时一段时间(一般为3μs左右盲区)，才能再次有效地检测到故障的存在并重新封锁驱动信号，因此在DSP控制器未可靠接收到故障信息及时作出处理前，驱动电路输出端会出现连续开通短脉冲信号。这时IGBT会在过流情况下连续地以短脉冲开通。长时间工作在此状态时IGBT可能会因连续不完全导通或过流积累的热效应而损坏。
发明内容
发明目的：
本发明要解决的技术问题是针对大功率光纤驱动电路的故障保护及其自动复位控制方法现有技术存在的不足，提出一种延长故障出现后的驱动信号封锁时间，克服自动复位方式下频繁复位造成的过流积累现象，保证前级系统控制器可靠中断响应的复位控制方法。
技术方案：
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种大功率IGBT光纤驱动电路的故障保护复位控制系统，包括光纤收发单元，复位信号封锁单元，复位信号发生单元、反相器和驱动控制器单元；其中光纤收发单元的接收端分别与复位信号发生单元的第一输入端、反相器的输入端连接，反相器的输出端与驱动控制器单元的接收端连接；复位信号发生单元的输出端与驱动控制器单元的复位端连接；复位信号发生单元的第二输入端与复位信号封锁单元的输出端连接；驱动控制器单元的故障信号输出端分别与复位信号发生单元的第三输入端、复位信号封锁单元的输入端、光纤收发单元的发送端连接。
一种基于本发明的大功率IGBT光纤驱动电路的故障保护复位控制系统的控制方法，利用故障信号的边沿产生一个延时，在这段延时时间内由复位信号封锁单元屏蔽驱动信号对驱动芯片的复位，延长故障出现后的故障信号和驱动信号封锁时间；延时结束后驱动信号的边沿通过复位信号发生单元产生一个复位脉冲送给驱动控制器单元的相应引脚使芯片复位。具体步骤如下：
1.)正常工作状态下，光纤收发单元正常输入驱动脉冲，驱动控制器单元的驱动芯片的故障引脚输出高电平，复位信号发生单元、复位信号封锁单元的单稳态触发器A和单稳态触发器B都处于稳态，输出高电平，不输出复位信号；
2.)检测到故障状态后，驱动控制器单元软关断驱动脉冲并通过故障引脚输出低电平给出故障信号，将此信号分别送给光纤收发单元，复位信号封锁单元，复位信号发生单元，在芯片得到复位之前驱动控制器单元的故障脚一直维持低电平；
3.)光纤收发单元的光电接收头同时将接收到的故障信号通过光纤发送给前端控制系统，前级系统控制器中断驱动信号的发送；
4.)复位信号封锁单元接收到故障信号后进入延时阶段，输出一段时间为t1的低电平封锁信号，将此信号送到复位信号发生单元，使其此时不输出复位信号；
5.)当复位信号封锁单元的封锁时间t1结束后，若复位信号发生单元再次接收到光纤收发单元的驱动脉冲跳变时，输出一脉宽为t2的低电平复位信号到驱动控制器单元，完成受光纤收发单元在前级系统控制器控制信号所控制下的复位操作，使驱动控制器复位，电路重新进入新的正常工作状态。
有益效果：
本发明所述驱动电路的故障保护与复位控制方法利用故障信号的边沿产生一个延时，在这段延时时间内由复位信号封锁单元屏蔽驱动信号对驱动芯片的复位，延长故障出现后的故障信号和驱动信号封锁时间；延时结束后驱动信号的边沿通过复位信号发生单元产生一个复位脉冲送给驱动控制器的相应引脚使芯片复位。本发明的故障保护与复位控制方法，延长故障出现后的驱动信号封锁时间，克服了自动复位方式下频繁复位造成的过流积累现象，为控制器的中断响应提供了保障。本发明不需要额外占用前级系统控制器IO口作复位口，省去了一路用于传递复位信号的光纤，简易可行，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1：本发明大功率IGBT光纤驱动电路的故障状态复位结构图。
图2：本发明大功率IGBT光纤驱动故障状态复位电路图。
图3：本发明驱动控制方法流程图。
图4：本发明大功率IGBT光纤驱动电路的故障状态复位时序图。
图5：本发明中单片机实现驱动电路故障状态自动复位示意图。
具体实施方法
本发明利用驱动脉冲的边沿产生复位信号，利用故障信号的边沿产生复位信号的封锁信号，即保证故障刚刚发生后一段时间内不复位芯片，这样使这段时间内芯片不工作，过了这段封锁时间后再利用驱动信号的边沿产生一个复位脉冲复位芯片。
所述的大功率IGBT光纤驱动电路的故障状态复位结构如图1所示(以驱动控制器选择安捷伦公司驱动光耦HCPL-316J，光纤收发单元选用安华高公司的1521Z/2521Z组成，复位信号封锁单元和复位信号发生单元均选用TI公司的74HC123为例)，该系统主要包括光纤收发单元101；复位信号封锁单元102；复位信号发生单元103；驱动控制器单元104。IGBT光纤驱动的故障状态复位具体电路图如图2所示。
以图2为对象说明如下：
其中光纤收发单元101为光电收发单元，主要用于通过光纤与控制系统通信，接收驱动脉冲信号和发送故障信号；复位信号封锁单元102单稳态触发器B的B脚和
Figure GSA00000091725400031
接高电平，脚接驱动控制器单元104的
Figure GSA00000091725400042
引脚，当接收到以上
Figure GSA00000091725400043
引脚的故障信号时，单稳态触发器B达到暂稳态，
Figure GSA00000091725400044
脚输出低电平，并以此作为单稳态触发器A的
Figure GSA00000091725400045
引脚输入用于封锁暂稳态时间段内的复位信号，封锁时间(即暂稳态时间)由其外接阻容RExt2、CExt2来设置，暂稳态时间公式如下：
           tw≈0.45×RExt×CExt    (1)
复位信号发生单元103的单稳态触发器A的
Figure GSA00000091725400046
脚也接驱动控制器单元104的
Figure GSA00000091725400047
引脚，
Figure GSA00000091725400048
脚输出作为驱动控制器单元104的引脚输入用于复位驱动芯片，其复位信号的维持时间(即暂稳态时间)由其外接阻容RExt1、CExt1来设置；驱动控制器单元104为主驱动芯片(本例为HCPL-316J)，它将输入的信号转换为可以驱动IGBT的驱动信号用于驱动IGBT，并具备检测过流、驱动欠压等故障功能，当检测到故障时停止驱动信号输出，将芯片锁定在故障状态并通过
Figure GSA000000917254000410
引脚输出故障信号，必须复位后才能正常工作。
正常工作时，驱动驱动控制器单元104正常发送驱动脉冲，
Figure GSA000000917254000411
引脚输出为高电平(即无故障)。驱动芯片检测到发生故障时，引脚的故障信号一方面输给复位信号封锁单元102单稳态触发器B的
Figure GSA000000917254000413
引脚触发复位脉冲的封锁信号，同时输入到复位信号发生单元103单稳态触发器A的
Figure GSA000000917254000414
引脚，作为复位信号的触发源，另一方面输入到光纤收发单元101的光电发送头通过光纤发给控制系统；光纤收发单元101接收到驱动信号一方面通过反向器输给驱动芯片的驱动输入端，另一方面同时输入到单稳态触发器A的B引脚，作为复位信号的触发源；当单稳态触发器B的各输入端达到暂稳态条件时，其脚输出复位信号。使用计算机软件或采用CLPD等可编程逻辑器件均可实现本发明。
本发明一种使用计算机软件实现上述方法的具体过程如下：
所述的故障状态自动复位的控制方法具体过程如下：微处理器的一个端口接收到驱动电路的故障信号后立即启动定时器延时，在这段延时时间内微处理器的另一个端口不向驱动电路发出复位信号，屏蔽光纤接收单元所有接收到的可能引起驱动电路复位的信号跳变沿；延时结束后微处理器的另一个端口产生一个复位脉冲送给驱动电路的复位引脚使芯片复位。如图5所示，以美国微芯公司的单片机PIC16F876为例。微处理器103的端口PB2(23引脚)接收到驱动电路的故障信号后立即启动定时器延时，在这段延时时间内微处理器的端口PB4(25引脚)不向驱动电路发出复位信号，屏蔽光纤接收单元所有接收到的可能引起驱动电路复位的信号跳变沿；延时结束后微处理器的端口PB5(26引脚)产生一个复位脉冲送给驱动电路的复位引脚使芯片复位，驱动电路恢复正常工作。
本发明一种采用CLPD等可编程逻辑器件实现上述方法的具体过程如下：
具体实现方法是预先通过VHDL语言描述说明书图2中的102与103硬件电路的时序逻辑功能，然后将这种逻辑编程烧制在可编程芯片中，犹如定制一种实现上述方法功能的专用芯片。
图3是使用计算机软件或采用CLPD等可编程逻辑器件实现本发明的一种软件流程图。图4是本发明实现后大功率IGBT光纤驱动电路的故障状态复位时序图。驱动电路一旦检测到发生故障，
Figure GSA00000091725400051
故障信号就一直维持tf时间，在这段时间内复位信号被封锁t1时间段，封锁期内不响应任何驱动信号。只有当封锁时间t1结束，才可由来自驱动输入端的驱动信号跳变沿解除封锁，同时复位信号发生单元产生一个
Figure GSA00000091725400052
复位脉冲t2。由此可见，本发明的故障保护与复位控制系统及方法，完全克服了自动复位方式下频繁复位造成的过流积累现象。

Claims (2)

1.一种大功率IGBT光纤驱动电路的故障保护复位控制系统，其特征在于：包括光纤收发单元(101)，复位信号封锁单元(102)，复位信号发生单元(103)、反相器和驱动控制器单元(104)；其中光纤收发单元(101)的接收端分别与复位信号发生单元(103)的第一输入端、反相器的输入端连接，反相器的输出端与驱动控制器单元(104)的接收端连接；复位信号发生单元(103)的输出端与驱动控制器单元(104)的复位端连接；复位信号发生单元(103)的第二输入端与复位信号封锁单元(102)的输出端连接；驱动控制器单元(104)的故障信号输出端分别与复位信号发生单元(103)的第三输入端、复位信号封锁单元(102)的输入端、光纤收发单元(101)的发送端连接；
在工作时，利用故障信号的边沿产生一个延时，在这段延时时间内由复位信号封锁单元(102)屏蔽驱动信号对驱动芯片的复位，延长故障出现后的故障信号和驱动信号封锁时间；延时结束后驱动信号的边沿通过复位信号发生单元(103)产生一个复位脉冲送给驱动控制器单元(104)的相应引脚使芯片复位；具体步骤如下：
1.)正常工作状态下，光纤收发单元(101)正常输入驱动脉冲，驱动控制器单元(104)的驱动芯片的故障引脚输出高电平，复位信号发生单元(103)的单稳态触发器A、复位信号封锁单元(102)的单稳态触发器B都处于稳态，输出高电平并且不输出复位信号；
2.)检测到故障状态后，驱动控制器单元(104)软关断驱动脉冲并通过故障引脚输出低电平给出故障信号，将此信号分别送给光纤收发单元(101)、复位信号封锁单元(102)、复位信号发生单元(103)，驱动控制器单元(104)未得到复位信号之前其故障脚一直维持低电平；
3.)光纤收发单元(101)的光电接收头同时将接收到的故障信号通过光纤发送给前级系统控制器，前级系统控制器中断驱动信号的发送；
4.)复位信号封锁单元(102)接收到故障信号后进入延时阶段，输出一段时间为t1的低电平封锁信号，将此信号送到复位信号发生单元(103)，使其此时不输出复位信号；
5.)当复位信号封锁单元(102)的封锁时间t1结束后，若复位信号发生单元(103)再次接收到光纤收发单元(101)的驱动脉冲跳变时，输出一脉宽为t2的低电平复位信号到驱动控制器单元(104)，完成受光纤收发单元(101)在前级系统控制器控制信号所控制下的复位操作，使驱动控制器复位，电路重新进入新的正常工作状态。
2.一种基于权利要求1所述的大功率IGBT光纤驱动电路的故障保护复位控制系统的控制方法，其特征在于：利用故障信号的边沿产生一个延时，在这段延时时间内由复位信号封锁单元(102)屏蔽驱动信号对驱动芯片的复位，延长故障出现后的故障信号和驱动信号封锁时间；延时结束后驱动信号的边沿通过复位信号发生单元(103)产生一个复位脉冲送给驱动控制器单元(104)的相应引脚使芯片复位；具体步骤如下：
1.)正常工作状态下，光纤收发单元(101)正常输入驱动脉冲，驱动控制器单元(104)的驱动芯片的故障引脚输出高电平，复位信号发生单元(103)的单稳态触发器A、复位信号封锁单元(102)的单稳态触发器B都处于稳态，输出高电平并且不输出复位信号；
2.)检测到故障状态后，驱动控制器单元(104)软关断驱动脉冲并通过故障引脚输出低电平给出故障信号，将此信号分别送给光纤收发单元(101)、复位信号封锁单元(102)、复位信号发生单元(103)，驱动控制器单元(104)未得到复位信号之前其故障脚一直维持低电平；
3.)光纤收发单元(101)的光电接收头同时将接收到的故障信号通过光纤发送给前级系统控制器，前级系统控制器中断驱动信号的发送；
4.)复位信号封锁单元(102)接收到故障信号后进入延时阶段，输出一段时间为t1的低电平封锁信号，将此信号送到复位信号发生单元(103)，使其此时不输出复位信号；
5.)当复位信号封锁单元(102)的封锁时间t1结束后，若复位信号发生单元(103)再次接收到光纤收发单元(101)的驱动脉冲跳变时，输出一脉宽为t2的低电平复位信号到驱动控制器单元(104)，完成受光纤收发单元(101)在前级系统控制器控制信号所控制下的复位操作，使驱动控制器复位，电路重新进入新的正常工作状态。
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