CN112366932A - 一种可调硬件死区时间的igbt驱动死区和互锁电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路，解决现有软件控制死区和互锁可靠性差，硬件控制灵活性差的问题，本发明将软件与硬件结合，通过处理器设定死区时间，并且使处理器根据IGBT节温和输出电流大小调节硬件死区时间，以便提高控制性能，在处理器未设定或设定失效时会有一个较大的死区时间默认值，确保在任何状态下均存在一个有效的死区时间，使得IGBT正常工作。本发明相比软件调节死区时间更加安全可靠，可与软件死区相结合使用，系统会按软件或硬件死区较大值执行死区设定；在保证可靠性的情况下提供一种灵活的调节方式。
Description
技术领域
本发明属于电能质量装置的IGBT驱动控制技术领域，具体涉及一种可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路。
背景技术
电能质量模块(包括SVG静止无功发送器和APF有源电力滤波器)大多数采用IGBT作为开关器件，并且一个桥臂的IGBT需要一段死区时间以保证桥臂不会直通。目前，电能质量模块在驱动信号死区和互锁时往往采用软件的方法或者硬件固定死区的方法。软件死区和互锁控制较为方便灵活，但由于是软件控制，可靠性没有硬件的高，而硬件死区和互锁控制的死区时间是固定的，虽然也能通过和软件结合的方式调节系统的死区时间，但只能往大调，并不灵活，并且调大死区时间系统的性能只会变的更差。IGBT驱动死区时间越小系统性能越好，但太小会导致直通，增加损耗甚至会导致炸机。
因此，需要研发一种新的死区和互锁控制的方案。
发明内容
本发明的目的在于解决现有软件控制死区和互锁可靠性差，硬件控制灵活性差的不足之处，而提供了一种可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路，其特殊之处在于，设置在处理器和IGBT驱动芯片之间；所述处理器根据IGBT节温和输出电流大小实时调节硬件死区时间；最小死区时间和IGBT节温和输出电流的大小有很大的关系，故处理器可根据IGBT节温和输出电流的大小调节死区时间，该调节属于软件调节，根据IGBT厂家给的对应关系和实验数据调节进行调节。
包括死区时间设定电路、第一死区时间产生电路、第二死区时间产生电路，第一驱动信号互锁电路以及第二驱动信号互锁电路；
所述处理器的死区时间设定信号输出端与死区时间设定电路的输入端连接，所述死区时间设定电路的输出端同时与第一死区时间产生电路和第二死区时间产生电路的一个输入端连接；其中，死区时间设定电路用于产生一个直流电压以控制死区产生电路所产生的死区时间，确保在处理器软件未设定死区时间或软件设定死区时间失效时，仍存在一个死区时间默认值；所述死区时间默认值为所有工况下所需的最大死区时间，即满足最坏情况下的死区时间；
所述处理器的第一驱动信号输出端与第二死区时间产生电路另一输入端以及第一驱动信号互锁电路的一个输入端连接；处理器的第二驱动信号输出端与第一死区时间产生电路另一输入端以及第二驱动信号互锁电路的一个输入端连接；且第一死区时间产生电路的输出端与第一驱动信号互锁电路的另一输入端连接，第二死区时间产生电路的输出端与第二驱动信号互锁电路的另一输入端连接；两个驱动信号互锁电路的输出端输出两个驱动信号，分别与所述IGBT驱动芯片的输入端(即IGBT驱动芯片驱动电路的输入端)连接；其中，两个驱动信号互锁电路用于防止输出的两个驱动信号同时有效。
进一步地，为了使电路更加可靠，还包括电源电压监控电路、第一输出缓冲器和第二输出缓冲器；电源电压监控电路对供电电源电压进行监控，当电压跌落时会封锁输出缓冲器，保证电源电压不正常时IGBT驱动芯片不会误动作而误发波；上电时会延时一段时间再解除输出缓冲器的封锁信号，保证IGBT驱动芯片在复位期间驱动信号是无效的，以保证上电时不会因为处理器控制芯片或驱动信号互锁电路逻辑芯片输出引脚的不确定性而导致误发波，仅使用纯硬件的驱动信号互锁电路逻辑芯片，外围电路也尽量精简，以减少故障点。
第一驱动信号互锁电路和第二驱动信号互锁电路分别通过第一输出缓冲器和第二输出缓冲器与所述IGBT驱动芯片的输入连接；
所述电源电压监控电路的输出同时与第一输出缓冲器以及第二输出缓冲器的使能端连接。
进一步地，所述死区时间设定电路包括下拉电阻R31、第一滤波电阻R32、第二滤波电阻R33、第一滤波电容C31、第二滤波电容C32、滤波运放D31、第一反馈电阻R34、第二反馈电阻R35、第一整流二极管VD31、第二整流二极管VD32、直流支撑电容C33；
所述下拉电阻R31一端接处理器的死区时间设定信号，另一端接地；第一滤波电阻R32一端接处理器的死区时间设定信号，另一端同时接第二滤波电阻R33和第二滤波电容C32一端；第二滤波电阻R33另一端同时接第一滤波电容C31一端以及滤波运放D31同相输入端；第一滤波电容C31另一端接地；第二滤波电容C32另一端同时接滤波运放D31输出端和第二整流二极管VD32阳极；第一反馈电阻R34一端同时接第二反馈电阻R35一端和滤波运放D31反相输入端，另一端接地；第二反馈电阻R35另一端接滤波运放D31输出端；第一整流二极管VD31阳极接内部电源VCC1；直流支撑电容C33一端同时接第一整流二极管VD31阴极和第二整流二极管VD32阴极，另一端接地。
进一步地，所述第一死区时间产生电路包括第一限流电阻R11、第一分流电阻R12、第三滤波电容C11、三极管Q11、第三滤波电阻R13、第四滤波电容C12以及第四滤波电阻R14；
所述第一限流电阻R11一端接第二驱动信号、另一端接三极管Q11基极；第一分流电阻R12一端接三极管Q11基极，另一端接地；第三滤波电容C11一端接三极管Q11基极，另一端接地；三极管Q11发射极接地，集电极接第三滤波电阻R13的一端；第三滤波电阻R13另一端接第四滤波电容C12的一端和第四滤波电阻R14的一端；第四滤波电容C12另一端接地；第四滤波电阻R14另一端接直流支撑电容C33的一端；
所述第二死区时间产生电路与第一死区时间产生电路结构相同。
进一步地，所述第一驱动信号互锁电路包括第一与非门D11和第一非门D12；所述第一与非门D11的两个输入端分别与第一死区产生电路的第四滤波电容C12以及处理器的第一驱动信号输出端连接，第一与非门D11的输出端与第一非门D12的输入端连接，第一非门D12的输出端与所述第一输出缓冲器的输入端连接；
所述第二驱动信号互锁电路与第一驱动信号互锁电路结构相同。
进一步地，所述第一输出缓冲器和第二输出缓冲器均采用三态缓冲器，分别为第一三态缓冲器D13、第二三态缓冲器D23。
进一步地，所述电源电压监控电路包括时间常数调节二极管VD41、第五滤波电阻R41、第五滤波电容C41以及第三非门D41；
所述时间常数调节二极管VD41阴极和第五滤波电阻R41的一端均接内部电源VCC；第五滤波电阻R41的另一端同时接时间常数调节二极管VD41的阳极、第五滤波电容C41的一端、以及第三非门D41输入端；第五滤波电容C41的另一端接地；第三非门D41的输出端同时接第一三态缓冲器D13及第二三态缓冲器D23使能端。
进一步地，为了提升抗干扰能力，所述IGBT驱动芯片为电流型IGBT驱动芯片。
进一步地，为了实现成本最优且同时容易实现，所述处理器中采用通用的逻辑芯片。
本发明的优点是：
本发明将软件与硬件结合，通过处理器设定死区时间，并且使处理器根据IGBT节温和输出电流大小调节硬件死区时间，以便提高控制性能，在处理器未设定或设定失效时会有一个较大的死区时间默认值，确保在任何状态下均存在一个有效的死区时间，使得IGBT正常工作。本发明相比软件调节死区时间更加安全可靠，可与软件死区相结合使用，系统会按软件或硬件死区较大值执行死区设定；在保证可靠性的情况下提供一种灵活的调节方式。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明实施例的电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
如图1和图2所示，可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路设置在处理器和IGBT驱动芯片之间；处理器可根据IGBT节温和输出电流大小实时调节硬件死区时间；该电路包括死区时间设定电路、第一死区时间产生电路、第二死区时间产生电路，第一驱动信号互锁电路、第二驱动信号互锁电路、电源电压监控电路以及第一输出缓冲器、第二输出缓冲器。
其中，死区时间设定电路产生一个直流电压以控制死区时间，本实施例中采用sallen-key二阶滤波器，包括下拉电阻R31、第一滤波电阻R32、第二滤波电阻R33、第一滤波电容C31、第二滤波电容C32、滤波运放D31、第一反馈电阻R34、第二反馈电阻R35、第一整流二极管VD31、第二整流二极管VD32以及直流支撑电容C33；下拉电阻R31一端接处理器的死区时间设定信号，另一端接地；第一滤波电阻R32一端接处理器的死区时间设定信号，另一端接第二滤波电阻R33和第二滤波电容C32；第二滤波电阻R33一端接第一滤波电阻R32和第二滤波电容C32，另一端接第一滤波电容C31和滤波运放D31同相输入端；第一滤波电容C31一端接第二滤波电阻R33和滤波运放D31同相输入端，另一端接地；第二滤波电容C32一端接第一滤波电阻R32和第二滤波电阻R33，另一端接滤波运放D31输出端和第二整流二极管VD32阳极；第一反馈电阻R34一端接第二反馈电阻R35和滤波运放D31反相输入端，另一端接地。第二反馈电阻R35一端接第一反馈电阻R34和滤波运放D31反相输入端，另一端接滤波运放D31输出端和第二整流二极管VD32阳极；第二整流二极管VD32阳极还接软件设定的直流电压Vdc1；第一整流二极管VD31阳极接内部电源VCC1，阴极接第二整流二极管VD32阴极和直流支撑电容C33；第二整流二极管VD32阳极滤波运放D31输出端，阴极接第一整流二极管VD31阴极和直流支撑电容C33。直流支撑电容C33一端接第一整流二极管VD31阴极和第二整流二极管VD32阴极，另一端接地。死区时间设定电路由处理器通过发出一个PWM信号来产生一个可调的直流控制电压，该直流控制电压会改变死区产生电路所产生的死区时间。为了保证可靠，当软件设定在处理器未设定死区时间或死区时间设定失效时会有一个较大的死区时间默认值，该功能通过使用内部电源VCC1来实现，当sallen-key二阶滤波器产生的直流电压低于VCC1时，由于整流二极管VD31和VD32的存在，输出到死区时间产生电路的直流控制电压为VCC1减去VD31的管压降。当sallen-key二阶滤波器产生的直流电压大于VCC1时，输出到死区时间产生电路的直流控制电压Vdc为软件设定的直流电压Vdc1减去VD32的管压降，此时由软件设定死区时间。处理器可以根据IGBT节温和输出电流大小实时调节硬件死区时间，提高控制性能；IGBT所需要的死区时间在电流最小的时候关断延时最大，此时需要的死区时间最长，在节温高的时候，关断延时变大，此时需要的死区时间加长；故可以在电流最小节温最高时推算出最大死区时间，并作为默认死区时间。在电流最大节温最低时推算出最小死区时间，作为二阶滤波可以输出的最大控制电压对应的死区时间。
第一死区时间产生电路包括第一限流电阻R11、第一分流电阻R12、第三滤波电容C11、三极管Q11、第三滤波电阻R13、第四滤波电容C12以及第四滤波电阻R14。第一限流电阻R11一端接处理器的驱动信号PWM2in输入、另一端接三极管Q11基极；第一分流电阻R12一端接三极管Q11基极，另一端接地；第三滤波电容C11一端接三极管Q11基极，另一端接地；三极管Q11基极接第一限流电阻R11、第一分流电阻R12和第三滤波电容C11，发射极接地，集电极接第三滤波电阻R13；第三滤波电阻R13一端接三极管Q11集电极，另一端接第四滤波电容C12和第四滤波电阻R14；第四滤波电容C12一端接第三滤波电阻R13和第四滤波电阻R14，另一端接地。第四滤波电阻R14一端接第三滤波电阻R13和第四滤波电容C12，另一端接直流支撑电容C33。第三滤波电阻R13设置阻值较小，以保证快速互锁；第四滤波电阻R14阻值较大，为死区时间产出滤波电阻。当互锁的驱动信号PWM2in有效时(本发明以高电平为例)，三极管Q11饱和导通，第四滤波电容C12通过第三滤波电阻R13快速放电，产生互锁信号(低电平)到第一与非门D11输入端，此时不管驱动信号PWM1in是什么电平，第一与非门D11输出均为高电平，即第一与非门D11输出不响应PWM1in信号。当互锁的驱动信号PWM2in无效时(低电平)，三极管Q11截止，第四滤波电容C12通过第四滤波电阻R14充电，充电电压为死区时间设定电路产生的直流控制电压Vdc，电压越高充电速度越快，死区时间越短，电压越低充电速度越慢，死区时间越长，调节死区时间设定电路产生的直流控制电压Vdc即可调节硬件死区时间。当第三滤波电容C11上的电压超过第一与非门D11高电平输入阈值VT+时，互锁结束，第一与非门D11的输出状态跟随PWM1in的输入，这段时间即为设定的死区时间。死区时间的计算公式如下：
式中，Td：设定死区时间；
R14：第四滤波电阻；
C12：第四滤波电容；
Vdc：死区时间设定电路产生的直流控制电压；
VT+：第一与非门D11(施密特输入)高电平输入阈值；
第二死区时间产生电路与第一死区时间产生电路相同，包括第一限流电阻R21、第一分流电阻R22、第三滤波电容C21、三极管Q21、第三滤波电阻R23、第四滤波电容C12以及第四滤波电阻R24，在此不再赘述。
第一驱动信号互锁电路包括第一与非门D11和第一非门D12；所述第一与非门D11的两个输入端分别与第一死区产生电路的第四滤波电容C12以及处理器的第一驱动信号输出端连接，第一与非门D11的输出端与第一非门D12的输入端连接，第一非门D12的输出端与其中一个所述输出缓冲器的输入端连接；第二驱动信号互锁电路与第一驱动信号互锁电路相同。当互锁的驱动信号PWM2in有效时，经过死区时间产生电路输出低电平，第一与非门D11输出为无效(高电平)，经第一非门D12反相后为低电平，即无效状态的驱动信号，此时即使PWM1in为有效状态(高电平)，其输出均为无效状态，达到驱动信号互锁的目的。
第一输出缓冲器和第二输出缓冲器均采用三态缓冲器，分别为第一三态缓冲器D13、第二三态缓冲器D23。三态缓冲器可以增加电路驱动能力(可达24mA以上)，可直接驱动电流型输入的器件，如驱动光耦等。
电源电压监控电路包括时间常数调节二极管VD41、第五滤波电阻R41、第五滤波电容C41以及第三非门D41；时间常数调节二极管VD41阴极接内部电源VCC，阳极接第五滤波电阻R41、第五滤波电容C41和第三非门D41输入端；第五滤波电阻R41接内部电源VCC，另一端接第三非门D41输入端；第五滤波电容C41一端接第三非门D41输入端，另一端接地；第三非门D41输入端接时间常数调节二极管VD41、第五滤波电阻R41、第五滤波电容C41器使能端；当刚上电时，第五滤波电容C41没有电压，第三非门D41输出高电平，封锁三态缓冲器，三态缓冲器输出高阻，不论驱动信号是否有效，均可保证后级驱动不会误动作；当第五滤波电容C41充电到第三非门D41高电平阈值后，第三非门D41输出低，解除三态缓冲器封锁；当电源电压下降时，第五滤波电容C41通过时间常数调节二极管VD41和第五滤波电阻R41快速放电到电源电压，当第五滤波电容C41低于第三非门D41低电平阈值，第三非门D41高电平阈值输出高，封锁三态缓冲器。
综上，本发明提供的位于处理器与IGBT驱动芯片之间的硬件死区设置和互锁电路，当需要互锁的两个驱动信号一个有效时(本发明以高有效为例做说明)，会立即使对应的另一个驱动信号处于无效状态。当该信号无效后延时设定的死区时间后，解除对另一个驱动信号的封锁。本发明输出级使用三态缓冲器，输出电流可显著增加(可达24mA以上)，可以直接驱动电流型IGBT驱动芯片(当然根据实际情况，也可选用电压型IGBT驱动芯片)，并对供电电源电压进行监控，当电压跌落时会封锁输出缓冲器，保证电源电压不正常时芯片不会误动作而误发波；上电时会延时一段时间再解除三态缓冲器的封锁信号，保证控制芯片在复位期间驱动信号是无效的，以确保上电时不会因为控制芯片或逻辑芯片输出引脚的不确定性而导致误发波。该电路用于IGBT驱动电路中，尤其是电能质量装置的IGBT驱动电路中。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路，其特征在于：设置在处理器和IGBT驱动芯片之间；所述处理器根据IGBT节温和输出电流大小实时调节硬件死区时间；
包括死区时间设定电路、第一死区时间产生电路、第二死区时间产生电路，第一驱动信号互锁电路以及第二驱动信号互锁电路；
所述处理器的死区时间设定信号输出端与死区时间设定电路的输入端连接，所述死区时间设定电路的输出端同时与第一死区时间产生电路和第二死区时间产生电路的一个输入端连接；其中，死区时间设定电路用于产生一个直流电压以控制死区产生电路所产生的死区时间，确保在处理器软件未设定死区时间或软件设定死区时间失效时，仍存在一个死区时间默认值；所述死区时间默认值为所有工况下所需的最大死区时间；
所述处理器的第一驱动信号输出端与第二死区时间产生电路另一输入端以及第一驱动信号互锁电路的一个输入端连接；处理器的第二驱动信号输出端与第一死区时间产生电路另一输入端以及第二驱动信号互锁电路的一个输入端连接；且第一死区时间产生电路的输出端与第一驱动信号互锁电路的另一输入端连接，第二死区时间产生电路的输出端与第二驱动信号互锁电路的另一输入端连接；两个驱动信号互锁电路的输出端输出两个驱动信号，分别与所述IGBT驱动芯片的两个输入端电连；其中，两个驱动信号互锁电路用于防止输出的两个驱动信号同时有效。
2.根据权利要求1所述的可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路，其特征在于：还包括电源电压监控电路、第一输出缓冲器和第二输出缓冲器，用于确保供电电源电压不正常时，IGBT驱动芯片不会误动作而误发波；
第一驱动信号互锁电路和第二驱动信号互锁电路分别通过第一输出缓冲器和第二输出缓冲器与所述IGBT驱动芯片的两个输入端连接；
所述电源电压监控电路的输出同时与第一输出缓冲器以及第二输出缓冲器的使能端连接。
3.根据权利要求2所述的可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路，其特征在于：
所述死区时间设定电路包括下拉电阻R31、第一滤波电阻R32、第二滤波电阻R33、第一滤波电容C31、第二滤波电容C32、滤波运放D31、第一反馈电阻R34、第二反馈电阻R35、第一整流二极管VD31、第二整流二极管VD32、直流支撑电容C33；
所述下拉电阻R31一端接处理器的死区时间设定信号，另一端接地；第一滤波电阻R32一端接处理器的死区时间设定信号，另一端同时接第二滤波电阻R33和第二滤波电容C32一端；第二滤波电阻R33另一端同时接第一滤波电容C31一端以及滤波运放D31同相输入端；第一滤波电容C31另一端接地；第二滤波电容C32另一端同时接滤波运放D31输出端和第二整流二极管VD32阳极；第一反馈电阻R34一端同时接第二反馈电阻R35一端和滤波运放D31反相输入端，另一端接地；第二反馈电阻R35另一端接滤波运放D31输出端；第一整流二极管VD31阳极接内部电源VCC1；直流支撑电容C33一端同时接第一整流二极管VD31阴极和第二整流二极管VD32阴极，另一端接地。
4.根据权利要求3所述的可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路，其特征在于：
所述第一死区时间产生电路包括第一限流电阻R11、第一分流电阻R12、第三滤波电容C11、三极管Q11、第三滤波电阻R13、第四滤波电容C12以及第四滤波电阻R14；
所述第一限流电阻R11一端接第二驱动信号、另一端接三极管Q11基极；第一分流电阻R12一端接三极管Q11基极，另一端接地；第三滤波电容C11一端接三极管Q11基极，另一端接地；三极管Q11发射极接地，集电极接第三滤波电阻R13的一端；第三滤波电阻R13另一端接第四滤波电容C12的一端和第四滤波电阻R14的一端；第四滤波电容C12另一端接地；第四滤波电阻R14另一端接直流支撑电容C33的一端；
所述第二死区时间产生电路与第一死区时间产生电路结构相同。
5.根据权利要求4所述的可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路，其特征在于：
所述第一驱动信号互锁电路包括第一与非门D11和第一非门D12；所述第一与非门D11的两个输入端分别与第一死区产生电路的第四滤波电容C12以及处理器的第一驱动信号输出端连接，第一与非门D11的输出端与第一非门D12的输入端连接，第一非门D12的输出端与所述第一输出缓冲器的输入端连接；
所述第二驱动信号互锁电路与第一驱动信号互锁电路结构相同。
6.根据权利要求5所述的可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路，其特征在于：
所述第一输出缓冲器和第二输出缓冲器均采用三态缓冲器，分别为第一三态缓冲器D13、第二三态缓冲器D23。
7.根据权利要求6所述的可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路，其特征在于：
所述电源电压监控电路包括时间常数调节二极管VD41、第五滤波电阻R41、第五滤波电容C41以及第三非门D41；
所述时间常数调节二极管VD41阴极和第五滤波电阻R41的一端均接内部电源VCC；第五滤波电阻R41的另一端同时接时间常数调节二极管VD41的阳极、第五滤波电容C41的一端、以及第三非门D41输入端；第五滤波电容C41的另一端接地；第三非门D41的输出端同时接第一三态缓冲器D13及第二三态缓冲器D23使能端。
8.根据权利要求7所述的可调硬件死区时间的IGBT驱动死区和互锁电路，其特征在于：
所述IGBT驱动芯片为电流型IGBT驱动芯片。
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