CN1917369A - Igbt驱动器及其驱动信号的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT驱动器，包括整形电路、CPLD逻辑控制器、脉冲调制放大电路、隔离变压器、脉冲解调电路和输出放大电路；输入的PWM信号经整形电路，变为矩形波，再进入CPLD逻辑控制器实现逻辑处理，输出后经调制放大电路，产生尖脉冲信号经隔离变压器耦合到次级，由解调电路还原成PWM脉冲信号，最后通过输出放大电路驱动IGBT。本发明采用的以CPLD为核心的输入信号处理电路，可以克服由分离逻辑器件构成处理电路过于复杂的问题，极大地简化了驱动器的控制电路，提高了***的可靠性，进一步缩小驱动器的PCB面积，使电路更加简洁、封装更小。

Description

IGBT驱动器及其驱动信号的处理方法

技术领域

本发明涉及一种绝缘栅双极性晶体管(IGBT)驱动器，特别涉及一种以可编程逻辑器件(CPLD)作为处理电路的IGBT驱动器。另外本发明还涉及上述驱动器中驱动信号的处理方法。

背景技术

由于绝缘栅双极性晶体管(IGBT)具有较高的电流容量及电压耐量，导通损耗较小，静态驱动功率小等特点，在中、大功率变换器中有着广泛的应用。IGBT驱动电路的功能就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脉冲信号，来保证IGBT可靠地关断与开通。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。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。具体的性能要求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，针对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，概括起来它们主要可以分为以下几类：

第一大类就是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，高共模抑制比的、高隔离电压的光耦来实现信号传递与初、次级隔离，在次级通过加入放大和保护电路驱动IGBT。这种电路需要外接隔离电源，电路实现比较很复杂。电路结构框图如图1所示，常见的产品有：TLP250、EXB841、M57959和HCPL-316J等。

第二大类用脉冲变压器来实现隔离，使用脉冲变压器不仅可以提供高电压等级的电气隔离，它在原边与副边间还能承受很高的共模干扰信号dv/dt(50kv/us)。与光耦构成的驱动电路不同的是，信号变压器可靠性好，而且能够进行信号的双向传递。但是，采用脉冲变压器来传递信号存在成本和物理尺寸增加的问题。基本的脉冲变压器驱动电路如图2所示，信号经变压器隔离后直接驱动IGBT。由于变压器的磁芯中磁通量在每一个导通周期必须由平衡的伏秒面积来实现复位，当PWM脉冲的占空比大于50％时，可能造成次级驱动脉冲幅值太低而无法正常驱动IGBT。在此基础上，另外一种电路形式是获得中国专利(95101392.0)的变压器隔离驱动方法，此方案利用变压器来传递功率和脉冲信号，无需外接电源，简化电路设计。但是需要在初级加入放大电路，变压器尺寸较大，并不具有广泛的适用性。

第三大类用高频脉冲调制的方式，用高于PWM信号几十倍的高频脉冲信号作为载波，与控制信号调制后送到脉冲变压器初级，经变压器耦合后，在变压器次级进行解调，还原控制信号驱动功率开关管。这里，载波信号完成传递能量和信号的双重功能，次级不需要外接电源。典型应用是TI公司的UC3724/3725集成电路对，分别完成调制与解调的功能。此种方法的成本比较高，电路相对复杂，应用不普遍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电路更加简洁、封装更小、性能可靠的IGBT驱动器；本发明的另一个目的是提供上述IGBT驱动器中驱动信号的处理方法。

为了实现上述的目的，本发明提供的一种IGBT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；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。

本发明所述的CPLD逻辑控制器包括：

双路互锁控制模块，用于防止两路PWM信号输入同时为高电平；

死区时间控制模块，为了确保两路PWM信号控制的IGBT不同时导通，通常还要在两路PWM脉冲信号之间设定一定的死区时间，即两路脉冲信号在死区时间内都是低电平，确保其控制的两只IGBT不会发生因为开关时刻过于接近而造成直通短路的情况；

两个窄脉冲抑制模块，用于抑制双路互锁控制模块输出的信号中500ns以下的窄脉冲信号；

故障处理模块，用于锁存并输出次级传递过来的过载或短路信号；

DC/DC控制模块，用于产生双路高频控制信号；

经整形电路处理后的双路PWM脉冲信号输入CPLD逻辑电路，首先经过双路互锁控制模块，完成防止两路PWM脉冲出现同时为高电平的情况发生，如果出现两路同时为高电平的情况，该控制模块使两路PWM脉冲同时输出为低电平；同时，死区时间控制模块根据外部控制端子的电平控制双路PWM信号的死区时间，有四种死区时间可供选择；输出的两路PWM信号分别输入两个窄脉冲抑制模块，用于去除可能存在的窄脉冲，防止IGBT因为窄脉冲而出现短时导通的情况；最后输出两路PWM信号分别进入两个调制放大电路。故障处理模块的功能是接收到来自IGBT的过流或短路故障信号，封锁两路PWM信号输出，同时向上级控制电路输出故障信号。DC/DC控制模块完成产生双路高频控制信号，控制本驱动器自带的DC/DC变换器。

本发明还包括用于为后级驱动电路提供隔离电源的DC/DC变换器，DC/DC变换器的控制波形由CPLD逻辑控制器的DC/DC控制模块来产生。通过自带的隔离型DC/DC开关变换器，可以省去外部隔离驱动电源，简化电路设计，有效节省用户PCB面积。

上述IGBT驱动器中驱动信号的处理方法，可通过以下步骤来实现：

1)、使由外部控制器产生的PWM信号经整形电路，将其变为边沿陡峭的矩形波，并消除叠加于高、低电平上的噪声，同时选择不同电压为整形电路供电，保证兼容不同的脉冲信号幅度；

2)、所述输出的PWM信号通过CPLD逻辑控制器，实施双路互锁，保证双路PWM信号不会同时为高电平，并设置死区时间控制，使通过外部端子选择不同的死区时间，同时抑制窄脉冲，将500ns以下的窄脉冲信号抑制，通过DC/DC控制信号模块，使产生双路互补信号控制外部DC/DC变换器，还使在故障时实行封锁双路信号；

3)、所述CPLD逻辑控制器输出脉冲控制信号后，经过调制放大电路，使脉冲的上升沿和下降沿转变成窄脉冲信号；

4)、通过隔离变压器，使脉冲信号耦合，然后传输到次级解调电路，将其还原成PWM脉冲信号；

5)、所述的PWM脉冲信号，最后通过输出放大电路到IGBT，实现驱动IGBT。

本发明采用的以CPLD为核心的输入信号处理电路，可以克服由分离逻辑器件构成处理电路过于复杂的问题，极大地简化了驱动器的控制电路，提高了***的可靠性，进一步缩小驱动器的PCB面积，使电路更加简洁、封装更小。而且CPLD可以方便扩展新的功能，易于在线***升级，具备最广泛的***适应性，实现更为友好的用户接口。另外自带的隔离型DC/DC开关变换器，可以省去外部隔离驱动电源，更加简化电路设计，有效节省用户PCB面积。同时，设置有过流监测、欠压保护、过流故障软关断电路，进一步提高***的可靠性。

附图说明

图1为本发明的主要结构框图。

图2为本发明实施例的具体结构图。

图3为本发明的CPLD内部功能模块结构图。

图4为本发明的互锁与死区时序图。

图5为本发明的驱动输出级和软关断电路。

具体实施方式

如图1示，本发明提供的一种IGBT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；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。

如图2所示，为本发明实施例的具体结构图，它包括：输入波形整形电路1，时钟产生2、电源监视与复位电路3、CPLD构成的逻辑器4，脉冲放大及调制电路5，故障输出电路6、隔离型DC/DC变换器7、非隔离DC/DC电源8、脉冲变压器9，脉冲解调电路10，输出放大电路11、过流故障监测电路12、电源欠压保护13、过流故障时软关断电路14、故障回馈电路15。

由外部控制器产生的PWM信号首先经过由施密特触发器构成的整形电路1，将其变为边沿陡峭的矩形波，同时消除叠加于高、低电平上的噪声。根据输入脉冲信号的幅值的不同，选择不同的电压为施密特触发器供电，保证兼容不同的脉冲信号幅度。

CPLD构成的逻辑器主要的功能结构如图3所示，包含双路互锁控制模块16、死区时间控制模块17、窄脉冲抑制模块18、故障处理模块19、DC/DC控制信号产生模块20五个部分。其中，双路互锁控制模块16是为了防止当两路PWM控制信号使半桥的两只IGBT同时导通，造成IGBT短路损坏现象发生。也可根据实际情况通过外部的控制端子MODE接地屏蔽互锁功能。死区时间控制模块17部分可以根据用户需要设置死区时间，有四种固定的时间选择，1μs、2μs、3μs和4μs。通过外部两个端子T1和T2接不同的电平组合来确定死区时间。窄脉冲抑制模块18功能是为了防止脉冲时间很短的干扰信号造成IGBT的频繁或短时间导通，从而减小开关损耗，提高可靠性。通过全数字滤波的方法可以消除500ns以下的窄脉冲，省去外接模拟滤波网络，方便用户使用。由次级检测到的过流或短路信号通过脉冲变压器传递给CPLD，在其内部有故障处理模块19，当故障发生时，立刻封锁所有驱动控制信号输出，同时向外输出故障信号给控制器，并通过LED指示故障发生。DC/DC控制信号产生模块20产生250KHz的双路互补信号去控制外部的DC/DC变换电路，该DC/DC变换器由驱动MOSFET的集成驱动IC、双N沟道MOSFET和高频变压器构成推挽式变换器，为后级驱动电路提供隔离电源。

如图4所示，为互锁与死区设置时序图，两路输入PWM信号INA和INB经过输入互锁控制模块、窄脉冲抑制模块以及死区时间控制模块以后的输出波形为OUTA和OUTB，死区时间设置为4us，当INA和INB同时为高时，输出同时为低，从而达到防止IGBT直通的功能。900ns信号延迟时间包括窄脉冲抑制功能和信号传输所消耗的时间。

CPLD所需要的时钟基准信号由外部的有源时钟2提供，为了保证电源稳定以及故障后可靠复位设计了电源监控和复位电路3，当供电压小于3.08V时将产生复位信号，每次复位后有效复位状态保持时间不小于140ms，并且具有外部复位功能，可以通过控制器输出低电平来复位驱动器。当内部检测故障消除同时两路PWM信号同时为低，经过10μs后产生复位信号。

为了减小驱动器的静态功耗，输入电源通过非隔离降压型DC/DC电源8输出3.3V稳定的直流为CPLD***供电，采用集成控制IC R1224N，具有电路结构简单，效率高等特点。

CPLD输出的PWM信号经放大级5，将脉冲的上升沿和下降沿转变成窄脉冲，然后经变压器9耦合后接次级还原电路10，还原后的PWM信号经放大级11输出驱动IGBT。放大级11电路如图8所示，将IGBT栅极开通回路和关断回路分开可以根据开通和关断要求方便设置不同的回路阻抗。

过流故障监测电路12是通过一个二极管与IGBT的集电极相连，当IGBT导通时二极管也导通，当IGBT过流或短路时，Vce的电压将升高，相应的二极管阳极电压也升高，驱动器内部检测二极管阳极电压与外接的一个阻容网络构成的电压基准进行比较，当集电极电压超过设计的基准后产生保护信号关断IGBT。同时产生的故障信号经变压器耦合到初级，由CPLD控制封锁PWM脉冲信号。为了防止IGBT开通初期集电极电压过高而使保护电路误动作，特别设计了5μs的盲区时间，在盲区时间内过流保护电路是不工作的。

电源欠压保护13是为了防止由于驱动电压过低引起IGBT开通损耗增加。当驱动器输出正向电压低于10V时保护电路动作，故障信号经变压器传递给CPLD，封锁PWM驱动信号。

过流故障时软关断电路14由三极管T1、电阻R1、电容C1和二极管D1组成，具体电路如图5所示，当出现过流，T1导通，电容C1经电阻R1放电，二极管D1导通使放大电路中三极管基极电位缓慢下降从而使得IGBT的栅极电压缓慢下降，实现过流保护时的软关断。

虽然以上对本发明的技术特征和实施方案进行了详细的描述，但本发明的保护范围显然并不局限于以上所描述的实施例，而且包括本领域的技术人员对以上构思可能做出的各种显而易见的替换方案。

Claims (9)

1、一种IGBT驱动器，其特征在于：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；

用于放大PWM脉冲信号的输出放大电路；

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。

2、根据权利要求1所述的IGBT驱动器，其特征在于：所述CPLD逻辑控制器包括

双路互锁控制模块，用于防止从波形整形电路中输入的双路PWM信号同时为高电平；

死区时间控制模块，用于在两路PWM脉冲信号之间设定一定的死区时间，确保其控制的两只IGBT不会发生因为开关时刻过于接近而造成直通短路；

两个窄脉冲抑制模块，用于抑制双路互锁控制模块输出的信号中500ns以下的窄脉冲信号；

故障处理模块，用于锁存并输出次级传递过来的过载或短路信号；

DC/DC控制模块，用于产生双路高频控制信号；

经整形电路处理后的双路PWM脉冲信号首先经过双路互锁控制模块，完成防止两路PWM脉冲出现同时为高电平的情况发生，如果出现两路同时为高电平的情况，该控制模块使两路PWM脉冲同时输出为低电平；同时，死区时间控制模块根据外部控制端子的电平控制双路PWM信号的死区时间；输出的两路PWM信号分别输入两个窄脉冲抑制模块，用于去除可能存在的窄脉冲，防止IGBT因为窄脉冲而出现短时导通的情况；故障处理模块接收到来自IGBT的过流或短路故障信号，封锁两路PWM信号输出，同时向上级控制电路输出故障信号；DC/DC控制模块完成产生双路高频控制信号，控制本驱动器自带的DC/DC变换器。

3、根据权利要求1所述的IGBT驱动器，其特征在于：还包括用于为后级驱动电路提供隔离电源的DC/DC变换器，DC/DC变换器的控制波形由CPLD逻辑控制器的DC/DC控制模块来产生。

4、根据权利要求1所述的IGBT驱动器，其特征在于：还包括监测IGBT过流或短路的过流故障监测电路，该电路输出的故障回馈信号经隔离变压器输入CPLD逻辑控制器中的故障处理模块。

5、根据权利要求1所述的IGBT驱动器，其特征在于：还包括用于防止由于驱动电压过低引起IGBT开通损耗增加的电源欠压保护电路，该电路输出的欠压保护回馈信号经隔离变压器输入CPLD逻辑控制器中的故障处理模块。

6、根据权利要求1所述的IGBT驱动器，其特征在于：还包括用于实现过流保护时的软关断的过流故障时软关断电路。

7、一种驱动器中驱动信号的处理方法，其特征在于：

(1)对外部输入的PWM信号进行波形整形，变为边沿陡峭的矩形波，同时消除叠加于高、低电平上的噪声；

(2)将上述整形后PWM信号输入CPLD逻辑控制器处理，实施双路互锁，保证双路PWM信号不会同时为高电平，并设置死区时间控制，同时抑制掉信号中500ns以下的窄脉冲信号，

(3)上述CPLD逻辑控制器处理输出的脉冲控制信号经过调制放大电路，使脉冲的上升沿和下降沿转变成窄脉冲信号；

(4)接着通过隔离变压器，使脉冲信号耦合，然后传输到次级解调电路，将其还原成PWM脉冲信号；

(5)最后将还原成PWM脉冲信号通过放大电路输出到IGBT。

8、根据权利要求7所述的驱动器中驱动信号的处理方法，其特征在于：使通过外部端子选择不同的死区时间，死区时间有四种固定的时间选择，分别为1μs、2μs、3μs和4μs。

9、根据权利要求7所述的驱动器中驱动信号的处理方法，其特征在于：对外部输入的PWM信号进行波形整形时，同时选择不同电压为整形电路供电，以兼容不同的脉冲信号幅度。

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