CN206077347U - 数字型igbt控制及驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为数字型IGBT控制及驱动装置，辅助电源单元的第一和第二电源信号输出端分别连接数字信号处理器的内核供电端口和外设供电口，第二电源信号输出端还分别连接与门U1的供电端和双向电平转换芯片U2的输入供电端，第三电源信号输出端连接双向电平转换芯片U2的输出供电端，第四电源信号输出端连接隔离驱动单元的供电端；辅助电源监控单元的监控端连接辅助电源单元的第二电源信号输出端，辅助电源监控单元的监控结果输出端分别连接数字信号处理器的复位端和与门U1的第一与信号输入端。本实用新型提高了IGBT驱动的可靠性。

Description

数字型IGBT控制及驱动装置

技术领域

本实用新型涉及绝缘栅双极晶体管技术领域，具体涉及一种数字型IGBT控制及驱动装置。

背景技术

绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是由BJT(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)和MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)组合而成的新型复合电压控制型电力电子器件。自20世纪80年代中期出现以来，广泛地应用于电机控制、变频器和逆变电源等以及要求快速、低损耗的领域，它兼有MOSFET和GTR(GiantTransistor，电力晶体管)的优点，输入阻抗高、响应速度快、通态压降小、耐高压、承受大电流等。由于是电压控制型器件,只要控制IGBT栅极的电压就可以控制其开通和关断,并且开通的时候维持比较低的通态压降V_CE(sat)。IGBT的安全工作区和其开关特性随驱动电路的改变而改变,因此设计合理的驱动电路是其正常工作的重要保证。IGBT对驱动电路有以下基本的要求：动态驱动能力强，能为IGBT栅源极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲；开通时能向IGBT提供合适的正向栅源电压,关断的时候可以提供足够的反向关断栅压；必须有足够的输入输出电隔离能力，隔离驱动电路和主回路；输入输出信号传输延迟小；出现短路、过流的情况下，能迅速发出过流保护信号，供控制电路进行处理。一套性能良好的驱动电路，可以使电力电子器件工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性、安全性都有重要意义。

数字PWM(脉冲宽度调制，Pulse Width Modulation)技术以其控制灵活性、高效节能等优势被广泛的用于通信系统、数字电源、数字音频系统等领域，它克服了模拟调制中的稳定性和抗干扰能力的不足，实现了调制过程的全数字化，有利于参数整定和变参数调节，以及各种保护功能的实现，提高了控制的可靠性和精度，实现了控制的灵活性。

但数字型的IGBT控制及驱动电路中存在：1、当电源开机、关机或非正常掉电时PWM容易出现无序控制，使输入到IGBT的PWM驱动信号出现异常，例如一个当全桥电路上下IGBT的驱动信号同时为高时会造成IGBT损坏；2、当流过IGBT的电流出现过流或者短路时，IGBT驱动电路不能及时反应，容易造成IGBT的损坏。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种数字型IGBT控制及驱动装置，该装置具有很高的可靠性和长时间的使用寿命，栅极驱动电流高达±15A，适用于1200V和1700V耐压的IGBT。同时该装置增加了控制电路辅助电源和驱动供电电源的监控，保证了整个电路在电源开机、关机及非正常掉电时对后级IGBT造成不必要的危害，提高驱动电路的可靠性。此外，本数字型IGBT控制及驱动装置对过流保护和短路保护具有快速反应，并将IGBT的状态信息实时发送给数字控制器。

为实现上述目的，本实用新型公开的一种数字型IGBT控制及驱动装置，其特征在于：它包括数字信号处理器、脉冲宽度调制处理单元、隔离驱动单元、模拟量采样单元、辅助电源单元和辅助电源监控单元，其中，脉冲宽度调制处理单元包括与门U1和双向电平转换芯片U2，所述辅助电源单元的第一电源信号输出端和第二电源信号输出端分别连接数字信号处理器的内核供电端口和外设供电端口，辅助电源单元的第二电源信号输出端还分别连接与门U1的供电端和双向电平转换芯片U2的输入供电端，辅助电源单元的第三电源信号输出端连接双向电平转换芯片U2的输出供电端，辅助电源单元的第四电源信号输出端连接隔离驱动单元的供电端；

所述辅助电源监控单元的监控端连接辅助电源单元的第二电源信号输出端，辅助电源监控单元的监控结果输出端分别连接数字信号处理器的复位端和与门U1的第一与信号输入端；

所述模拟量采样单元的采样信号输出端连接数字信号处理器的模数转换信号输入端，数字信号处理器的信号输出端连接与门U1的第二信号输入端，与门U1的信号输出端连接双向电平转换芯片U2的电平信号输入端，双向电平转换芯片U2的电平信号输出端连接隔离驱动单元的驱动信号输入端，所述隔离驱动单元的输出端连接绝缘栅双极晶体管的驱动端。

本实用新型的有益效果：

本实用新型在保证IGBT驱动电路特有的隔离、大驱动能力的前提下装置增加了控制电路辅助电源和驱动供电电源的监控，保证了整个电路在电源开机、关机及非正常掉电时不会对后级IGBT造成不必要的危害，提高了驱动电路的可靠性。此外，本实用新型对过流保护和短路保护具有快速反应，使本实用新型具有较高的可靠性和较高的效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型中隔离驱动单元的结构框图。

其中，1—数字信号处理器、2—脉冲宽度调制处理单元、3—隔离驱动单元、3.1—隔离驱动芯片、4—模拟量采样单元、4.1—输出电压采样模块、4.2—输出电流采样模块、5—辅助电源单元、6—辅助电源监控单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

本实用新型的数字型IGBT控制及驱动装置，它包括数字信号处理器1(选择型号为TMS320F28335的处理器)、脉冲宽度调制处理单元2、隔离驱动单元3、模拟量采样单元4、辅助电源单元5和辅助电源监控单元6，其中，脉冲宽度调制处理单元2包括与门U1和双向电平转换芯片U2，所述辅助电源单元5的第一电源信号输出端(提供1.9V电源)和第二电源信号输出端(提供3.3V电源)分别连接数字信号处理器1的内核供电端口(1.9V)和外设供电端口(3.3V)，辅助电源单元5的第二电源信号输出端还分别连接与门U1的供电端和双向电平转换芯片U2的输入供电端，辅助电源单元5的第三电源信号输出端(5v)连接双向电平转换芯片U2的输出供电端，辅助电源单元5的第四电源信号(15V)输出端连接隔离驱动单元3的供电端；

所述辅助电源监控单元6的监控端连接辅助电源单元5的第二电源信号输出端，辅助电源监控单元6的监控结果输出端分别连接数字信号处理器1的复位端和与门U1的第一与信号输入端，隔离驱动单元3自带电源监控功能，当辅助电源单元5的第四电源信号电压低于监控电压时隔离驱动模块3会自带关闭驱动信号；

所述模拟量采样单元4的采样信号输出端连接数字信号处理器1的模数转换信号输入端，数字信号处理器1的信号输出端连接与门U1的第二信号输入端，与门U1的信号输出端连接双向电平转换芯片U2的电平信号输入端，双向电平转换芯片U2的电平信号输出端连接隔离驱动单元3的驱动信号输入端，所述隔离驱动单元3的输出端连接绝缘栅双极晶体管的驱动端。

上述技术方案中，辅助电源监控单元6监控数字信号处理器1和与门U1的供电电压(3.3V)，当数字信号处理器1或与门U1的供电电压低于2.93V时，辅助电源监控单元6会产生一个低电平用于封锁与门U1输出的PWM信号。

上述技术方案中，所述辅助电源单元5包括隔离电源模块U3和电源芯片U4，其中，隔离电源模块U3的两个电源信号输出端分别为辅助电源单元5的第三电源信号输出端和第四电源信号输出端，所述电源芯片U4的两个电源信号输出端分别为辅助电源单元5的第一电源信号输出端和第二电源信号输出端，所述隔离电源模块U3给电源芯片U4供电(5V)。

上述技术方案中，所述模拟量采样单元4包括输出电压采样模块4.1和输出电流采样模块4.2，所述输出电压采样模块4.1和输出电流采样模块4.2的信号输出端分别连接数字信号处理器1的模数转换信号输入端。

上述技术方案中，所述隔离驱动单元3包括隔离驱动芯片3.1(型号为2SD315AI)、电容C、电阻R1～电阻R6、二极管V1、二极管V2、二极管V3、双向稳压的二极管V4、稳压二极管V5，其中，隔离驱动芯片3.1的供电端VDC和模式选择输入端MOD均连接隔离电源模块U3的第一个电源信号输出端，隔离驱动芯片3.1的状态通信端SO1通过电阻R2连接隔离电源模块U3的第一个电源信号输出端，隔离驱动芯片3.1的逻辑电平选择端VL通过电阻R5连接隔离电源模块U3的第一个电源信号输出端，稳压二极管V5的负极连接隔离驱动芯片3.1的逻辑电平选择端VL，稳压二极管V5的正极接地，隔离驱动芯片3.1的外接RC生成死区时间管脚RC1接地，隔离驱动芯片3.1的PWM信号输入端InA连接双向电平转换芯片U2的电平信号通信端；

隔离驱动芯片3.1的绝缘栅双极晶体管集电极采样端C1与绝缘栅双极晶体管的集电极之间串联电阻R1、二极管V1和二极管V2，二极管V2的负极连接绝缘栅双极晶体管的集电极，二极管V1的负极连接二极管V2的正极，隔离驱动芯片3.1的公共地接口COM1通过电容C连接绝缘栅双极晶体管集电极采样端C1，隔离驱动芯片3.1的保护参考电阻端Rth1连接电阻R6的一端，隔离驱动芯片3.1的驱动电路发射极E1连接绝缘栅双极晶体管的发射极，电阻R6的另一端连接隔离驱动芯片3.1的驱动电路发射极E1，隔离驱动芯片3.1的驱动电路栅极G1连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接绝缘栅双极晶体管的栅极，双向稳压的二极管V4(稳压值为18V)的两端分别连接绝缘栅双极晶体管的栅极和发射极，二极管V3的负极连接隔离驱动芯片3.1的驱动电路栅极G1，电阻R3的一端连接二极管V3的正极，电阻R3的另一端连接绝缘栅双极晶体管的栅极。

当驱动为高时，绝缘栅双极晶体管导通，驱动电流通过电阻R4流入绝缘栅双极晶体管；当驱动为低时，绝缘栅双极晶体管关断，二级管V3导通，驱动电流通过电阻R3和电阻R4并联后流入隔离驱动芯片3.1，提高了关断时间。

上述技术方案中，当隔离驱动芯片3.1的模式选择输入端MOD为15V时，隔离驱动芯片3.1的外接RC生成死区时间管脚RC1接地，隔离驱动单元3为直接驱动模式，即双向电平转换芯片U2输出5V的PWM信号，经过隔离驱动单元3产生±15V的PWM，隔离驱动模块3.1的逻辑电平选择端VL用于识别双向电平转换芯片U2输出的PWM信号为高电平还是低电平。

上述技术方案中，所述隔离电源模块U3的第二个电源信号输出端向双向电平转换芯片U2提供5V的电源信号；

隔离电源模块U3的第一个电源信号输出端向隔离驱动芯片3.1提供15V的电源信号。

本实用新型的工作过程为：当电源上电后，隔离电源模块U3的第一个电源信号输出端(5V)和第二个电源信号输出端(15V)先上电，隔离驱动单元3具有供电电压监控功能，当电压低于11.5V时，隔离驱动单元3输出为低，IGBT不工作，同时辅助电源监控单元6实时监测数字信号处理器1的供电电压，当电压低于2.93V时，辅助电源监控单元6输出“低”信号与数字信号处理器1输出的PWM信号在与门U1中进行“与”操作，此时与门U1输出为低，这样双重的电源监控保证电源上电过程中IGBT不会出现误导通，提高可靠性；当电源上电完成后，辅助电源监控模块6输出为“高”，IGBT控制及驱动装置开始工作，数字信号处理器1通过模拟量采样单元4实时采集DC/DC变换器或者逆变器的的输出电压和输出电流值，进行PI运算(比例P、积分I)，调节PWM的占空比来进行输出电压控制，数字信号处理器1输出的3.3VPWM信号通过门U1与辅助电源监控单元6输出的监控信号(“高”或“低”电平)信号进行与操作，然后通过双向电平转换芯片U2进行电平转换(5V)后送入隔离驱动单元3，隔离驱动单元3产生±15V的PWM信号进入IGBT的栅源极。当DC/DC变换器或逆变器中电源系统关机或非正常关机，隔离驱动单元3电压低于11.5V时，隔离驱动关闭，输出为低，IGBT关断，同时辅助电源单元5的第二电源电压低于2.93V时与门U1封锁PWM的输出，双重关闭可以可靠的关闭IGBT，保护其不受损害。当流过IGBT的集电极电流超过设定值或者短路时，隔离电源模块U3会迅速的关断PWM的输出，并将状态反馈信号(5V)通过双向电平转换芯片U2送给数字信号处理器1，数字信号处理器1会将反馈的过流或短路信号进行存储并反馈给上位机，便于故障信号的实时监测。

本专利在保证IGBT驱动电路特有的高电气隔离和大的驱动能力前提下，增加了对控制电路中辅助电源的监控，保证了系统在开机和关机时可以有序的关断PWM，使其不对后级的IGBT造成不必要的危害，提高驱动电路的可靠性。此外，本IGBT控制及驱动装置可以对过流保护和短路保护快速反应，使本装置更加可靠。

本说明书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 (5)

1.一种数字型IGBT控制及驱动装置，其特征在于：它包括数字信号处理器(1)、脉冲宽度调制处理单元(2)、隔离驱动单元(3)、模拟量采样单元(4)、辅助电源单元(5)和辅助电源监控单元(6)，其中，脉冲宽度调制处理单元(2)包括与门U1和双向电平转换芯片U2，所述辅助电源单元(5)的第一电源信号输出端和第二电源信号输出端分别连接数字信号处理器(1)的内核供电端口和外设供电端口，辅助电源单元(5)的第二电源信号输出端还分别连接与门U1的供电端和双向电平转换芯片U2的输入供电端，辅助电源单元(5)的第三电源信号输出端连接双向电平转换芯片U2的输出供电端，辅助电源单元(5)的第四电源信号输出端连接隔离驱动单元(3)的供电端；

所述辅助电源监控单元(6)的监控端连接辅助电源单元(5)的第二电源信号输出端，辅助电源监控单元(6)的监控结果输出端分别连接数字信号处理器(1)的复位端和与门U1的第一与信号输入端；

所述模拟量采样单元(4)的采样信号输出端连接数字信号处理器(1)的模数转换信号输入端，数字信号处理器(1)的信号输出端连接与门U1的第二信号输入端，与门U1的信号输出端连接双向电平转换芯片U2的电平信号输入端，双向电平转换芯片U2的电平信号输出端连接隔离驱动单元(3)的驱动信号输入端，所述隔离驱动单元(3)的输出端连接绝缘栅双极晶体管的驱动端。

2.根据权利要求1所述的数字型IGBT控制及驱动装置，其特征在于：所述辅助电源单元(5)包括隔离电源模块U3和电源芯片U4，其中，隔离电源模块U3的两个电源信号输出端分别为辅助电源单元(5)的第三电源信号输出端和第四电源信号输出端，所述电源芯片U4的两个电源信号输出端分别为辅助电源单元(5)的第一电源信号输出端和第二电源信号输出端，所述隔离电源模块U3给电源芯片U4供电。

3.根据权利要求1所述的数字型IGBT控制及驱动装置，其特征在于：所述模拟量采样单元(4)包括输出电压采样模块(4.1)和输出电流采样模块(4.2)，所述输出电压采样模块(4.1)和输出电流采样模块(4.2)的信号输出端分别连接数字信号处理器(1)的模数转换信号输入端。

4.根据权利要求1所述的数字型IGBT控制及驱动装置，其特征在于：所述隔离驱动单元(3)包括隔离驱动芯片(3.1)、电容C、电阻R1～电阻R6、二极管V1、二极管V2、二极管V3、双向稳压的二极管V4、稳压二极管V5，其中，隔离驱动芯片(3.1)的供电端VDC和模式选择输入端MOD均连接隔离电源模块U3的第一个电源信号输出端，隔离驱动芯片(3.1)的状态通信端SO1通过电阻R2连接隔离电源模块U3的第一个电源信号输出端，隔离驱动芯片(3.1)的逻辑电平选择端VL通过电阻R5连接隔离电源模块U3的第一个电源信号输出端，稳压二极管V5的负极连接隔离驱动芯片(3.1)的逻辑电平选择端VL，稳压二极管V5的正极接地，隔离驱动芯片(3.1)的外接RC生成死区时间管脚RC1接地，隔离驱动芯片(3.1)的PWM信号输入端InA连接双向电平转换芯片U2的电平信号通信端；

隔离驱动芯片(3.1)的绝缘栅双极晶体管集电极采样端C1与绝缘栅双极晶体管的集电极之间串联电阻R1、二极管V1和二极管V2，二极管V2的负极连接绝缘栅双极晶体管的集电极，二极管V1的负极连接二极管V2的正极，隔离驱动芯片(3.1)的公共地接口COM1通过电容C连接绝缘栅双极晶体管集电极采样端C1，隔离驱动芯片(3.1)的保护参考电阻端Rth1连接电阻R6的一端，隔离驱动芯片(3.1)的驱动电路发射极E1连接绝缘栅双极晶体管的发射极，电阻R6的另一端连接隔离驱动芯片(3.1)的驱动电路发射极E1，隔离驱动芯片(3.1)的驱动电路栅极G1连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接绝缘栅双极晶体管的栅极，双向稳压的二极管V4的两端分别连接绝缘栅双极晶体管的栅极和发射极，二极管V3的负极连接隔离驱动芯片(3.1)的驱动电路栅极G1，电阻R3的一端连接二极管V3的正极，电阻R3的另一端连接绝缘栅双极晶体管的栅极。

5.根据权利要求4所述的数字型IGBT控制及驱动装置，其特征在于：所述隔离电源模块U3的第二个电源信号输出端向双向电平转换芯片U2提供5V的电源信号；

隔离电源模块U3的第一个电源信号输出端向隔离驱动芯片(3.1)提供15V的电源信号。