CN108565839A - 一种电机控制器的igbt驱动电路及电机控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机控制器的IGBT驱动电路和电机控制器，包括：设置在电机控制器驱动板上的功能安全电路，以及分别与功能安全电路连接的检测反馈电路和脉冲宽度调制PWM缓冲电路；检测反馈电路，检测电机控制器的IGBT模块并当检测到IGBT模块的指定故障时，发送指定故障信号至功能安全电路；功能安全电路，根据预设故障处理规则以及收到的指定故障信号进行判断后，输出相应控制信号至PWM缓冲电路；PWM缓冲电路，根据相应控制信号产生驱动IGBT模块的PWM信号，控制IGBT模块的通断以保护IGBT模块。本申请技术方案具有多种保护功能，提高了IGBT的稳定性和安全性，并且动作迅速、保护及时。

Description

一种电机控制器的IGBT驱动电路及电机控制器
技术领域
本发明涉及电机控制器技术领域，具体涉及一种电机控制器的IGBT驱动电路及电机控制器。
背景技术
随着电气电子设备在汽车领域尤其是控制系统中的大量使用，一些新的安全问题不断出现，危险事故频发，使得各大汽车公司越来越关注功能安全，也促使国际标准化组织(ISO)研究并制定了专门针对汽车电子电气系统的功能安全国际标准ISO 26262。该标准涉及汽车电子电气系统的整个汽车安全生命周期及其管理过程，对汽车企业及其零部件企业提出了很高的要求。
目前，国内针对车用驱动电机系统的功能安全设计研究还很少，电机控制器是整车动力的核心部件，因此，亟需一种能够提高电机控制器功能安全的技术方案。
发明内容
本发明提供了一种电机控制器的IGBT驱动电路以及应用该驱动电路的电机控制器，能够提高电机控制器的功能安全以及稳定性，且保护动作迅速。
根据本发明的一个方面，提供了一种电机控制器的IGBT驱动电路，包括：设置在电机控制器驱动板上的功能安全电路，以及分别与所述功能安全电路连接的检测反馈电路和脉冲宽度调制PWM缓冲电路；
所述检测反馈电路，检测电机控制器的IGBT模块并当检测到IGBT模块的指定故障时，发送指定故障信号至所述功能安全电路；
所述功能安全电路，根据预设故障处理规则以及收到的指定故障信号进行判断后，输出相应控制信号至所述PWM缓冲电路；
所述PWM缓冲电路，用于根据相应控制信号产生驱动IGBT模块的PWM信号，控制IGBT模块的通断以保护IGBT模块。
可选地，还包括：隔离驱动电源电路；
所述隔离驱动电源电路，接收所述PWM缓冲电路输出的PWM信号，并对PWM信号进行隔离。
可选地，所述隔离驱动电源电路包括：隔离变压器和隔离驱动光耦，
所述隔离变压器的输入端与电机控制器驱动板的供电电源连接，输出端与隔离驱动光耦连接；
所述隔离驱动光耦的输入端与所述PWM缓冲电路连接、输出端与IGBT模块连接，将PWM信号隔离处理后输出至IGBT模块；
所述隔离驱动光耦，还用于检测IGBT模块的发射极与集电极之间的电压，当检测到IGBT模块发生短路故障或驱动电压欠压故障时，反馈短路故障信号或驱动电压欠压故障信号至所述功能安全电路。
可选地，所述检测反馈电路包括：温度检测反馈电路，母线电压检测反馈电路以及电源电压检测反馈电路；
温度检测反馈电路，检测IGBT模块的温度值，当温度值超过预设温度阈值时确定IGBT模块发生过温故障并反馈过温故障信号至所述功能安全电路，使所述功能安全电路控制关断IGBT模块；
母线电压检测反馈电路，检测IGBT模块的母线电压值，当确定发生母线电压过压故障时，反馈母线电压过压故障信号至所述功能安全电路，使所述功能安全电路控制关断IGBT模块；
电源电压检测反馈电路，检测电机控制器驱动板的供电电源的电压值，当确定供电电压欠压故障时，反馈供电电压欠压故障信号至所述功能安全电路，使所述功能安全电路控制关断IGBT模块。
可选地，所述功能安全电路，接收来自电机控制器控制板的主动短路信号，并根据主动短路信号通过控制所述PWM缓冲电路产生PWM信号，以控制关断IGBT模块。
可选地，所述功能安全电路，接收来自电机控制器控制板的PWM使能信号，根据PWM使能信号，使PWM缓冲电路输出PWM信号或封锁输出PWM信号。
可选地，还包括：冗余缓冲电路，
所述冗余缓冲电路，接收IGBT模块发生故障时的各故障信号，将接收到的各故障信号进行缓冲后发送给电机控制器控制板，供电机控制器控制板进行判断。
可选地，还包括：推挽放大电路，
推挽放大电路与隔离电源驱动电路以及IGBT模块连接，用于将收到的PWM信号放大后输出至IGBT模块。
可选地，所述隔离驱动光耦为带反激控制器的隔离驱动光耦，
所述电机控制器驱动板的供电电源为输出15V电压的Sepic电源。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电机控制器，包括：如本发明一个方面所述的电机控制器的IGBT驱动电路。
本发明的有益效果是：本发明的电机控制器的IGBT驱动电路通过在电机控制器驱动板上设置功能安全电路，利用对IGBT故障信号进行汇总与逻辑处理，并输出信号控制PWM缓冲电路完成IGBT模块和电机控制器的各种保护功能，使得电机控制器能够对IGBT提供完善的保护，通过驱动板上的这种硬件逻辑电路来处理故障信号并进行相关的动作来保护IGBT模块的方案，相比软件保护时间大大缩短，从而保护及时、动作迅速。应用这种电机控制器的IGBT驱动电路可以提高电机控制器整体的可用性及安全性。
附图说明
图1是本发明一个实施例的电机控制器的IGBT驱动电路的框图；
图2是本发明一个实施例的电机控制器的IGBT驱动电路的逻辑图；
图3是本发明一个实施例的电机控制器的框图。
具体实施方式
电机控制器作为整车动力的核心部件，由很多个零件组成，其中驱动电路为关键零件，也是车用驱动电机系统功能安全设计的重点。本申请实施例提供了一种电机控制器的IGBT驱动电路，以便在检测到IGBT模块发生故障时迅速保障IGBT模块和电机控制器的安全。
图1是本发明一个实施例的电机控制器的IGBT驱动电路的框图，参见图1，本发明实施例的电机控制器的IGBT驱动电路包括：设置在电机控制器驱动板上的功能安全电路102，以及分别与所述功能安全电路102连接的检测反馈电路101和脉冲宽度调制PWM缓冲电路103；
检测反馈电路101，检测电机控制器的IGBT模块并当检测到IGBT模块的指定故障时，发送指定故障信号至功能安全电路102；指定故障信号包括短路故障、过温故障、母线电压过压故障或者驱动电压欠压故障。
功能安全电路102，根据预设故障处理规则以及收到的指定故障信号进行判断后，输出相应控制信号至PWM缓冲电路103；
PWM缓冲电路103，用于根据相应控制信号产生驱动IGBT模块的PWM信号，控制IGBT模块的通断以保护IGBT模块。PWM缓冲电路输出PWM驱动信号，直接驱动IGBT模块。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即绝缘栅双极型晶体管。
本发明实施例的这种电机控制器的IGBT驱动电路，设置了功能安全电路，功能安全电路对IGBT故障信号进行汇总与逻辑处理，并输出信号控制PWM缓冲电路实现对IGBT模块和电机控制器的多种保护功能，提高了电机控制器的安全性，满足了实际需求。并且与通过软件控制来实现保护功能的方案相比，经过实验，本实施例的电机控制器的IGBT驱动电路故障反应和处理时间可以从几十微秒下降到小于1微秒。
实际应用中，功能功能安全电路与PWM缓冲电路可以通过CPLD(ComplexProgrammable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)或者DSP(数字信号处理，DigitalSignal Processing)或者CPU实现。进一步地，CPLD或者DSP或者CPU可以通过UART(通用异步收发传输器，UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter)接口与电机控制器控制板上的CPU进行通信，提高电机控制器整体的可用性及安全性。通用异步收发传输器，通常称作UART，是一种异步收发传输器。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。
图2是本发明一个实施例的电机控制器的IGBT驱动电路的逻辑图，参见图2电机控制器的IGBT驱动电路包括检测反馈电路，功能安全电路、PWM缓冲电路以及隔离驱动电源电路；
隔离驱动电源电路，接收PWM缓冲电路输出的PWM信号(即图2中的PWM1或者PWM2)，并对PWM信号进行隔离。
参见图2，隔离驱动电源电路包括：隔离变压器和隔离驱动光耦，隔离变压器的输入端与电机控制器驱动板的供电电源连接，输出端与隔离驱动光耦连接，通过检测电源电压能够得到隔离变压器原边电压值以及是否发生驱动电压原边欠压故障。
需要说明的是，图2中示意了上下两个开关管，两个开关管代表的是一个IGBT半桥电路，通常，电机控制器需要三个IGBT半桥电路组成一个三相全桥单元。图2中驱动电路只描述了部分半桥IGBT，X3(U、V、W)示意了三相IGBT模块。
隔离驱动光耦与PWM缓冲电路、隔离变压器以及IGBT模块连接，具体的，隔离驱动光耦的输入端与PWM缓冲电路连接，输出端与IGBT模块连接，以将PWM信号隔离处理后输出至IGBT模块；
隔离驱动光耦，还用于检测IGBT模块的发射极与集电极之间的电压，当检测到IGBT模块发生短路故障或驱动电压欠压故障时，反馈短路故障信号或驱动电压欠压故障信号至功能安全电路。
也就是说，隔离驱动光耦通过VCE检测关键故障信号，比如，IGBT短路故障信号(F_DST_TOP或者F_DST_BOT)和隔离变压器副边欠压故障信号F_UVLO_TOP/F_UVLO_BOT，这里的TOP和BOT分别代表的是上管和下管。短路故障发生后瞬时就会产生极大的电流，很快就会损坏IGBT，控制板的过流保护来不及，这里由硬件电路控制驱动电路(即PWM缓冲电路)瞬间加以保护，保证了故障处理的及时性。
短路过程中IGBT模块电流急剧增加，达到一定数值后就会出现退饱和现象。当IGBT模块过流出现退饱和现象时，如果迅速关断IGBT模块(电流下降速度过快)，就会出现IGBT模块关断时集电极与发射极之间的电压尖峰(简称CE间电压尖峰)超过额定电压，导致IGBT模块的CE电压与电流的工作点超过其安全工作区而损坏。通过VCE检测能够确定是否IGBT模块发生短路故障。
本实施例的隔离驱动光耦为带反激控制器的隔离驱动光耦，选用带反激控制器的驱动光耦，简化了隔离驱动电源的设计，减小了驱动板的尺寸和体积。电机控制器驱动板的供电电源为输出15V电压的Sepic电源。Sepic电源与隔离变压器的输入端连接，为IGBT模块供电。
参见图2，本实施例的检测反馈电路包括：温度检测反馈电路，母线电压检测反馈电路以及电源电压检测反馈电路；
温度检测反馈电路即，图2中的温度检测反馈电路连接三个输出信号线，即NTC1、NTC2和NTC3，与三相IGBT模块的相应开关管连接，检测IGBT模块的温度值，当温度值超过预设温度阈值时，确定IGBT模块发生过温故障并反馈过温故障信号(/F_IGBT_OT)至功能安全电路，使功能安全电路控制关断IGBT模块。实际应用中，功能安全电路可以根据预设的温度故障处理规则与控制信号之间的对应关系，输出对应的控制信号(比如，Force_Upper_ON、Force_Lower_ON、PWM_Buffer)至PWM缓冲电路，通过控制PWM缓冲电路对PWM脉冲进行控制，实现三相桥IGBT模块的三个上管全开、三个下管全开、IGBT管均关断或者IGBT管正常开关等操作。
母线电压检测反馈电路，检测IGBT模块的母线电压值，当确定发生母线电压过压故障时(比如，当前母线电压值超过预设母线电压阈值)，反馈母线电压过压故障信号(F_HV_OV)至功能安全电路，使功能安全电路控制关断IGBT模块。
电源电压检测反馈电路，检测电机控制器驱动板的供电电源(参见图2中的Sepic电源)的电压值，当确定供电电压欠压故障时(比如，当前电源电压值超过预设母线电压阈值)，反馈供电电压欠压故障信号(F_GD_15V)至功能安全电路，使功能安全电路控制关断IGBT模块。
在本发明的一个实施例，功能安全电路除了能够根据收到的短路故障信号控制IGBT模块断开并保护IGBT模块外，还接收来自电机控制器控制板的主动短路信号(/F_SHORT)，并根据主动短路信号通过控制PWM缓冲电路产生PWM信号，以控制开通关断IGBT模块相应的开关管，实现主动放电功能。需要说明的是，主动短路功能一般是通过控制板直接发PWM信号短路IGBT模块上管或下管实现，本实施例中，控制板可以直接发PWM信号实现电机短路功能，控制板也可以通过/F_SHORT信号让驱动板功能安全逻辑电路实现电机短路功能，实现了冗余。
进一步地，功能安全电路，还接收来自电机控制器控制板的PWM使能信号，根据PWM使能信号，使PWM缓冲电路输出PWM信号或封锁输出PWM信号。参见图2，/PWM_EN_CB信号是来自控制板，该信号是功能安全电路的输入信号之一，当/PWM_EN_CB有效且没有其他故障信号输入时，驱动板会使能PWM输出；当/PWM_EN_CB无效时，不管是否有故障输入功能安全电路，驱动板的功能安全电路都会封锁PWM信号。
参见图2，该电机控制器的IGBT驱动电路还包括：冗余缓冲电路，冗余缓冲电路，接收IGBT模块发生故障时的各故障信号，将接收到的各故障信号进行缓冲后发送给电机控制器控制板，供电机控制器控制板进行判断。冗余缓冲电路的功能只是将收到的各故障信号进行缓冲然后发送给控制板。
相当于故障信号经过两条路径，一条路径是输入到驱动板的功能安全电路进行判断，另一条路径是经过冗余缓冲电路送入控制板判断。再次提供了冗余，保证了电机控制器功能安全
参见图2，电机控制器的IGBT驱动电路还包括：推挽放大电路，推挽放大电路与隔离电源驱动电路以及IGBT模块连接，用于将收到的PWM信号放大后输出至IGBT模块。
图2所示的这种电机控制器IGBT驱动电路基于功能安全设计，隔离驱动光耦具有驱动电压副边欠压/F_UVLO_X和短路故障信号反馈/F_DST_X；这里的X代表上管TOP或下管BOT之一。比如F_UVLO_TOP表示与上管连接的隔离变压器的副边欠压故障信号。母线电压检测反馈电路具有母线电压过压信号反馈/F_HV_OV；电源电压检测反馈电路，具有+15V欠压信号反馈/F_GD_15V；温度检测反馈电路具有IGBT温度采样及过温故障信号反馈/F_IGBT_OT；短路信号/F_SHORT和PWM使能信号/PWM_EN_CB来自于电机控制器控制板。
功能安全电路根据输入的不同故障情况和来自控制板的指令信号，通过控制PWM缓冲电路对PWM脉冲进行控制，实现三相桥IGBT模块三个上管全开、三个下管全开、IGBT管均关断、IGBT管正常开关等。
电机控制器控制板可以通过PWM_EN_CB信号使能驱动板PWM输出或封锁PWM输出；控制板主动短路信号/F_SHORT能够根据控制策略实现电机短路的功能，比如：当电机反电动势过高导致母线电压过压信号/F_HV_OV发生时，功能安全电路通过短路IGBT模块下桥臂消除电机反电动势保护电机控制器；当隔离驱动光耦检测到IGBT模块上桥臂短路故障或者上桥臂驱动欠压故障时，功能安全路会短路IGBT模块下桥臂以保护IGBT模块；当隔离驱动光耦检测到IGBT模块下桥臂短路故障或者下桥臂驱动欠压故障时，功能安全电路会短路IGBT模块上桥臂以保护IGBT模块；当驱动板上的Sepic电源输出电压+15V欠压信号/F_GD_15V发生时，功能安全电路关闭所有IGBT管以保护IGBT模块。当IGBT过温故障信号/F_IGBT_OT发生时，功能安全电路会关闭所有IGBT管以保护IGBT模块。
由此可知，集成了IGBT驱动电路的驱动板具有整体占用空间小，IGBT保护完善和动作迅速的优点。IGBT保护完善是指IGBT保护功能全面，比如包括：驱动电源副边欠压保护：/F_UVLO_TOP/BOT、驱动电压原边欠压保护：/F_GD_15V、IGBT短路保护：/F_DST_TOP/BOT、母线电压过压保护：/F_HV_OV、IGBT过温保护：/F_IGBT_OT。
本发明的基于功能安全的电机控制器IGBT驱动电路，包括了Sepic电源、高频隔离变压器、带反激控制器的隔离驱动光耦和推挽放大电路、故障信号采集、功能安全电路、PWM缓冲电路；Sepic电源为驱动板低压侧供电；隔离变压器与带反激控制器的隔离驱动光耦和推挽放大电路用于产生隔离驱动电源、驱动信号放大、检测信号反馈等工作；故障信号采集用于采集IGBT温度、母线电压；功能安全电路用于故障信号汇总与逻辑处理，其输出信号控制PWM缓冲电路完成IGBT模块和电机控制器的各种保护功能为IGBT提供全面保护，并且动作迅速、反应快。
图3是本发明一个实施例的电机控制器的框图，参见图3，本实施例的电机控制器300包括：控制板301、驱动板302以及IGBT模块303，其中，驱动板上设置有前述实施例的电机控制器的IGBT驱动电路，该驱动电路在检测到IGBT模块发生故障时迅速保障电机控制器的安全，提高了电机控制器整体可用性及安全性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电机控制器的IGBT驱动电路，其特征在于，包括：设置在电机控制器驱动板上的功能安全电路，以及分别与所述功能安全电路连接的检测反馈电路和脉冲宽度调制PWM缓冲电路；
所述检测反馈电路，检测电机控制器的IGBT模块并当检测到IGBT模块的指定故障时，发送指定故障信号至所述功能安全电路；
所述功能安全电路，根据预设故障处理规则以及收到的指定故障信号进行判断后，输出相应控制信号至所述PWM缓冲电路；
所述PWM缓冲电路，用于根据相应控制信号产生驱动IGBT模块的PWM信号，控制IGBT模块的通断以保护IGBT模块。
2.根据权利要求1所述的电机控制器的IGBT驱动电路，其特征在于，还包括：隔离驱动电源电路；
所述隔离驱动电源电路，接收所述PWM缓冲电路输出的PWM信号，并对PWM信号进行隔离。
3.根据权利要求2所述的电机控制器的IGBT驱动电路，其特征在于，所述隔离驱动电源电路包括：隔离变压器和隔离驱动光耦，
所述隔离变压器的输入端与电机控制器驱动板的供电电源连接，输出端与隔离驱动光耦连接，
所述隔离驱动光耦的输入端与所述PWM缓冲电路连接，输出端与IGBT模块连接，将PWM信号隔离处理后输出至IGBT模块；
所述隔离驱动光耦，还用于检测IGBT模块的发射极与集电极之间的电压，当检测到IGBT模块发生短路故障或驱动电压欠压故障时，反馈短路故障信号或驱动电压欠压故障信号至所述功能安全电路。
4.根据权利要求1所述的电机控制器的IGBT驱动电路，其特征在于，所述检测反馈电路包括：温度检测反馈电路，母线电压检测反馈电路以及电源电压检测反馈电路；
温度检测反馈电路，检测IGBT模块的温度值，当温度值超过预设温度阈值时确定IGBT模块发生过温故障并反馈过温故障信号至所述功能安全电路，使所述功能安全电路控制关断IGBT模块；
母线电压检测反馈电路，检测IGBT模块的母线电压值，当确定发生母线电压过压故障时，反馈母线电压过压故障信号至所述功能安全电路，使所述功能安全电路控制关断IGBT模块；
电源电压检测反馈电路，检测电机控制器驱动板的供电电源的电压值，当确定供电电压欠压故障时，反馈供电电压欠压故障信号至所述功能安全电路，使所述功能安全电路控制关断IGBT模块。
5.根据权利要求1所述的电机控制器的IGBT驱动电路，其特征在于，
所述功能安全电路，接收来自电机控制器控制板的主动短路信号，并根据主动短路信号通过控制所述PWM缓冲电路产生PWM信号，以控制关断IGBT模块。
6.根据权利要求1所述的电机控制器的IGBT驱动电路，其特征在于，
所述功能安全电路，接收来自电机控制器控制板的PWM使能信号，根据PWM使能信号，使PWM缓冲电路输出PWM信号或封锁输出PWM信号。
7.根据权利要求1所述的电机控制器的IGBT驱动电路，其特征在于，还包括：冗余缓冲电路，
所述冗余缓冲电路，接收IGBT模块发生故障时的各故障信号，将接收到的各故障信号进行缓冲后发送给电机控制器控制板，供电机控制器控制板进行判断。
8.根据权利要求2所述的电机控制器的IGBT驱动电路，其特征在于，还包括：推挽放大电路，
推挽放大电路与隔离电源驱动电路以及IGBT模块连接，用于将收到的PWM信号放大后输出至IGBT模块。
9.根据权利要求3所述的电机控制器的IGBT驱动电路，其特征在于，所述隔离驱动光耦为带反激控制器的隔离驱动光耦，
所述电机控制器驱动板的供电电源为输出15V电压的Sepic电源。
10.一种电机控制器，其特征在于，包括：权利要求1-9任一项所述的电机控制器的IGBT驱动电路。
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