CN102082563A - Igbt驱动器、信号处理方法、电机控制***、车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT驱动器、信号处理方法、电机控制***、车辆，所述IGBT驱动器包括依次连接的IGBT驱动信号输入电路、驱动信号隔离电路、多IGBT输出电路；所述IGBT驱动信号输入电路产生的IGBT驱动信号，经过所述驱动信号隔离电路加在所述IGBT输出电路上，以驱动多IGBT输出电路中的各个IGBT进行信号输出；还包括电源隔离电路，所述电源隔离电路包括与所述各个IGBT单独对应的隔离输出路和与多个IGBT整体对应的公共输出路。本发明实现了多IGBT的整体驱动，减少了驱动保护电路的PCB面积。

Description

IGBT驱动器、信号处理方法、电机控制***、车辆

技术领域

本发明涉及IGBT驱动，具体的说，涉及一种IGBT驱动器、信号处理方法、电机控制***、车辆。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)驱动电路的功能是将来自于微控制器的开关信号转换成具有足够功率的驱动信号，来保证IGBT可靠地开通与关断。同时，IGBT驱动电路也为微控制器和功率晶体管之间的电压提供安全电气隔离。此外，为了使IGBT出现过流或短路故障时得到正确和有效的保护，保护功能一般也被集成到驱动电路中。因此，IGBT驱动器的性能直接关系到整个逆变***的可靠性。具体的性能主要体现在以下几方面：由于IGBT栅极输入具有电容特性，为了能使IGBT具有较快的开关速度，驱动器必须能提供瞬时的较大驱动电流，从而减小开关损耗；要求为IGBT提供完善的过载和短路保护功能；由于驱动器位于控制电路与高压功率电路之间，还要求驱动器提供较高的绝缘电压耐量和较高的共模抑制比。

目前，IGBT的驱动电路比较多，市场上各种成熟的驱动器产品也不少，主要包括：1)采用高速光耦的驱动器，这类驱动器电路的共同特点是采用高速、高共模抑制比、高隔离电压的光耦，但由于需要外接隔离电源，电路实现比较复杂。2)采用脉冲变压器来实现隔离，此方法存在成本和物理尺寸增加的问题；3)采用高频脉冲调制的方式，是用高于PWM(Pulse WidthModulation，脉宽调制)信号几十倍的高频脉冲信号作为载波，对控制信号进行调制。此种方法的成本比较高，电路相对复杂，应用不普遍。

在中国专利申请《IGBT驱动器及其驱动信号的处理方法)》(中国专利申请号：200610037366.1)中，公开了一种IGBT驱动器，该驱动器包括用于将输入信号转变成矩形波的波形整形电路、用于对信号完成复杂逻辑处理的CPLD逻辑控制器、用于转换成尖脉冲信号的脉冲调制放大电路、用于把信号耦合到次级的隔离变压器、用于还原成PWM脉冲信号的脉冲解调电路和输出放大电路。在驱动信号处理时，输入的PWM信号首先经波形整形电路，变为边沿陡峭的矩形波，矩形波信号输入CPLD逻辑控制器，完成对信号实现逻辑处理，输出的脉冲控制信号进入调制放大电路，产生尖脉冲信号经隔离变压器耦合到次级，再由解调电路还原成PWM脉冲信号，然后通过输出放大电路驱动IGBT。该发明采用以CPLD为核心的输入信号处理电路，克服由分离逻辑器件构成处理电路过于复杂的问题。

然而，上述驱动器的电路改进仅仅涉及到单体驱动器的改进，而目前在很多应用场合，都涉及到多个IGBT的同时使用，如图1所示，现有的多个IGBT的同时使用，一般都是选择以上某种方式进行单体驱动，例如在图1所示的电路中，对于三相桥式电路的每一相，都设置有各自的电源隔离电路以及上下桥信号的故障隔离电路，前端则设置有各自的PWM输入信号处理、故障处理单元以及对电源输入进行DC/DC变换的单元。也就是说，现有技术的多个IGBT同时使用，实际上是多个IGBT各自实现单体驱动。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种IGBT驱动器、信号处理方法、电机控制***、车辆，能够实现多IGBT的整体驱动。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种IGBT驱动器，包括依次连接的IGBT驱动信号输入电路、驱动信号隔离电路、多IGBT输出电路；所述IGBT驱动信号输入电路产生的IGBT驱动信号，经过所述驱动信号隔离电路加在所述IGBT输出电路上，以驱动多IGBT输出电路中的各个IGBT进行信号输出；还包括电源隔离电路，所述电源隔离电路包括与所述各个IGBT单独对应的隔离输出路和与多个IGBT整体对应的公共输出路。

在上述驱动器的一种实施例中，所述多IGBT输出电路为3相桥式电路，所述电源隔离电路包括与3相桥式电路的3相上桥单独对应的3路隔离输出路和与3相桥式电路的3相下桥整体对应的1路公共输出路。

在上述驱动器的一种实施例中，所述电源隔离电路中的每一路输出路包括变压器副边、整流二极管、稳压管、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电容、第二电容、正电压输出端、负电压输出端和地；所述变压器副边的一端连接所述整流二极管的正极，另一端连接所述负电压输出端，所述整流二极管的负极、所述电感的一端、所述第一电解电容的正极连接在一起，所述电感的另一端、所述第二电解电容的正极、所述正电压输出端连接在一起，所述第一电容、第二电容串联在一起，两者相互连接的一端接地，所述第一电容的另一端连接所述正电压输出端，所述第二电容的另一端连接所述负电压输出端，所述稳压管的负极连接所述第一电容、第二电容的连接交点，所述第一电解电容的负极、所述第二电解电容的负极、所述稳压管的正极连接在所述负电压输出端。

在上述驱动器的一种实施例中，所述IGBT驱动信号输入电路为PWM信号发生电路。

本发明还提供了上述IGBT驱动器的驱动信号处理方法，包括：

多IGBT输出电路向所述IGBT驱动信号输入电路反馈故障检测结果；

所述IGBT驱动信号输入电路在任一IGBT反馈有故障信号时，关闭驱动信号，以使多IGBT输出电路的全部IGBT停止信号输出。

本发明也提供了一种包含上述IGBT驱动器的电机控制***。

本发明同时提供了一种应用上述电机控制***的车辆。

所述车辆可以是电动汽车或混合动力车。

本发明采用IGBT整体驱动，因而可以减少电路器件，使得电路简单、成本降低，驱动器的PCB面积也因而可以减少，同时也增加了驱动器的安全可靠性。

附图说明

图1为现有技术中的IGBT单体驱动的结构示意图；

图2为本发明实施例的IGBT整体驱动的结构示意图；

图3为本发明实施例的IGBT整体电源的结构示意图；

图4为本发明的实施例的IGBT整体电源的电路结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图2，图2描述了一种以三相桥式电路为例的IGBT驱动器，该IGBT驱动器，包括依次连接的IGBT驱动信号输入电路、驱动信号隔离电路、多IGBT输出电路；IGBT驱动信号输入电路产生的IGBT驱动信号，经过所述驱动信号隔离电路加在所述IGBT输出电路上，以驱动多IGBT输出电路中的各个IGBT进行信号输出。

其中，多IGBT输出电路是以三相桥式电路为例，三相桥式电路中的A、B、C三相的上桥和下桥，都具有各自的输出信号处理通道、电源模块及故障检测单元。

在三相桥式电路的前级，是IGBT的隔离电路，隔离电路中除了上述的驱动信号隔离电路之外，还包括电源隔离电路以及故障隔离电路。在该电路中，电源隔离统一进行，而信号及故障隔离则仍然对应三相桥式的各相上桥和下桥分别进行。在***正常工作时，电源模块统一给隔离后的电路提供电源，信号仍经不同的隔离通道传输至副边进行处理。

如图3所示，电源隔离电路在本例中采用四路隔离开关电源，其中三路电源分别用于A、B、C相的上桥，将其称为隔离输出路，其与A、B、C相上桥各自的IGBT单独对应，另一路电源用于A、B、C相的下桥，将其称为公共输出路，其与A、B、C相的下桥整体对应。这样保证了各相上下桥之间电源的隔离，也保证了低压部分(输入信号处理)与高压部分(驱动信号处理)的隔离，同时还能节省隔离电源的通道数。

如图4所示，电源隔离电路包括：驱动信号输入到MOS管Q1的栅极，MOS管Q1导通，则在变压器T1的原边形成电压，并分别耦合到四个变压器副边输出，该四路变压器副边输出中，UT、VT、WT三路输出为隔离输出路，与A、B、C三相上桥各自的IGBT单独对应，CT路输出为公共输出路，与A、B、C三相下桥整体对应。由于四路副边输出电路形式是相同的，因此，仅以UT路输出为例对其进行说明。在UT路中，变压器副边两端，一端连接整流二极管D1的正极，另一端连接-8v电压的输出端，整流二极管D1的负极、电感L1的一端、第一电解电容CE1的正极连接在一起，电感L1的另一端、第一电解电容CE2的正极、+15v电压的输出端连接在一起，第一电容C1、第二电容C2串联在一起，两者相互连接的一端为地，第一电容C1的另一端连接+15v电压的输出端，第二电容C2的另一端连接-8v电压的输出端，稳压管D5的负极连接电容C1、C2的连接交点，第一电解电容CE1的负极、第二电解电容CE2的负极、稳压管D5的正极都连接在-8v电压的输出端。

变压器副边输出的电压，经过整流二极管D1的整流，电感L1、第一电解电容CE1、第二电解CE2的LC滤波电路滤波，最后经稳压管D5和滤波电容C1、C2的稳压和滤波，得到供给A相上桥IGBT管的输出正负电压。

类似的，在VT路中，包括整流二极管D2、电感L2、电解电容CE3、CE4、稳压管D6、电容C3、C4；在WT路中，包括整流二极管D3、电感L3、电解电容CE5、CE6、稳压管D7、电容C5、C6；在CT路中，包括整流二极管D4、电感L4、电解电容CE7、CE8、稳压管D8、电容C7、C8。三者的电路连接关系与UT路相同，不再赘述。

隔离电路前级，是输入信号处理，故障处理单元，用来产生IGBT的驱动信号以及进行故障处理。在图2的示例中，IGBT驱动信号是PWM输入信号。PWM输入信号处理单元例如可以包括PWM波形输入整形电路、CPLD逻辑控制器、电源模块、信号处理模块、PWM波形输出整形及硬件保护电路。工作时，外部给入驱动所需的PWM信号，经波形输入整形电路和多路信号逻辑控制器的处理后，再经脉冲变压器输出到PWM波形输出整形及保护电路部分，然后驱动IGBT。此时开通和关断的驱动电源均由电源模块供应。当然，输入信号处理同样可以采用其他形式的处理电路。

上述驱动器的驱动信号处理，包括A、B、C三相上下桥各自互锁(A相的上下桥驱动信号之间互锁，B相的上下桥驱动信号之间互锁，C相的上下桥驱动信号之间互锁)后，增加死区时间，然后再输出驱动信号。三相电路的每一相故障检测结果都反馈到PWM信号输入端，任何一路有故障信号反馈输入，PWM信号的故障处理单元都将关闭A、B、C三路的驱动信号，达到及时硬件保护的目的。从而避免单体驱动的IGBT驱动器的硬件保护信号只能快速的关闭一路，其余两路无法得到及时保护的问题。这种驱动信号处理方式可以减小IGBT等开关器件的损坏几率，提高了硬件保护的可靠性。

本发明实施例的IGBT驱动器，由于实现了电源模块的统一，其电路更加简洁、封装更小，整个驱动电路的PCB布局面积也得以减小。多个IGBT同时驱动工作时，电源模块的统一性使IGBT的开通关断电压稳定性提高，提高了多个IGBT工作时的稳定能力，并且也提高了故障诊断能力，增强了保护能力，因而也可以减小驱动保护电路的PCB面积。

本发明的IGBT驱动器和驱动信号处理方法，适用于一般工业应用场合，例如电机控制***，尤其在车辆，例如电动汽车或混合动力车的电机控制***中，可以得到很好的应用。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种IGBT驱动器，其特征在于，包括依次连接的IGBT驱动信号输入电路、驱动信号隔离电路、多IGBT输出电路；所述IGBT驱动信号输入电路产生的IGBT驱动信号，经过所述驱动信号隔离电路加在所述IGBT输出电路上，以驱动多IGBT输出电路中的各个IGBT进行信号输出；还包括电源隔离电路，所述电源隔离电路包括与所述各个IGBT单独对应的隔离输出路和与多个IGBT整体对应的公共输出路。

2.如权利要求1所述的IGBT驱动器，其特征在于，所述多IGBT输出电路为3相桥式电路，所述电源隔离电路包括与3相桥式电路的3相上桥单独对应的3路隔离输出路和与3相桥式电路的3相下桥整体对应的1路公共输出路。

3.如权利要求2所述的IGBT驱动器，其特征在于，所述电源隔离电路中的每一路输出路包括变压器副边、整流二极管、稳压管、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电容、第二电容、正电压输出端、负电压输出端和地；所述变压器副边的一端连接所述整流二极管的正极，另一端连接所述负电压输出端，所述整流二极管的负极、所述电感的一端、所述第一电解电容的正极连接在一起，所述电感的另一端、所述第二电解电容的正极、所述正电压输出端连接在一起，所述第一电容、第二电容串联在一起，两者相互连接的一端接地，所述第一电容的另一端连接所述正电压输出端，所述第二电容的另一端连接所述负电压输出端，所述稳压管的负极连接所述第一电容、第二电容的连接交点，所述第一电解电容的负极、所述第二电解电容的负极、所述稳压管的正极连接在所述负电压输出端。

4.如权利要求1所述的IGBT驱动器，其特征在于，所述IGBT驱动信号输入电路为PWM信号发生电路。

5.一种如权利要求1-4任一所述的IGBT驱动器的驱动信号处理方法，其特征在于，包括：

多IGBT输出电路向所述IGBT驱动信号输入电路反馈故障检测结果；

所述IGBT驱动信号输入电路在任一IGBT反馈有故障信号时，关闭驱动信号，以使多IGBT输出电路的全部IGBT停止信号输出。

6.一种包含如权利要求1-4任一所述的IGBT驱动器的电机控制***。

7.一种应用如权利要求6所述的电机控制***的车辆。

8.如权利要求7所述的车辆，其特征在于，所述车辆为电动汽车或混合动力车。

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