一种集成化多用途IGBT控制驱动装置的制作方法

本实用新型属于电力电子变换器控制及驱动技术领域，涉及一种集成化多用途IGBT控制驱动装置。

背景技术：

为了应对日益严峻的化石能源消耗及温室气体排放等问题，新能源发电及新能源汽车等行业逐步发展壮大。无论是新能源发电行业中常用的MPPT(Max Power Point Tracking，最大功率点跟踪)变换器，或是新能源汽车行业中常用的电机控制器、车载充电机等，都属于以电力电子技术为核心的电力电子变换器。而上述两行业中所使用的电力电子变换器，因应用场合功率需求高，通常采用 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)作为核心电力电子开关元器件。为了实现所需要的电力电子变换器，必须对IGBT进行控制及驱动。但现有的IGBT控制及驱动装置通常存在这样的缺点：功能单一，采样、控制、保护、驱动、通信等功能需要多块电路板配合才能实现；应用场合单一，仅可驱动单一一种电力电子变换器；仅有软件保护，保护动作慢，易导致IGBT 或电力电子变换器损坏；特别是当采用数字控制时，对DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)起动和关断脉冲信号时，产生占空比大于1的长脉冲信号问题难以解决，极易引起IGBT过电流损坏。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型提出了一种集成化多用途IGBT 控制驱动装置，包括：控制模块，通信电路1～2，驱动电路1～4，采样及保护模块1～4，所述控制模块与通信电路1～2连接，通信电路提供两路RS485串行通信接口，使上位机可以与控制模块进行通信并对其控制，从而实现对IGBT的控制与对电力电子变换器状态的监测；所述控制模块与驱动电路1～4连接，驱动电路为IGBT提供驱动所需要的电压和电流，并提供IGBT保护信号；所述控制模块与采样及保护模块1～4连接，采样及保护模块对外部采样信号进行处理，为控制模块提供模拟数字转换所需要的模拟信号，当外部采样信号超出设定范围时，为控制模块提供保护信号。

优选地，所述控制模块包括并不限于：DSP型号为 TMS320F28335，CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)型号为XC9572XL，电平转换芯片U1、U2型号为 74LVC4245APW。DSP实现处理通信数据，并根据采样及保护模块提供的模拟信号，计算所需脉冲信号的占空比；CPLD实现脉冲信号、保护信号及IGBT保护信号的逻辑处理；电平转换芯片U1、U2 实现CPLD产生的3.3V信号、驱动电路所需要的和所产生的、采样及保护模块所产生的5V信号之间的转换。

优选地，所述通信电路包括并不限于：通信芯片U3型号为 ADM2483，输入限流电阻R1、R2、R3，滤波电容C1、C2，终端电阻R4、输出限流电阻R5、R6，双向瞬态抑制二极管TVS1、TVS2 型号为SMBJ6.5CA。

优选地，所述驱动电路包括并不限于：驱动芯片U4型号为 TX-KP101，输入滤波电容C3，电源滤波电容C4、C5，限流电阻 R7、R10，驱动导通电阻R8，驱动关断电阻R9，保护电阻R11，取样二极管D1型号为FR107，双向瞬态抑制二极管TVS3、TVS4型号为SMBJ20CA，光耦U5型号为TLP281，IGBT保护信号滤波电容C6。

优选地，所述采样及保护模块包括并不限于：采样电路、保护电路、采样电阻RX，分压电阻R12，采样滤波电感L1，采样滤波电容C7。所述采样电路包括并不限于：运算放大器OP1，限流电阻 R13，模拟信号滤波电容C8，单向瞬态抑制二极管DW1型号为 SMBJ3.3A。所述保护电路包括并不限于：保护电阻RY，分压电阻 R14，比较器COMP1，上拉电阻R15，保护信号滤波电容C9，单向瞬态抑制二极管DW2型号为SMBJ3.3A。

本实用新型集成化程度高，兼备采样、控制、保护、驱动、通信功能，不需外接其他功能装置。本实用新型集成采样及保护模块、驱动电路各四组，可应用到多种电力电子变换器，如以移相全桥、 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制)逆变、 PFC(Power Factor Correction，功率因数矫正)、同步整流等为电路拓扑的电力电子变换器。本实用新型采用CPLD与硬件保护电路联合实现硬件保护，保护动作快。特别地，本实用新型采用CPLD对DSP 起动和关断脉冲信号过程进行逻辑处理，可有效解决占空比大于1 的长脉冲信号问题。

附图说明

图1为一种集成化多用途IGBT控制驱动装置的功能结构图。

图2为一种集成化多用途IGBT控制驱动装置的控制模块电路原理图。

图3为一种集成化多用途IGBT控制驱动装置的通信电路原理图。

图4为一种集成化多用途IGBT控制驱动装置的驱动电路原理图。

图5为一种集成化多用途IGBT控制驱动装置的采样及保护模块电路原理图。

图中：1.控制模块、2.通信电路、3.驱动电路、4采样电路、5 保护电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施方式做详细说明，一种集成化多用途IGBT控制驱动装置，包括以下部分：控制模块1，通信电路2，驱动电路3，采样电路4，保护电路5。

请参阅图1～5，所述控制模块1中DSP的SCITXDB、SCIRXDB、 GPIO21、SCITXDC、SCIRXDC、GPIO61分别与通信电路2中的 SCITXD1、SCIRXD1、SCIEN1、SCITXD2、SCIRXD2、SCIEN2连接；所述控制模块1中电平转换芯片U1的A1～4、电平转换芯片 U2的A1～4分别与驱动电路3中的PWM1～4、PROTECT1～4连接；所述控制模块1中DSP的ADCINA0、ADCINA1、ADCINA2、 ADCINA3与采样电路3中的AD1～4连接。

请参阅图2，所述控制模块1包括并不限于：DSP，CPLD，电平转换芯片U1、U2。

DSP通过通信电路2接受上位机指令，根据采样电路4提供的模拟信号，以及DSP内部的算法，计算出所需脉冲信号的占空比，从而实现可应用到多种电力电子变换器。

特别地，在CPLD中将DSP的GPIO82信号与脉冲信号分别相与，DSP在起动脉冲信号两个开关周期后置高GPIO82信号，DSP 在关断脉冲信号两个开关周期前置低GPIO82信号，从而解决占空比大于1的长脉冲信号问题。

CPLD将与处理后的脉冲信号，经电平转换芯片U1送至驱动电路3，从而驱动IGBT。特别地，保护信号、IGBT保护信号，经电平转换芯片U2送至CPLD，经与非后送至DSP的TZ1，DSP产生中断封锁脉冲信号，保护IGBT和电力电子变换器，从而实现硬件保护。保护信号、IGBT保护信号，经电平转换芯片U2、经CPLD 送至DSP，告知保护类型。

请参阅图3，所述通信电路2包括并不限于：通信芯片U3，输入限流电阻R1、R2、R3，滤波电容C1、C2，终端电阻R4、输出限流电阻R5、R6，双向瞬态抑制二极管TVS1、TVS2。

通信芯片U3用于产生RS485通信所需电平。输入限流电阻R1、 R2、R3用于限制通信芯片U3与控制模块1中DSP通信时的电流。滤波电容C1、C2用于滤除通信芯片U3与控制模块1中DSP通信时的干扰信号。终端电阻R4用于通信芯片U3与上位机通信时的终端电阻匹配。输出限流电阻R5、R6用于限制通信芯片U3与上位机通信时的电流。双向瞬态抑制二极管TVS1、TVS2用于限制通信芯片U3与上位机通信时的过电压。

请参阅图4，所述驱动电路3包括并不限于：驱动芯片U4，输入滤波电容C3，电源滤波电容C4、C5，限流电阻R7、R10，驱动导通电阻R8，驱动关断电阻R9，保护电阻R11，取样二极管D1，双向瞬态抑制二极管TVS3、TVS4，光耦U5，IGBT保护信号滤波电容C6。

驱动芯片U4用于产生IGBT所需的电压和电流，并用于产生 IGBT保护信号。输入滤波电容C3用于滤除脉冲信号的干扰信号。电源滤波电容C4、C5用于滤除供电电源的干扰信号。限流电阻R7、 R10用于限制光耦U5的电流。驱动导通电阻R8，驱动关断电阻R9 分别用于IGBT导通和关断时的限流电阻。保护电阻R11用于防止 IGBT静电击穿。取样二极管D1用于检测IGBT的CE端电压，从而使驱动芯片U4产生IGBT保护信号。双向瞬态抑制二极管TVS3、 TVS4分别用于限制IGBT的G端、C端电压。光耦U5用于提供IGBT 保护信号的隔离。IGBT保护信号滤波电容C6用于滤除IGBT保护信号的干扰信号。

请参阅图5，所述采样及保护模块包括并不限于：采样电路4、保护电路5、采样电阻RX，分压电阻R12，采样滤波电感L1，采样滤波电容C7。所述采样电路4包括并不限于：运算放大器OP1，限流电阻R13，模拟信号滤波电容C8，单向瞬态抑制二极管DW1。所述保护电路5包括并不限于：保护电阻RY，分压电阻R14，比较器COMP1，上拉电阻R15，保护信号滤波电容C9，单向瞬态抑制二极管DW2。

采样电阻RX按公式RX＝(3.3×VSAMPLEMAX-1)×1k计算， VSAMPLEMAX为所设计的最高采样电压。采样电阻RX与分压电阻 R12产生采样电压。采样滤波电感L1、采样滤波电容C7用于滤除采样电压的干扰信号。

运算放大器OP1构成射随电路，为采样电压提供高阻输入，产生模拟信号，并防止采样电压失真，限流电阻R13用于限制模拟信号送入控制模块1中DSP时的电流。模拟信号滤波电容C8，用于滤除模拟信号的干扰信号。单向瞬态抑制二极管DW1用于限制模拟信号过电压，保护控制模块1中DSP的管脚。

保护电阻RY按公式RY＝(5×VSAMPLEERROR-1)×1k计算， VSAMPLEERROR为所设计的保护电压。比较器COMP1用于当采样电压高于保护电压时产生保护信号。上拉电阻R15用于提供比较器 COMP1输出电压能力。保护信号滤波电容C9用于滤除保护信号的干扰信号。单向瞬态抑制二极管DW2用于限制保护信号过电压，保护控制模块1中DSP的管脚。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。