全数字化IGBT驱动控制器的制作方法

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种用全数字处理的IGBT驱动控制器。

背景技术：

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。广泛应用于变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等大功率电力电子领域。

一般IGBT作为高电压大电流的快速电子开关使用。但对于大规模IGBT的集群应用，通过大量的IGBT串并联，实现超大的电力容量。为了协调集群中各IGBT的动作，需要精确控制IGBT的开通和关闭曲线。也就是说IGBT在开通和关断瞬间处于线性工作状态。

图1是一种实现对IGBT开关曲线进行精确控制的原理示意图。U1A是运算放大器，运算放大器的输出控制IGBT的门极，IGBT的集电极电压通过反馈电阻R_f和R₁反馈到运算放大器的正输入端，由于IGBT的反相特性，实际形成负反馈。运算放大器的负输入端接参考信号源V_ref。如果运算放大器和IGBT都是理想的放大元件，增益分别为A₁和A₂，那么IGBT的集电极电压V_ce可以表达为：

V_ce＝V_ref×(1+R_f/R₁)×(A₁A₂/(1+A₁A₂)) (1)

如果A₁A₂远大于1，V_ce就可以以(1+R_f/R₁)比例精确追随参考曲线V_ref。

但是运算放大器不是理想放大元件，其增益随工作频率变化，且会产生相移，相移也是频率的函数，会造成环路的不稳定。

IGBT也不是理想放大元件，它的特性如图2-4：

图2是对IGBT门极的激励曲线V_GE，图3是对应的IGBT集电极电流的输出曲线I_C，图4是对应的IGBT集电极电压的输出曲线V_CE。可以明显看到，不同的时间段t₁t₂t₃t₄，具有完全不同的特性，需要不同的控制策略。

由于运算放大器和IGBT都不是理想的放大器，图1所示的控制器实际不能达到很好的控制效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全数字化的IGBT驱动控制器，能够精确控制IGBT的开通和关闭曲线。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

全数字化的IGBT驱动控制器，包括反馈电阻R1、Rf以及负载(等效为电阻RL)、IGBT，其中，IGBT集电极连接负载(等效为电阻RL)后接入VCC，IGBT发射极接入GND，IGBT的集电极电压通过电阻Rf和电阻R1分压反馈，所述反馈电阻R1、Rf之间节点连接有模数转换器A/D，模数转换器A/D连接有FPGA模块，FPGA模块连接有数模变换器D/A，数模变换器D/A接入IGBT门极；

所述FPGA模块包括数字合成的运算放大器U1A与数字合成的参考信号源Vref，其中，所述运算放大器U1A的正输入端连接模数转换器A/D，负输入端连接参考信号源Vref，参考信号源Vref接入GND，运算放大器U1A输出端连接数模变换器D/A。

本发明的有益效果：本发明利用反馈电阻Rf和R1反馈信号，通过模数转换器A/D变换成数字信号接入FPGA模块，再利用FPGA模块内部用数字方式合成放大器U1A，数字放大器的输出由数模变换器D/A转换成模拟信号控制IGBT，参考曲线Vref也在FPGA内部由数字方式给出，数字放大器可以实现恒定的增益和时间延迟,可以根据IGBT不同的工作状态使用不同的放大器参数，使各状态下IGBT输出曲线成比例精确跟随参考信号源Vref，数字化的抗干扰和抗噪声能力也远强于模拟电路。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是一种实现对IGBT开关曲线进行精确控制的原理示意图；

图2是对IGBT门极的激励曲线V_GE；

图3是对应的IGBT集电极电流的输出曲线I_C；

图4是对应的IGBT集电极电压的输出曲线V_CE；

图5是全数字化IGBT驱动控制器的简化原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

全数字化的IGBT驱动控制器，参见图3，包括反馈电阻R1、Rf、负载(等效为电阻RL)和IGBT；其中，IGBT集电极连接负载(等效为电阻RL)后接入VCC，IGBT发射极接入GND，IGBT集电极电压通过反馈电阻Rf与反馈电阻R1分压反馈；

反馈电阻R1、Rf之间节点连接有模数转换器A/D，模数转换器A/D连接有FPGA模块，FPGA模块连接有数模变换器D/A，数模变换器D/A接入IGBT门极；

由于IGBT的输入电容很大，需要大电流的驱动装置加快IGBT的动作。数模变换器D/A与IGBT门极之间省略了大电流驱动电路，使用各种类型的驱动也都属于专利保护范围。

FPGA模块包括数字合成的运算放大器U1A与数字合成的参考信号源Vref，其中，运算放大器U1A的正输入端连接模数转换器A/D，负输入端连接参考信号源Vref，参考信号源Vref接入GND，运算放大器U1A输出端连接数模变换器D/A；

本发明提供的全数字化IGBT驱动控制器的原理图与图1的模拟式控制器原理图是高度相似的，区别在于Rf和R1反馈信号通过模数转换器A/D变换成数字信号接入FPGA，FPGA内部用数字方式合成放大器U1A，数字放大器的输出由数模变换器D/A转换成模拟信号控制IGBT，参考曲线Vref也在FPGA内部由数字方式合成。

数字实现的优势在于可以实现理想的运算放大器，可以实现恒定的增益和时间延迟。数字化的抗干扰和抗噪声能力也远强于模拟电路。

IGBT开关过程中特性的时变性，数字控制器也方便针对不同时段的IGBT特性，最优化运算放大器的控制策略和补偿策略，使各状态下IGBT输出曲线成比例精确跟随参考信号源Vref。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。