CN102508140A - 一种通过数字电路实现脉冲校验的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过数字电路实现脉冲校验的方法，属于电力电子IGBT应用技术领域。技术方案是：①IGBT返回的脉冲信号经过D触发器分频后和原脉冲比较，比较后的信号和IGBT发出的电源故障信号SO一起，经过或门后输出一系列220ns短脉冲；②对此系列脉冲进行去除从上升沿至约220-250ns的部分，使得脉冲比较产生延时信号被去除，剩下的信号进行展宽处理，展宽宽度由外部CLK和触发器个数决定；③如无FO报警或SO报警，则最终输出一个低电平的“零”信号；如有FO或SO信号，则输出一个由CLK信号和触发器个数决定的脉冲信号，给控制保护使用。本发明以硬件电路的方式实现逻辑转换和数字脉冲信号处理，可靠性高，抗干扰能力强并对原有保护功能进行了加强和延伸，能够更好的实现对IGBT的保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过数字电路实现脉冲校验的方法，涉及功率器件IGBT的驱动触发过程中的保护信号、错误信号和脉冲信号的处理和传输，属于电力电子IGBT应用技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的高速发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是20世纪80年代中期问世的一种新型电力电子器件，它兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗和GTR的低通态压降、高电流密度等多种优良的特性得到了迅速发展，至今几乎可以替代一切其它类型的功率器件。现有成熟的高电压等级IGBT已能达到4000V，高频IGBT已经达到150K硬开关等高性能。IGBT应用范围一般都在600V，1KA，1kHz以上的区域。主要应用于变频器主回路及一切逆变电器及一切DC-AC变换中。例如电机控制，电动汽车，伺服电机，UPS，开关电源，斩波电源，无轨电车以及要求低速低损耗的应用领域和近些年来高速发展的新能源领域如光伏逆变器，风电变流器等。
在IGBT应用过程中，IGBT的驱动和保护是其应用中最核心的的部分，受到厂家、用户和研发工程师们的最大的重视。在工作中如果能够对IGBT进行良好的保护，能够使系统安全可靠运行，防止重大短路过流事故发生和进一步扩大，将事故消除在发生的初级阶段，保护变流设备和负载以及其他相连接的外围设备。另外由于IGBT价格比较昂贵能够对其进行良好的外围保护能够使IGBT损毁机会大大降低降低经济损失，和短路过流对外围设备造成的其他相关器件和设备的损失，达到间接保护外围设备和器件的效果。背景技术中，有厂商推出相对应的IGBT驱动电路和驱动板，但是只提供针对IGBT的触发和保护信号的匹配和传输，并不能针对性地实现相应保护功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过数字电路实现脉冲校验的方法，针对IGBT的触发特性和保护信号经过驱动电路匹配后传出的信号进行逻辑和信号处理，主要是对PWM（触发脉冲信号）、FO（IGBT发出的错误信号）和SO（驱动板发出的电源错误信号）进行匹配，校验，延时，展宽等数字处理后产生一个综合的错误信号以脉冲的方式传送给MCU，经过MCU接收处理后，以最快的时间响应对IGBT进行保护，解决背景技术存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种通过数字电路实现脉冲校验的方法，包含如下步骤：①IGBT返回的脉冲信号经过D触发器分频后和原脉冲比较，比较后的信号和IGBT发出的电源故障信号SO一起，经过或门后输出一系列220ns短脉冲；②一系列短脉冲经过后续处理，对此系列脉冲进行去除从上升沿至约220-250ns的部分，使得脉冲比较产生延时信号被去除，剩下的信号进行展宽处理，展宽宽度由外部CLK和触发器个数决定；③信号经过处理后如无FO报警或SO报警，则最终输出一个低电平的“零”信号；如有FO或SO信号，则输出一个由CLK信号和触发器个数决定的脉冲信号，给控制保护使用。
CLK表示计数器被清除为“0”，当为高电平时为触发。
本发明能够对IGBT在变流过程中发生的故障信号正确的输出，并能够对系统发给IGBT的脉冲信号和IGBT反馈的脉冲信号进行校验，以保证脉冲信号正确的发送，并能够检验信号发送过程中的干扰信号，以便对脉冲传输部分进行优化。另外本发明本身具备一定得容错性能，当某些干扰信号小于220ns时本发明可以将其进行滤除，保证电路能够在一定干扰正常运行，防止错误误报。
本发明的优点及有益效果：针对IGBT的触发特性和保护信号经过驱动电路匹配后传出的信号进行逻辑和信号处理，主要是对PWM（触发脉冲信号）、FO（IGBT发出的错误信号）和SO（驱动板发出的电源错误信号）进行匹配，校验，延时，展宽等数字处理后产生一个综合的错误信号以脉冲的方式传送给MCU，经过MCU接收处理后，以最快的时间响应对IGBT进行保护；本发明以硬件电路的方式实现逻辑转换和数字脉冲信号处理，可靠性高，抗干扰能力强并对原有保护功能进行了加强和延伸，能够更好的实现对IGBT的保护。
附图说明
图1：2SP0320T型驱动板正常工作的脉冲触发和反馈信号电压和时间特性；
图2：2SP0320T型驱动板短路故障的脉冲触发和反馈信号电压和时间特性；
图3：4路PWM校验数字电路原理图；
图4：IGBT正常工作时本电路响应引脚时序图；
图5：4路PWM校验后信号处理电路原理图；
图6：短路故障时校验电路各引脚时序图；
图7：脉冲丢失或干扰故障时各引脚时序图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
一种通过数字电路实现脉冲校验的方法，包含如下步骤：①IGBT返回的脉冲信号经过D触发器分频后和原脉冲比较，比较后的信号和IGBT发出的电源故障信号SO一起，经过或门后输出一系列220ns短脉冲；②一系列短脉冲经过后续处理，对此系列脉冲进行去除从上升沿至约220-250ns的部分，使得脉冲比较产生延时信号被去除，剩下的信号进行展宽处理，展宽宽度由外部CLK和触发器个数决定；③信号经过处理后如无FO报警或SO报警，则最终输出一个低电平的“零”信号；如有FO或SO信号，则输出一个由CLK信号和触发器个数决定的脉冲信号，给控制保护使用。
更具体的脉冲校验方法如下所述：
本实施例以concept的2SP0320T型IGBT驱动板做为参考，针对此类脉冲反馈和保护输出做出的校验电路。当IGBT正常工作时，2SP0320T型IGBT驱动板的脉冲触发和反馈信号电压和时间特性（如图一所示）。Vin为脉冲输入信号；Vge 为IGBT门极和发射极电压差；Vstat为驱动电路对此脉冲发出的反馈信号。Vge 电压开始建立较Vin延迟120ns，在Vge的上升沿和下降沿驱动电路分别输出一个700ns的脉冲信号作为反馈信号。
当IGBT发生短路故障时，2SP0320T型IGBT驱动板的脉冲触发和反馈信号电压和时间特性（如图二所示）。Vin为脉冲输入信号；Vge为IGBT门极和发射极电压差；Vstat为驱动电路对此脉冲发出的反馈信号。在电流逆变正常工作中，如某一路脉冲信号保持将导致此路IGBT常开，会导致此管所在桥臂直通而发生短路。当Vge 保持时间大于驱动电路响应时间时，驱动电路将产生一个11us的脉冲信号，作为短路信号输出。
当驱动板电源正常时，SO引脚输出为高电平；电源发生故障时SO引脚电平变为低电平。电源恢复正常后90ms，SO引脚重新恢复输出高电平。
本发明所述是对于concept的2SP0320T型IGBT驱动板以及其它和此类相同或相似的输出特性制作了一种数字电路以对其脉冲信号和反馈信号进行校验处理后进行输出，本发明的数字电路原理设计的单项逆变即4路PWM的校验数字电路原理图的其中一部分（如图三所示）。
当IGBT正常工作时，本电路经过校验处理后输出低电平信号（如图四所示）
当IGBT出现短路故障时本发明电路会输出一个高电平脉冲信号给MCU，以便，MCU识别处理故障（如图六所示）。
当脉冲传输过程中出现干扰信号，或者传输过程中出现传输线路故障，导致脉冲丢失或者脉冲变形时，同样也会输出一个高电平信号给MCU，以便MCU识别处理（如图七所示）。
本发要点是校验控制电路发出的PWM脉冲与IGBT收到的PWM脉冲是否一致，有误干扰或丢失，并对IGBT驱动板发出的保护信号进行处理发送。由脉冲校验部分，数字信号处理部分两块功能模块组成。在PWM脉冲输入驱动电路板同时也给到数字电路的XNOR门电路的一个输入引脚，PWM进入驱动板驱动IGBT时，驱动电路给出的FO信号输入到D触发器的CLK引脚，相当于用D触发器对FO信号进行分频。
正常工作时分频后的信号如图4中的Vo所示，Vo相当于一个与触发PWM信号同频率，滞后220ns的脉冲信号，此信号由D触发器的Qn引脚输出。每一路Qn引脚输出与PWM信号同频率，滞后220ns的脉冲信号和PWM脉冲信号经过XNOR门后，即产生一个图4中Vo1的脉冲信号，VO1的脉冲宽度为220ns。4路同频率不同相位的Vo1信号经过OR门后，在每个控制周期内，在图3中的OUT[1]引脚输出一系列脉宽为220ns的8个脉冲信号。
正常工作时图3中OUT[1]引脚输出的一系列8个脉冲信号输入图5对应的OUT[1]引脚，图5中的CLK输入一个时钟脉冲信号，通过图5中的D触发器可以将脉冲宽度在其上升沿开始去除一定宽度，去除的宽度由CLK的频率和D触发器的数量决定，适度调整CLK和D触发器数量后，使得去除的脉冲宽度略大于220ns，则图5中最终进入OR门的是一个无脉冲的零电平信号。由于正常工作时SO信号为高电平信号，取反后也为零电平信号，一同输入OR门，在OR门的输出也为一个零电平信号。
当系统中某一个IGBT发生短路或过流故障时，各个节点脉冲时序图如图6所示。途中VO2为图5中D触发器输入OR门电路引脚的脉冲信号时序图。虚线部分表示图5中OUT[1]引脚经过两个D触发器去除的脉冲部分。依据其脉冲时序图可分析出，某一IGBT发生短路时，本设计发明能够快速正确输出一个10.78us的脉冲信号作为MCU的采集信号。当SO由高变低时通过门电路也能输出一个高电平信号，作为MCU的采集信号。
当PWM脉冲在送往IGBT过程中丢失或受到干扰导致脉冲失真时，同发生短路故障相似，也会使得FO信号分频后的信号与原始的发送的PWM信号不匹配，当不匹配值大于220ns时，本电路也会输出一个相应的脉冲作为错误信号送给MCU（如七所示）。
Claims (1)
1.一种通过数字电路实现脉冲校验的方法，其特征在于：包含如下步骤：①IGBT返回的脉冲信号经过D触发器分频后和原脉冲比较，比较后的信号和IGBT发出的电源故障信号SO一起，经过或门后输出一系列220ns短脉冲；②一系列短脉冲经过后续处理，对此系列脉冲进行去除从上升沿至约220-250ns的部分，使得脉冲比较产生延时信号被去除，剩下的信号进行展宽处理，展宽宽度由外部CLK和触发器个数决定；③信号经过处理后如无FO报警或SO报警，则最终输出一个低电平的“零”信号；如有FO或SO信号，则输出一个由CLK信号和触发器个数决定的脉冲信号，给控制保护使用。
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