CN109639123A - 一种高压变频器多igbt时钟同步驱动方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法及系统，涉及电子器件控制技术领域，其包括：主控端产生主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲，并进行曼彻斯特编码，形成携带主时钟信号的串行信号，然后发送至需要控制的接收端；控制命令或控制数据携带接收端的地址码；接收端进行曼彻斯特解码，提取主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲；以主时钟信号作为同步时钟信号，生成同步驱动信号下发给IGBT驱动器。本发明的高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法，利用曼彻斯特编码携带主时钟信号，通过接收端的解码能够恢复同步时钟，实现对IGBT进行同步驱动，具有较佳的抗干扰能力。

Description

一种高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法及系统

技术领域

本发明涉及电子器件控制技术领域，具体涉及一种高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法及系统。

背景技术

在大型工业系统中，高压变频器的应用越来越广泛，容量越来越大，因此，对高压变频器的性能要求也越来越高。高压变频器内部具有多个IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)，利用光纤传输IGBT的驱动脉冲信号能够降低布线难度。

高压变频器内部的多个IGBT按组排列，每组拥有多个IGBT，每个IGBT的驱动信号各不相同，为降低光纤数量，通常每组IGBT使用一根光纤传输其内部所有的IGBT所需的驱动信号。高压变频器内部的多个IGBT之间互相电气隔离，安全隔离高压电对低压信号的影响，能够有效避免设备内和周围环境的电磁干扰，但当电气隔离后，就无法采用常规的方法进行内部时钟同步。

现有的信号传输方式是主控端进行驱动信号的非归零码编码，组端进行异步采样解码，再通过功放电路送到组内各个IGBT的栅极。这种传输方式实现简单，但组端解码后的数据中可能存在非正常的连续0或连续1现象，或由于各组的本地时钟不同步，导致解码后的IGBT驱动脉冲存在不同步，导致系统某些功能指标无法达到预期效果的情况。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法及系统，实现对高压变频器内多个IGBT的同步驱动。

本发明提供一种高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法，其包括步骤：

主控端产生主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲，并进行曼彻斯特编码，形成携带主时钟信号的串行信号，然后发送至需要控制的接收端；控制命令或控制数据携带接收端的地址码；

接收端进行曼彻斯特解码，提取主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲；

以主时钟信号作为同步时钟信号，生成同步驱动信号下发给IGBT驱动器。

在上述技术方案的基础上，进行曼彻斯特编码具体包括：

对驱动脉冲进行采样记录；

将控制命令或控制数据与采样后的驱动脉冲进行合并，得到合并数据；

对合并数据和主时钟信号进行异或运算或者异或非运算，生成曼彻斯特编码，即携带主时钟信号的编码信息。

在上述技术方案的基础上，控制命令或控制数据包括但不限于IGBT驱动命令。

在上述技术方案的基础上，以主时钟信号作为同步时钟信号，生成同步驱动信号下发给IGBT驱动器，具体包括：

以主时钟信号作为同步时钟信号，根据同步时钟信号和驱动脉冲，生成IGBT驱动信号；

根据IGBT驱动命令与IGBT驱动信号生成同步驱动信号，实现IGBT的同步驱动控制。

在上述技术方案的基础上，主控端的低频振荡源产生的噪声源，经时主钟倍频电路产生主时钟信号。

在上述技术方案的基础上，接收端的低频振荡源产生的噪声源，经时从钟倍频电路产生从时钟信号。

本发明还提供一种实现上述方法的高压变频器多IGBT时钟同步驱动系统，其包括：

一个主控端，其用于产生主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲，并进行曼彻斯特编码，形成携带主时钟信号的串行信号并发送；

多个接收端，其用于接收串行信号，并对其进行曼彻斯特解码，提取主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲；接收端还用于以主时钟信号作为同步时钟信号，生成同步驱动信号下发给IGBT驱动器。

在上述技术方案的基础上，主控端包括：

主时钟倍频电路，其用于产生主时钟信号；

驱动脉冲产生电路，其用于产生IGBT的驱动脉冲；

数字化采样电路，其用于对驱动脉冲进行采样记录；

控制命令或控制数据电路，其用于发出控制命令或控制数据；控制命令或控制数据携带有对应接收端的地址码；

数据插入电路，其用于将控制命令或控制数据与采样后的驱动脉冲进行合并，得到合并数据；

曼彻斯特编码电路，其用于对合并数据进行曼彻斯特编码，得到携带主时钟信号的编码信息；

发送电路，其用于对编码信息进行串行化，并转换成光信号发送至接收端。

在上述技术方案的基础上，接收端包括：

从时钟倍频电路，其用于产生从时钟信号；

光电转换电路，用于将接收的光信号转换成电信号的编码信息；

曼彻斯特解码电路，其用于对编码信息进行解码，得到主时钟信号、驱动脉冲以及控制命令或控制数据；

同步时钟电路，用于提取出主时钟信号作为同步时钟信号；

驱动脉冲提取电路，其用于提取驱动脉冲；

驱动脉冲发送电路，其用于根据同步时钟信号和驱动脉冲，生成IGBT驱动信号；

控制命令或控制数据存储器，其用于提取控制命令或控制数据，控制命令或控制数据包括但不限于IGBT驱动命令；

IGBT驱动控制电路，其用于根据IGBT驱动命令与IGBT驱动信号生成同步驱动信号，实现IGBT的同步驱动控制。

在上述技术方案的基础上，接收端还包括其他控制电路，其他控制电路用于根据其他控制命令或控制数据实现接收端的其他功能控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法，利用曼彻斯特编码携带主时钟信号，通过接收端的解码能够恢复同步时钟，实现对IGBT进行同步驱动，具有较佳的抗干扰能力。

(2)本发明采用硬件编码方式实现，结构简单，易实现，可避免软件运行中出现故障的潜在风险，进一步提高同步驱动的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的高压变频器的控制结构示意图；

图3为本发明实施例提供的主控端的示意图。

图4为本发明实施例提供的接收端的示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法，其包括步骤：

S1.主控端产生主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲，并进行曼彻斯特编码，形成携带主时钟信号的串行信号，然后发送至需要控制的接收端；控制命令或控制数据携带上述接收端的地址码。

S2.接收端进行曼彻斯特解码，提取主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲。

S3.以主时钟信号作为同步时钟信号，生成同步驱动信号下发给IGBT驱动器。

本实施例中，主控端能同时进行多路信号的同步数字化处理，利用曼彻斯特编码携带主时钟信号，然后通过接收端的曼彻斯特解码，各接收端在互相电气隔离、时钟不同步的的情况下得到同步时钟信号，以及IGBT栅极开关动作所需要的驱动脉冲信号，有利于提升波形叠加质量，改善输出波形，实现对IGBT进行同步驱动，具有较佳的抗干扰能力。

本实施例还可采用与曼彻斯特编码类似的差分曼彻斯特编码的方式对主控端的信号进行处理发送，对应的，接收端采用差分曼彻斯特解码的方式得到同步时钟信号，以及IGBT栅极开关动作所需要的驱动脉冲信号。

上述步骤S1中，对主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲进行曼彻斯特编码，具体包括：

对IGBT栅极开关动作所需要的驱动脉冲进行采样记录；由于主控端产生的驱动脉冲的信号频率与主时钟信号TCLK不同，且远小于TCLK的频率，因此需要对驱动脉冲进行采样记录，以便于进行后续处理。本实施例中，采用D触发器对驱动脉冲进行采样记录。

将控制命令或控制数据与采样后的驱动脉冲进行合并，得到合并数据，以便于进行后续编码。

对合并数据和主时钟信号按照自定义的通讯协议进行曼彻斯特编码，编码时，编码后数据的每一位中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号，将所要传输的合并数据与主时钟信号同步，得到携带主时钟信号的编码信息。本实施例中，曼彻斯特编码通过FPGA实现，只需要将合并数据与时钟信号进行异或运算或者异或非运算即可，实现方便，且比相关的软件实现方法更快速可靠。

上述步骤1还包括将携带主时钟信号的编码信息串行化，然后转换成可以在光纤中传播的携带信息的光信号，以便于发送至特定的接收端，即上述控制命令或控制数据中携带的地址码的接收端。

本实施例中，当所有的接收端都需要接收控制命令或控制数据时，该控制命令或者数据也可以通过广播的方式发给所有的接收端。

上述控制命令或控制数据包括但不限于IGBT驱动命令，还包括对接收端的其他逻辑控制命令，例如接收端的使能、故障清除等命令。根据控制命令或控制数据中的其他逻辑控制命令可实现接收端的其他功能控制。

上述步骤2具体包括：接收到光信号的接收端将主控端发送的光信号转换成电信号，即串行信号，然后对串行信号进行曼彻斯特解码，解码时，根据接收数据的每一位跳变，提取串行主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲。

上述步骤S3具体包括：

以主时钟信号作为同步时钟信号，根据同步时钟信号和驱动脉冲，生成IGBT驱动信号；

根据IGBT驱动命令与IGBT驱动信号生成同步驱动信号，以实现各接收端同步对各自内部的IGBT进行驱动。

主控端电路板上的低频振荡源产生的噪声源，经时主钟倍频电路产生高速时钟，即主时钟信号。主控端的所有需要用到时钟的电路，均使用这一时钟信号。

接收端电路板上的低频振荡源产生的噪声源，经时从钟倍频电路产生从时钟信号，用于接收端内部需要时钟的电路。当每个接收端接收携带主时钟信号的编码信息时，根据主时钟信号以及相位对准信息对准从时钟信号。

参见图2所示，本发明实施例还提供一种实现上述方法的高压变频器多IGBT时钟同步驱动系统，其包括一个主控端和多个接收端。

主控端用于产生主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲，并进行曼彻斯特编码，形成携带主时钟信号的串行信号并发送给需要控制的接收端；控制命令或控制数据携带上述接收端的地址码。

接收端用于接收串行信号，并对其进行曼彻斯特解码，提取主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲；接收端还用于以主时钟信号作为同步时钟信号，生成同步驱动信号下发给IGBT驱动器。

高压变频器输出三相调频调压交流电源，其每相设有数量相同的接收端；根据高压变频器工作电压的高低，每相接收端的数量在5-9个之间。当工作电压为6kV时，每相接收端的数量为5个，特殊机型每相增加1个；当工作电压为10kV时，每相接收端的数量为8个，特殊机型每相增加1个。

参见图3所示，主控端包括主时钟倍频电路TCLK、驱动脉冲产生电路PG、数字化采样电路PS、控制命令或控制数据电路DM、数据插入电路DA、曼彻斯特编码电路MC以及发送电路，发送电路包括串行化电路SC和电光转换发送电路OT。

主时钟倍频电路用于产生主时钟信号，除了驱动脉冲产生电路和电光转换发送电路，将该主时钟信号发送给需要时钟的数字化采样电路、控制命令或控制数据电路、数据插入电路、曼彻斯特编码电路以及串行化电路。

驱动脉冲产生电路用于输出一系列规定、占空比不定的矩形脉冲，即IGBT的驱动脉冲。在高压变频器的主控端内建立的驱动脉冲产生电路数量为3的倍数，且个数在3-30个之间，即PG1-PGn，3≤n≤30。

数字化采样电路用于对驱动脉冲进行采样记录，包括PG1-PGn，3≤n≤30，其个数与驱动脉冲产生电路相同。本实施例中，采用D触发器对驱动脉冲进行采样记录。

控制命令或控制数据电路用于发出控制命令或控制数据。

数据插入电路用于将控制命令或控制数据与采样后的驱动脉冲进行合并，得到合并数据，包括DA1-DAn，3≤n≤30，其个数与驱动脉冲产生电路相同；该驱动脉冲为控制命令或控制数据携带的地址码的接收端所需的驱动脉冲。

曼彻斯特编码电路用于对合并数据进行曼彻斯特编码，得到携带主时钟信号的编码信息，包括MC1-MCn，3≤n≤30，其个数与驱动脉冲产生电路相同。

串行化电路用于将编码信息串行化，包括SC1-SCn，3≤n≤30，电光转换发送电路用于将串行化的编码信息转换成光信号发送至接收端，包括OT1-OTn，3≤n≤30，串行化电路SC和电光转换发送电路OT的个数均与驱动脉冲产生电路相同。

上述驱动脉冲产生电路、数字化采样电路、控制命令或控制数据电路、数据插入电路、曼彻斯特编码电路和串行化电路可采用集成的逻辑器件以硬件的方式实现，也可用单片机等程序控制器以软件的方式实现。优选地，为保证系统稳定可靠，均采用逻辑器件实现，如采用FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)实现。

本实施例中，为兼容各个机型，在控制系统内，按照每相10个单元的容量进行设计，即在高压变频器的主控端内建立了30个驱动脉冲产生电路，以及对应的其他电路，相应的，设有30个接收端。

参见图4所示，接收端包括从时钟倍频电路RCLK、光电转换电路OR、曼彻斯特解码电路MD、同步时钟电路rTCLK、驱动脉冲提取电路PR、驱动脉冲发送电路PD、控制命令或控制数据存储器RDM以及IGBT驱动控制电路DRV。

从时钟倍频电路用于产生从时钟信号，并将该从时钟信号发送给需要时钟的曼彻斯特解码电路、驱动脉冲提取电路和控制命令或控制数据存储器。每个接收端内部的从时钟信号频率、相位不一定完全相同。

光电转换电路用于将接收的光信号转换成电信号的编码信息。

曼彻斯特解码电路用于对编码信息进行解码，得到主时钟信号、驱动脉冲以及控制命令或控制数据。

同步时钟电路用于提取出主时钟信号作为同步时钟信号。

驱动脉冲提取电路用于提取驱动脉冲。

驱动脉冲发送电路用于根据同步时钟信号和驱动脉冲，生成IGBT驱动信号。

控制命令或控制数据存储器用于提取控制命令或控制数据，控制命令或控制数据包括但不限于IGBT驱动命令。

IGBT驱动控制电路用于根据IGBT驱动命令与IGBT驱动信号生成同步驱动信号，实现IGBT的同步驱动控制。

接收端还包括其他控制电路OLT，其他控制电路用于根据其他控制命令或控制数据实现接收端的其他功能控制。

上述曼彻斯特解码电路、驱动脉冲提取电路、驱动脉冲发送电路和控制命令或控制数据存储器，可采用集成的逻辑器件以硬件的方式实现，也可用单片机等程序控制器以软件的方式实现。优选地，为保证系统稳定可靠，均可采用逻辑器件实现，如采用CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)实现。

本实施例中，利用主时钟信号作为时钟源，对多个IGBT的驱动脉冲进行曼彻斯特编码并同时传输，多个接收端能从中恢复各自的驱动脉冲的特征，并解析出时钟，从而实现多个IGBT的同步驱动。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。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。

Claims (10)

1.一种高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法，其特征在于，其包括步骤：

主控端产生主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲，并进行曼彻斯特编码，形成携带主时钟信号的串行信号，然后发送至需要控制的接收端；所述控制命令或控制数据携带所述接收端的地址码；

接收端进行曼彻斯特解码，提取主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲；

以主时钟信号作为同步时钟信号，生成同步驱动信号下发给IGBT驱动器。

2.如权利要求1所述的高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法，其特征在于，所述进行曼彻斯特编码具体包括：

对所述驱动脉冲进行采样记录；

将所述控制命令或控制数据与采样后的驱动脉冲进行合并，得到合并数据；

对所述合并数据和主时钟信号进行异或运算或者异或非运算，生成曼彻斯特编码，即携带主时钟信号的编码信息。

3.如权利要求1所述的高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法，其特征在于：所述控制命令或控制数据包括但不限于所述IGBT驱动命令。

4.如权利要求3所述的高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法，其特征在于，所述以主时钟信号作为同步时钟信号，生成同步驱动信号下发给IGBT驱动器，具体包括：

以主时钟信号作为同步时钟信号，根据所述同步时钟信号和驱动脉冲，生成IGBT驱动信号；

根据所述IGBT驱动命令与IGBT驱动信号生成同步驱动信号，实现IGBT的同步驱动控制。

5.如权利要求1所述的高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法，其特征在于：所述主控端的低频振荡源产生的噪声源，经时主钟倍频电路产生所述主时钟信号。

6.如权利要求1所述的高压变频器多IGBT时钟同步驱动方法，其特征在于：所述接收端的低频振荡源产生的噪声源，经时从钟倍频电路产生从时钟信号。

7.一种实现权利要求1所述方法的高压变频器多IGBT时钟同步驱动系统，其特征在于，其包括：

一个主控端，其用于产生主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲，并进行曼彻斯特编码，形成携带主时钟信号的串行信号并发送；

多个接收端，其用于接收所述串行信号，并对其进行曼彻斯特解码，提取主时钟信号、控制命令或控制数据、以及驱动脉冲；所述接收端还用于以主时钟信号作为同步时钟信号，生成同步驱动信号下发给IGBT驱动器。

8.如权利要求7所述的高压变频器多IGBT时钟同步驱动系统，其特征在于，所述主控端包括：

主时钟倍频电路，其用于产生主时钟信号；

驱动脉冲产生电路，其用于产生IGBT的驱动脉冲；

数字化采样电路，其用于对所述驱动脉冲进行采样记录；

控制命令或控制数据电路，其用于发出控制命令或控制数据；所述控制命令或控制数据携带有对应接收端的地址码；

数据插入电路，其用于将所述控制命令或控制数据与采样后的驱动脉冲进行合并，得到合并数据；

曼彻斯特编码电路，其用于对所述合并数据进行曼彻斯特编码，得到携带主时钟信号的编码信息；

发送电路，其用于对所述编码信息进行串行化，并转换成光信号发送至接收端。

9.如权利要求8所述的高压变频器多IGBT时钟同步驱动系统，其特征在于，所述接收端包括：

从时钟倍频电路，其用于产生从时钟信号；

光电转换电路，用于将接收的光信号转换成电信号的编码信息；

曼彻斯特解码电路，其用于对所述编码信息进行解码，得到主时钟信号、驱动脉冲以及控制命令或控制数据；

同步时钟电路，用于提取出所述主时钟信号作为同步时钟信号；

驱动脉冲提取电路，其用于提取所述驱动脉冲；

驱动脉冲发送电路，其用于根据所述同步时钟信号和驱动脉冲，生成IGBT驱动信号；

控制命令或控制数据存储器，其用于提取所述控制命令或控制数据，所述控制命令或控制数据包括但不限于所述IGBT驱动命令；

IGBT驱动控制电路，其用于根据所述IGBT驱动命令与IGBT驱动信号生成同步驱动信号，实现IGBT的同步驱动控制。

10.如权利要求9所述的高压变频器多IGBT时钟同步驱动系统，其特征在于：所述接收端还包括其他控制电路，所述其他控制电路用于根据其他所述控制命令或控制数据实现接收端的其他功能控制。