一种用于IGBT的驱动信号数字处理电路级联系统.pdf

本发明公开了一种用于IGBT的驱动信号数字处理电路级联系统。通过将集成驱动电路(1)和数字信号处理及控制电路(2)的单个电路级联构成多路驱动与信号处理系统。本发明系统仅需一路输入的PWM调制信号即可完成一对IGBT的控制，同时可以使上层控制器用较少的光纤通道获得级联多个驱动板的相关信息反馈，从而简化了控制系统。该系统仅需调整程序下载至信号数字处理电路即可修改相关参数，方便了应用和系统设计工作。在IGBT过流短路以及电路板过电压或欠电压情况下可以将故障信号反馈至信号数字处理芯片，根据故障情况予以相应处理，同时能将故障情况通过光纤通道输出以便进一步处理。该发明结构简单、成本低，具有较好的通用性、灵活性以及可靠性。

1.  一种用于IGBT驱动和信号数字处理的电路系统，用于检测和向控制芯片反馈IGBT的工作状态，其特征在于，由级联的多个单板电路组成：单板电路主要包括驱动电路(1)、数字信号处理及控制电路(2)及相应的信号通道；
单板电路中：
a、由信号处理芯片和相应信号通道构成的数字信号处理及控制电路(2)的信号处理芯片经复位电路与驱动电路(1)的驱动芯片复位端VL/Reset连接；驱动电路(1)的输出端口G1、G2分别与IGBT1、IGBT2栅极相连控制其通断；驱动电路(1)的IGBT状态检测端口E1、C1分别与IGBT1集电极与射极相连，IGBT2连接方式相同；
b、数字信号处理及控制电路(2)的信号处理芯片端口M、端口EN1、端口ER1与光纤输入通道(3)连接，端口EN2、端口ER2与光纤输出通道(6)连接；信号处理芯片的PWM信号输出端口PWM1、PWM2与驱动芯片端口PWM1、端口PWM2连接传送一对IGBT的驱动信号；端口SO1、端口SO2与驱动芯片端口SO1、端口SO2连接用于接受IGBT故障状态反馈信号；数字信号处理及控制电路(2)与电源工作电压检测模块(4)连接用于接受单板电源模块状态信息；数字信号处理及控制电路(2)与下载接口(7)连接；
各个驱动信号数字处理单元通过光纤输入通道(3)和光纤输出通道(6)级联。

一种用于IGBT的驱动信号数字处理电路级联系统
技术领域
本发明涉及一种用于IGBT模块栅极驱动信号的产生与处理的电路系统，可实现驱动信号处理、故障处理和使能控制等功能，并完成多驱动板的级联信号处理。
背景技术
随着我国经济的快速发展，对电力电子设备的需求日益加大。IGBT是具有高速开关特性和低导通电压特性的电力电子器件，在电力电子设备中已成为重要的器件。对IGBT需要驱动电路来控制其通断，驱动电路将控制电路产生的PWM脉冲放大到足以驱动功率器件。驱动电路具有在电气上隔离高压主电路与低压控制电路的作用，且对IGBT有保护功能。
常规的IGBT驱动电路与信号处理控制电路相互独立，当特定功能的控制参数需要更改时，需要改动多个设备器件的设置，调整起来较为不便。各个IGBT的驱动数字信号处理电路相互独立，因而上层控制器对其的监控较为复杂。常规驱动电路针对IGBT短路过流故障或者驱动板过压欠压情况，无法将故障状态反馈至控制芯片，因此不能对故障情况进行分析及处理，也不能将故障信息输出进而对故障进行进一步分析处理。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明目的是提供一种集成化的IGBT驱动信号数字处理电路级联系统，使之具有驱动信号数字处理电路结构简单、成本低，可反馈IGBT故障，各单板级联，调整参数方便的优点。
本发明的目的是通过如下的手段实现的。
一种用于IGBT驱动和信号数字处理的电路系统，用于检测和向控制芯片反馈IGBT的工作状态，由级联的多个单板电路组成：单板电路主要包括驱动电路1、数字信号处理及控制电路2及相应的信号通道。
单板电路中：
a、由信号处理芯片和相应信号通道构成的数字信号处理及控制电路2的 信号处理芯片经复位电路与驱动电路1的驱动芯片复位端VL/Reset连接；驱动电路1的输出端口G1、G2分别与IGBT1、IGBT2栅极相连控制其通断；驱动电路1的IGBT状态检测端口E1、C1分别与IGBT1集电极与射极相连，IGBT2连接方式相同；
b、数字信号处理及控制电路2的信号处理芯片端口M、端口EN1、端口ER1与光纤输入通道3连接，端口EN2、端口ER2与光纤输出通道6连接；信号处理芯片的PWM信号输出端口PWM1、PWM2与驱动芯片端口PWM1、端口PWM2连接传送一对IGBT的驱动信号；端口SO1、端口SO2与驱动芯片端口SO1、端口SO2连接用于接受IGBT故障状态反馈信号；数字信号处理及控制电路2与电源工作电压检测模块4连接用于接受单板电源模块状态信息；数字信号处理及控制电路2与下载接口7连接；
各个驱动信号数字处理单元通过光纤输入通道3和光纤输出通道6级联。
采用如上的设计，上层控制器输出的一路PWM调制信号经过光纤传递到驱动控制板的光纤输入通道3，驱动控制板通过数字信号处理及控制电路2生成两路互斥的PWM信号，加入死区时间设置，并完成最小脉宽封锁等处理，输出给驱动电路1，产生驱动IGBT1和IGBT2的隔离信号。
当IGBT发生短路或过流故障，驱动电路1将故障状态反馈至数字信号处理及控制电路2；同时，电源工作电压检测模块4监控板载电源模块5的状态，如有异常将其反馈给数字信号处理及控制电路2。驱动控制板数字信号处理及控制电路2根据上述故障情况作进一步处理，并将处理结果经光纤输出通道6输出到下一电路板。
驱动控制板数字信号处理及控制电路2通常采用可编程器件，因此，最小脉宽、死区时间、故障处理逻辑等都是可重新编程、修改参数并通过下载接口重新配置。
级联相同的多个单板电路构成可驱动多个相关IGBT的驱动系统。该系统的各个单板电路通过光纤信号输入和输出通道级联，各个单板电路的信号数字处理电路由光纤信号输入通道接收上一级驱动信号数字处理电路输出，经过处理后输出至下一级驱动信号数字处理电路。级联的光纤通道可以传输驱动使能、故障和单板状态等信号，系统中各单板均可获知上级单板的状态。级联的 最后一块单板电路的光纤输出接入上层控制器，因此，上层控制器可用较少的光纤通道获得级联的多个驱动板的相关信息回馈。
当IGBT发生短路过流故障或电路板处于过压欠压状态时能将故障状态信号反馈至控制芯片处理，从而提高设备的可靠性。同时，由于集成了可编程的信号处理模块，通过修改程序来调整参数实现特定功能，大大提高了该驱动信号数字处理电路的通用性以及使用的灵活性。系统中各个单板通过光纤信号输入和输出通道相互级联，使该系统各单板可获知上级单板状态，通过级联可以使上层控制器用较少光纤通道获得多个驱动板的相关信息反馈。
与常规驱动信号数字处理电路方案相比，本发明的有益效果是：通过将驱动电路以及信号处理控制电路集成至一起，仅需一路输入的PWM调制信号即可完成一对IGBT的控制，同时通过各个驱动信号数字处理电路的级联，可以使上层控制器用较少的光纤通道获得级联多个驱动板的相关信息反馈，从而简化了控制系统。并且当最小脉宽、死区时间、故障处理逻辑等参数需要更改时，仅需调整程序下载至控制芯片，方便了应用和系统设计工作。在IGBT过流短路情况以及电路板过电压或欠电压情况下可以将故障信号反馈至控制芯片，根据故障情况予以相应处理，同时能将故障情况输出以便进一步处理。
附图说明
图1是本发明的电路结构框图。
图2是正常工作及故障处理流程图。
图3和图4分别正常情况下以及故障情况下波形。
具体实施方式
下面结合电路结构框图(图1)、流程框图(图2)和波形图(图3、图4)进一步说明。
单板电路可由常规的单板电路构成，单板的驱动电路主要由输入处理电路、驱动输出以及IGBT状态监测、驱动芯片(如Concept公司的2SD315AI-33驱动芯片)等部分组成。
输入处理电路中的复位端通过一个电阻连接到电源上，同时通过一个稳压管与接地端连接。并且复位端口与数字信号处理芯片相连，控制芯片可以直接实现复位功能。驱动信号输出端口与IGBT栅极相连,同时与IGBT集电极与射极相连的IGBT监测电路，可以检测IGBT短路过流状态。
单板的控制电路由下载接口、光纤信号通道、电源模块、电源工作电压检测模块、信号处理芯片(如PFGA或CPLD)等部分组成。
通过下载接口将程序写入信号处理芯片以配置最小脉宽、死区时间、故障处理逻辑等参数从而实现特定功能。
光纤信号通道，用于将上层控制器以及上一级驱动信号处理电路传输来的光信号转化为电信号，并将电信号输入信号处理芯片；该模块还将数字信号处理芯片处理后生成的电信号转化为光信号输入到下一级驱动信号处理电路。输入信号处理芯片的信号包括上层控制器输出的PWM调制信号、上一级驱动信号数字处理电路输出的使能信号、报错信号等；输出信号包括至下一级驱动信号数字处理电路的使能信号、报错信号等。各个独立的驱动信号处理电路通过光纤信号级联。
电源方案采用24V直流电，经单路DC/DC变压模块(例如URB_LD-15WR2)降为15V电压，为驱动芯片及外围电路供电。15V电压再变换为5V直流电源为控制电路供电。
电源工作电压检测模块同时检测电源的过压及欠压情况。若检测超出正常工作电压范围，信号处理芯片向驱动芯片发出复位信号，使驱动电路处于闭锁状态。
信号处理芯片将输入的一路PWM调制信号变为分别控制IGBT1和IGBT2的两路PWM信号,设置两路信号的死区时间，输入到驱动电路模块，并且进行最小脉宽封锁处理可能出现的窄脉冲以保证IGBT处于正常工作状态。同时信号处理芯片与驱动芯片及电源工作电压检测模块连接以接收故障状态反馈信号。
如图1所示，数字信号处理及控制电路2的信号处理芯片经复位电路与驱动电路1的驱动芯片复位端VL/Reset连接。驱动信号输出端口G1、G2分别与IGBT1、IGBT2栅极相连控制其通断。IGBT状态检测端口E1、C1与IGBT1集电极与射极相连，IGBT2连接方式相同。
数字信号处理及控制电路2的信号处理芯片端口M、端口EN1、端口ER1与光纤输入通道3连接，端口EN2、端口ER2与光纤输出通道6连接。信号处理芯片的PWM信号输出端口PWM1、PWM2与驱动芯片端口PWM1、端口PWM2连接传送一对IGBT的驱动信号。端口SO1、端口SO2与驱动芯片端口SO1、端口SO2连接用于接受IGBT故障状态反馈信号。数字信号处理及控制电路2与电源 工作电压检测模块连接用于接受单板电源模块状态信息。数字信号处理及控制电路2与下载接口7连接。各个驱动信号数字处理单元通过光纤输入通道3和光纤输出通道6级联。
下面说明驱动信号产生以及故障反馈功能实现的过程。
如图2所示，当上一级驱动信号数字处理电路输入使能信号以及报错信号分别为高电平、低电平且SO1、SO2端未保持低电平状态，驱动信号数字处理电路处于正常工作模式。数字信号处理芯片将M端输入的调制信号经过最小脉宽封锁处理，设置死区时间Δt后，产生两路PWM信号送入驱动芯片PWM1、PWM2端口，隔离放大后产生两路驱动信号控制IGBT通断，如图2及图3所示。
当IGBT发生短路或过流故障时，此时IGBT监测电路检测到电压值Vce超过设定阀值Vce*，有驱动芯片判定为故障状态，SO1或SO2端口保持低电平(正常情况下SO1，SO2输出状态不确定)，并将故障状态反馈至数字信号处理芯片，数字信号处理芯片停止产生PWM信号，如图2及图4所示。当电源工作电压检测模块监测到电源模块超出正常工作电压范围时，信号处理芯片向驱动芯片发出复位信号，使驱动电路处于闭锁状态。数字信号处理芯片接受到故障信号后，将故障状态和处理结果经光纤通道输出到下一级电路板，最终由最后一级电路板输出故障信息至上层控制器。如当级联的N块驱动控制板中，第k(k≤N)级电路板发生故障，故障信号反馈到信号处理芯片处理后，该电路板不再产生驱动IGBT的信号，并将故障信息由光纤通道输入到第k+1级电路板，第k+1级电路板也不再产生驱动信号，以此类推直到故障信息由最后一级电路板输出到上层控制器再作进一步处理。