专利名称：具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大功率模块高频驱动器，特别涉及一种具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器。
背景技术：
大功率/特大功率逆变电源(大功率通信电源、电化学电源、大型充电电源装置、 电动汽车能量转换装置等)需要大容量的功率模块或多个功率模块并联应用，对驱动器的功率等级以及性能提出更高的要求(最大驱动功率可达20W)。目前，国内外主流的大功率驱动器件主要包括以EXB841为代表的光隔离型器件以及以2SD315A和脉冲变压器等为代表的磁隔离型器件。光隔离型器件的驱动功率普遍较小，延迟时间较长，隔离电压较低；脉冲变压器的成本较低，但在大功率驱动应用时，体积大，驱动波形易变形，在软开关应用时易出现驱动波形振荡现象；2SD315A的驱动能力好，可靠性高，保护功能完善，但应用成本较高。随着逆变频率(新型的高速IGBT模块工作频率可以达到100kHz)不断提高，对驱动器工作频率的要求也相应提高；为简化电源制造与维护，驱动器最好采用模块化设计； 大功率逆变电源需要大容量的IGBT模块或多个IGBT模块并联应用，要求驱动器有更短的传输延迟时间、可靠而完善的保护功能以及高隔离电压和良好的抗干扰能力；此外，还要简化应用对驱动供电的要求，降低整体的应用成本。因此，研发一款驱动能力强、可靠性高以及成本低的新型高频驱动器并实现国产化具有重要意义。目前，驱动信号的隔离有光隔离和磁隔离两种方式。光隔离方式的隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和可靠性等方面的问题。而采用脉冲变压器隔离方式(磁隔离) 可以实现相对较高的隔离电压，可靠性较高，传输延迟小，可以传输较高频率的脉冲信号， 不存在老化的问题。因此，在高压IGBT驱动器中多数采用脉冲变压器作为隔离元件来完成驱动信号的隔离传输。但是传统的驱动用脉冲变压器通常要求控制脉冲占空比小于50% ； 同时，脉冲变压器磁芯的饱和问题也限制了控制脉冲的导通时间；此外，还存在驱动波形失真问题，尤其是在驱动大功率IGBT并联管组时，由于IGBT的输入电容比较大，脉冲变压器次级输出的驱动脉冲波形很难满足驱动要求。在高压大功率应用场合，根据不同的母线电压，驱动器初次级之间必须要求具有很高的隔离电压耐量。另外一个必须考虑的因素是dv/dt耐量，当IGBT高速开关时，可能产生非常高的dv/dt，此信号可以经过隔离变压器或脉冲变压器耦合到初级控制电路，对控制电路产生干扰。此外，驱动供电也比较复杂，器件较多，在隔离以及布线效果方面不够理
术g
；ο目前，普遍通过检测IGBT集射极电压Vce的值来判断IGBT是否处于短路或过流状态，并根据相应的值来实现短路或过流保护。由于IGBT在开通初期的集电极电压Vce 比较高，如果此时保护电路工作可能造成误动作，影响保护效果，因此必须要有合理有效的 Vce值判断电路，确定IGBT的Vce升高是因为处于开通初期还是处于短路或者过流状态。
此外，为降低和抑制大功率模块在高速关断时产生的尖峰电压，驱动器需要准确识别功率模块所处的各种异常状态，并能及时根据异常状态类型采取相应的保护动作。传统的保护模式，通常由检测电路检测异常状况，然后反馈回控制器，由控制器判断故障类型，然后采取相应的保护动作，由于检测信息反馈和处理的时间较长，保护动作会经常滞后，对IGBT功率模块的保护响应不够及时迅速。人体的肌肉骨骼系统在抵抗外力时能够根据其变形情况迅速进行调整，并且在最快的神经反射之前就能完成，这就是非神经控制的反馈机制——机械超前反馈。如果能够将这种非神经超前机制引入大功率模块的高频驱动器中，能够实现对功率模块及时而有效的保护，则具有重要的借鉴价值。但是据检索，目前还未有融合上述包括高频抗干扰技术、高速隔离技术、基于非神经反馈的超前保护机制以及异常状态有效识别方法等的低成本大功率模块高频驱动技术和产品的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于针对目前国内外大功率模块高频驱动器存在的问题以及相关的技术发展趋势，提出一种具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器。该驱动器应用高速电路设计、高频抗干扰和高速隔离等技术，采用可靠性设计方法，基于非神经超前保护机制研究开发低成本、高性能的大功率高频驱动模块，并具备可靠驱动400A/1700V IGBT功率管以及驱动3个300A/1700VIGBT并联功率管组的性能。为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现一种具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器，其特征在于由用于兼容数字量与模拟量PWM信号的信号接口模块一和信号接口模块二、模式选择模块、故障输出模块、具有PWM信号互锁保护和高频窄脉冲调制以及故障延时自动复位功能的逻辑处理模块、具备输入单路+15V和输出隔离型双路士 18V电压能力的DC/DC供电模块一和DC/DC供电模块二、具备高频窄脉冲信号调理整形和互锁保护的信号重构模块一和信号重构模块二、具备非神经超前机制的检测保护模块一和检测保护模块二、功率放大模块一、功率放大模块二以及磁隔离模块按如下方式连接构成所述信号接口模块一和信号接口模块二的输入端连接数字量或模拟量PWM信号的输入，输出端分别连接逻辑处理模块；所述逻辑处理模块还分别与模式选择模块、故障输出模块和磁隔离模块相连；所述磁隔离模块还分别与检测保护模块一、检测保护模块二、信号重构模块一和信号重构模块二相连；所述检测保护模块一的一个输出端还与功率放大模块一相连，检测保护模块二的一个输出端还与功率放大模块二相连；所述信号重构模块一的一个输出端还与功率放大模块一相连，信号重构模块二的一个输出端还与功率放大模块二相连；所述功率放大模块一和功率放大模块二输出外接功率模块； DC/DC供电模块一和DC/DC供电模块二外接电源。DC/DC供电模块一和DC/DC供电模块二为驱动器所有模块供电。 检测保护模块一和检测保护模块二的内部结构一致，均由具备非神经超前保护机制的IGBT过流/短路检测电路、驱动模块欠压检测电路、逻辑芯片U4和过热检测电路构成；所述IGBT过流/短路检测电路、驱动模块欠压检测电路和过热检测电路的信号均作为逻辑芯片U4的输入信号，所述逻辑芯片U4的输出与功率放大模块一和功率放大模块二的输入相连接。
所述IGBT过流/短路检测电路由用于IGBT短路/过流识别和盲区时间控制的运算放大器U1、电阻R1-R3和Rce、电容Cce、电源Vdcl-Vdc2、开关S以及二极管D3相互连接构成；所述驱动模块欠压检测电路由用于自行产生内部基准电压并进行欠压比较识别的稳压二极管ZD1-ZD2、二极管D1-D2、电阻R8-R14、电容C2、三极管Q1-Q2以及运算放大器U2 相互连接构成；所述过热检测电路由电阻R4-R6和R15、电容Cl、热敏电阻R7以及集成运放芯片U3组成的电压比较电路相互连接构成。所述DC/DC供电模块一和DC/DC供电模块二的内部结构一致，均由用于实现1路 +15V供电产生两组隔离型的士 18V双路输出电压的脉宽发生电路和DC/DC高频开关逆变器连接构成；所述脉宽发生电路由用于产生两路高频推挽PWM信号的脉宽调制芯片U8、电容 C16-C18和C21、电阻R25-R27以及驱动电阻R21-R24连接构成；所述DC/DC高频开关逆变器由采用双线并绕结构和完成功率传递输出两组士 18V的电压、用于传递正向和反向窄脉冲控制信号的高隔离型脉冲变压器、高频功率场效应管、电容、稳压二极管以及整流二极管连接构成。所述逻辑处理模块由信号互锁保护电路、窄脉冲调制电路以及故障延时自动复位电路连接构成；所述信号互锁保护电路由具备高频弱电流静电防护、信号互锁以及波形整形功能的电阻R400-R406、二极管D401-D406、三极管Q402和4个与非门施密特触发器U401A-U401D连接构成；所述窄脉冲调制电路由用于将矩形波上升沿和下降沿调制成正负窄脉冲且恒定部分无输出的MOSFET驱动放大器U3、两组微分电路C406-C409、电阻R415-R416以及电阻电容器件连接构成；所述故障延时自动复位电路由具备故障自动封锁信号输出和故障延时自动复位功能的单稳态触发器U402、三极管Q401-Q405、电阻 R407-R414以及电容C401-C405连接构成。所述信号重构模块一和信号重构模块二内部结构一致，均由高频窄脉冲信号调理电路和脉冲整形电路连接构成；所述高频窄脉冲信号调理电路由具备高频弱电流防护功能的稳压二极管ZD601、二极管D601和D602、电容C602和C603以及电阻R604组成的带通滤波η型结构RC无源滤波器相互连接构成；所述脉冲整形电路由具备波形整形和信号逻辑处理能力的施密特触发器U601-U603、M0SFET驱动器U604-U605、双N和P沟道型MOSFET开关TO06以及由电阻、电容和稳压管组成的外围电路连接构成。所述功率放大模块一和功率放大模块二内部结构一致，均由用于根据控制信号产生正向驱动波形和反向关断波形且在无控制信号输入时输出负电压的电阻R801-R802、三极管Q801-Q804和二极管D801-D802连接构成。所述信号接口模块一和信号接口模块二的内部结构一致。本发明的原理是这样的该驱动器可工作于单路驱动和半桥驱动模式，通过模式选择模块的高低电平信号来确定。信号接口模块一和信号接口模块二分别对应于输入的两路PWM信号，既能兼容数字量PWM信号，也能直接输入模拟量PWM信号。驱动器的两个DC/ DC供电模块只需两路+15V直流供电即可满足驱动器的所有供电要求，简化了电源的制造与维护。逻辑处理模块一是实现信号互锁功能，通过模式选择模块使能，可防止半桥驱动时产生直通现象；二是完成驱动脉冲信号的调制，对脉冲信号进行调制，将其上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号；三是根据磁隔离模块传递过来的故障信号输出相应的信息给故障输出模块；四是实现故障延时自动复位功能。磁隔离模块主要完成窄脉冲信号的高速传递和可靠隔离。信号重构模块一和信号重构模块二主要对磁隔离模块传递过来的高频窄脉冲信号进行变换和重构以获得符合要求的驱动波形，由于脉冲变压器只传递宽度很窄的脉冲信号，因此，驱动信号的占空比可以有很宽的变化范围；由于变压器传递的是窄脉冲信号，其磁芯和绕组均非常小巧紧凑，相应的漏感和分布电容很小，对脉冲变压器的设计和信号的传输也更为有利。检测保护模块一和检测保护模块二对IGBT开关状态、驱动电压值以及温度等进行检测，一旦出现异常，一方面经磁隔离模块和逻辑处理模块传递到故障输出模块，另一方面根据故障类型直接控制功率放大模块一和功率放大模块二，使得驱动波形软关断或者直接封锁输出，实现非神经超前保护，提高保护效果。与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果1、更好的保护效果。由于采用了非神经超前保护机制，对功率器件的保护更直接、 更快速和更准确；2、更低的应用成本。由于采用了磁隔离型脉冲信号调制方法，脉冲变压器只需传递脉宽很窄的高频脉冲信号，脉冲变压器非常小巧；同时，高隔离的DC/DC供电模块只需要两路+15V供电就可以满足该驱动器所有供电需求，极大地简化了外围电源设计和制造工艺。3、工艺适应性更好。由于脉冲变压器只需耦合传递很窄的脉冲信号，不存在传统的脉冲变压器面临的高占空比磁芯饱和等问题，驱动频率和占空比都可在很宽范围内变化；驱动器能够兼容数字信号和模拟信号的输入；此外，还能通过模式选择模块选择驱动器工作于半桥或者单路驱动模式；驱动器采用模块式结构，结构紧凑，只需外接两路+15V 供电就可工作。因此，具有更好的工艺适应性。4、驱动功率更强。由于驱动功率取决于功率放大模块和DC/DC供电模块的能力， 而这两者都可通过提高其高频功率场效应管的参数来增强，驱动功率可高达20W。5、隔离性能更好，电压隔离耐量更高。
图1是本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的总体结构方框图；图2是本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的检测保护模块一或检测保护模块二的工作原理图；图3是本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的DC/DC供电模块一或DC/DC供电模块二的工作原理图；图4是本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的逻辑处理模块的工作原理图；图5是本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的信号重构模块一或信号重构模块二的工作原理图；图6是本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的功率放大模块一或功率放大模块二的工作原理图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例如图1所示，本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器主要由信号接口模块一 101和信号接口模块二 102、模式选择模块200、故障输出模块300、逻辑处理模块 400,DC/DC供电模块一 501和DC/DC供电模块二 502、信号重构模块一 601和信号重构模块二 602、检测保护模块一 701和检测保护模块二 702、功率放大模块一 801和功率放大模块二 802以及磁隔离模块900构成。其中，信号接口模块一 101和信号接口模块二 102、DC/ DC供电模块一 501和DC/DC供电模块二 502、信号重构模块一 601和信号重构模块二 602、 检测保护模块一 701和检测保护模块二 702、功率放大模块一 801和功率放大模块二 802的内部结构完全一样。信号接口模块一 101和信号接口模块二 102的一端连接数字量或模拟量PWM信号的输入，一端连接逻辑处理模块400 ；逻辑处理模块400分别跟信号接口模块一 101、信号接口模块二 102、模式选择模块200、故障输出模块300以及磁隔离模块900相连； DC/DC供电模块一 501和DC/DC供电模块二 502为驱动器所有模块提供供电；磁隔离模块 900分别与逻辑处理模块400、检测保护模块一 701和检测保护模块二 702以及信号重构模块一 601和信号重构模块二 602相连；检测保护模块一 701分别与磁隔离模块900和功率放大模块一 801相连；检测保护模块二 702分别与磁隔离模块900和功率放大模块二 802 相连；信号重构模块一 601分别与磁隔离模块900和功率放大模块一 801相连；信号重构模块二 602分别与磁隔离模块900和功率放大模块二 802相连；功率放大模块一 801和功率放大模块二 802的输出分别连接功率模块，实现功率模块的驱动工作。如图2所示，本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的检测保护模块一或检测保护模块二主要由三大部分构成，即IGBT过流/短路检测电路、驱动模块欠压检测电路以及过热检测电路构成，三个检测信号分别输入逻辑芯片U4进行判断，输入U4的三个信号中的任意一个发生电平改变都会使得U4的输出电平发生翻转，该信号直接控制功率放大模块的输出，使得功率放大模块的驱动信号逐步降低，实现IGBT软关断。过热检测保护电路主要由电阻R4-R6和R15、电容Cl以及热敏电阻R7和集成运放芯片U3构成。当温度发生变化时，R7的电阻值会随着改变，其上的分压也相应发生变化，当其电压超过R4上的电压时，比较器U4的同相和反向输入端信号大小发生改变，使得U4输出电平翻转。运算放大器U1、电阻R1-R3和Rce、电容Cce、电源Vdcl_Vdc2、开关S以及二极管 D3构成了 IGBT过流/短路检测电路，其中Rg为驱动电阻。本发明充分利用了 IGBT的工作特性，当IGBT出现短路或过流时，其工作区将退出饱和区而使IGBT的c、e极间电压Vce 升高，使串联二极管D3的阳极电位相应升高，当超过设定的门槛电压时，Ul翻转，使U4的输出电平翻转，使保护电路动作。由于在IGBT开通的初始阶段，Vce值较高，如果此时保护电路动作会造成误关断，为此本发明非常巧妙的通过一个简单的盲区时间电路来解决该问题，它主要由开关S、电阻Rce，电容Cce来构成。当IGBT关断时，S开通，电容Cce被Vdcl 充电到15V，当IGBT开通时，S关断，Cce电容经Rce放电，其两端的电压由+15V逐渐下降， 使得在IGBT开通初期的参考电压高于检测电压，确保Ul在IGBT开通初期不会产生翻转， 防止保护电路误动作。稳压二极管ZD1-ZD2、二极管D1-D2、电阻R8-R14、电容C2、三极管Q1-Q2以及运算放大器U2构成了欠压检测电路。其中，稳压二极管ZDl相当于驱动器内部稳压源，给欠压检测电路提供一个电压基准值。当驱动器的DC/DC供电模块一和DC/DC供电模二因某些原因导致输出的供电电压V+高于电压基准值的时候，Dl会导通，Ql因正向电压驱动而开通， 导致Q2的基极电压拉低到地而关断，因为Q2关断，使得D2正向导通，给U2的B端口输入电平信号高于A端口。如果V+低于基准电压值，基于上述同样原理，Q2的B端口输入电平信号会被拉低，小于U2的A端口电平，从而使得U2的输出电平信号发生翻转，导致U4输出电平翻转，控制功率放大模块的驱动电压缓慢降低，实现软关断。本发明就是采用这样的非神经超前保护机制来缩短保护动作的时间，即无论是过流、短路、欠压抑或是过热，一旦检测到故障发生，故障检测保护模块直接控制功率放大模块，使之缓慢降低驱动电压(软关断)，从而最大限度地保护IGBT的安全。如图3所示，本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的DC/DC供电模块一和DC/DC供电模块二主要由脉宽发生电路、DC/DC高频开关逆变器构成，由1路+15V 供电产生两组完全隔离的士 18V双路输出电源。其中，脉宽发生电路由脉宽调制芯片U8、电容C16-C18和C21、电阻R25-R27以及驱动电阻R21-R24构成，主要产生两路高频推挽PWM信号，用以驱动控制两组DC/DC逆变器；脉宽调制芯片U8为SG3525 ；高频功率场效应管U5A， U5B, C16, Tl-2, D8A-D15A, ZD6A-ZD7A，C15A, C18A 构成第一组 DC/DC 逆变器，产生士 18V 双路输出电压；高频功率场效应管 U6A，U6B, C20, T2-2, D8B-D15B, ZD6B-ZD7B, C15B, C18B 构成第二组DC/DC逆变器，产生另外一组士 18V双路输出电压；本发明的变压器T1-2和T2-2 均采用双线并绕结构，不仅要传递功率，输出两组士 18V电压，还要传递经过信号调制模块调制之后的窄脉冲信号，即本发明变压器T1-2和T2-2分别与磁隔离模块中的变压器Tl-I 和T2-1共用磁芯，此外，磁隔离模块的Tl-I和T2-1还要反向传递由检测保护模块输出的故障信号给逻辑处理模块。通过这种创新结构，大幅度降低了制作成本，驱动器的结构更为紧凑，体积更为小巧。如图4所示，本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的逻辑处理模块主要由信号互锁保护电路、窄脉冲调制电路以及故障延时自动复位电路构成。其中，INA 和INB为两路输入PWM信号，FAULT为输出故障信号。信号互锁保护电路主要由电阻R400-R406、二极管D401-D406、三极管Q402和与非门施密特触发器U401构成。其中，D40U402均为BAV99，构成1组高频弱电流静电防护电路，D403和D404也为BAV99，构成另外一组高频弱电流静电防护电路，防止高频噪声或者干扰源的破坏，而U401为4与非门施密特触发器，内部有4个施密特触发器，分别为U401A， U401B, U401C和U401D。INA输入信号经过高频弱电流静电防护电路之后进入U401A的1 脚，同时输入U401D，经与非之后输入U401C的9脚，与输入U401C的8脚的另一路PWM信号 INB进行互锁；同样的，INB的输入信号也经过U401B与非处理之后引入U401A的2脚，与 INB信号实现互锁，通过这种方式可防止在半桥工作模式时出现直通现象；INA和INB分别经过U401A和U401C后进行波形整形，得到规则的矩形波；同时，U401A的2脚和U401C的 9脚分别通过二极管D405和D406连接到Q402，当有故障发生时，Q402导通，相当于U401A 的2脚和U401C的9脚的电平被拉低，使得U401A和U401C的输出均为高电平。窄脉冲调制电路主要由U3、电容C406-C409以及电阻R415-R416构成，其中，U3为 MOSFET驱动放大器，主要起到信号的放大作用，R415和C409，R416和C407构成了两组微分电路，把U3输出的矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即输入矩形波的上升沿和下降沿才有输出，而对恒定部分则没有输出。输出的窄脉冲波形的宽度与R415XC409和R416XC407的值有关(即电路的时间常数)，值越小，脉冲波形就越窄。该两路窄脉冲波形分别经磁隔离模块的脉冲变压器Tl-I和T2-1传递到信号同构模块。故障延时自动复位电路主要由三极管Q401-Q405、电阻R407-R414、电容 C401-C405以及U402构成，其中U402为单稳态触发器。当发生故障时，检测保护模块输出的使能信号经磁隔离模块Tl-I或者T2-2反向传递，产生一个反向尖脉冲，该脉冲会触发 Q405或Q404导通，电容C405被充电，电压升高到高电平，使得三极管Q403导通，U402的2 脚电平被拉到低电平，单稳态触发器被触发，U402的3脚输出电平翻转，触发Q402，Q402的导通会导致U401A的2脚和U401C的9脚的电平被拉低，使得U401A和U401C的输出均为高电平。单稳态触发器输出电平翻转保持时间(延迟时间)由R410XC401的值来确定。如图5所示，本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的信号重构模块一和信号重构模块二主要由高频窄脉冲信号调理电路以及脉冲整形电路构成。从磁隔离模块变压器T1-2 (或T2-2)传递过的高频窄脉冲信号经过ZD601、D601和D602构成的高频弱电流防护电路滤除部分噪声信号并进行防静电保护之后，经过C602、C603和R604构成的 JI型结构RC无源滤波调理之后，输入到施密特触发器TO01-U603进行波形整形和逻辑处理。其中，故障信号输入来自于检测保护模块，低电平使能，在正常工作情况下，该输入信号为高电平，此时，如T1-2耦合传递过来的是正脉冲信号，则TOOl的1脚为高电平，2脚为高电平，则TOO 1输出高电平，U602输出也为高电平，U604为低电平，而TO05为高电平，则U606 的P沟道型MOSFET导通，N沟道型MOSFET关断；反之，同理可知，如T1-2耦合传递过来的是负脉冲信号，则U606的P沟道型MOSFET关断，N沟道型MOSFET开通，这样就可以给功率放大模块提供与PWM信号占空比对应的正负驱动信号；但故障信号为低电平时，TO04输出高电平，而TO05输出低电平，TO06的两个MOSFET均关闭。当故障信号从高电平转换为低电平时，三极管Q601被触发导通，产生一个窄脉冲信号并经T1-2传递到逻辑处理模块。如图6所示，本发明具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器的功率放大模块一和功率放大模块二主要由电阻R801-R802、三极管Q801-Q804、二极管D801-D802等构成。信号重构模块输出的正负波形经电阻R801输入功率放大模块，如输入的波形为正值， 则Q801和Q802同时导通，Q803和Q804关断，这时功率放大模块的输出GA为正向驱动波形，驱动IGBT开通；当输入波形为负值时，Q803和Q804同时导通，Q801和Q802同时关断， 这时功率放大模块的输出GA为反向关断波形，驱动IGBT关断；当无输入信号时，因负电压 V-的存在，Q803和Q804导通，而Q801和Q802关断，此时功率放大模块的输出GA为反向关断波形，保证IGBT的工作安全。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器，其特征在于由用于兼容数字量与模拟量PWM信号的信号接口模块一和信号接口模块二、模式选择模块、故障输出模块、 具有PWM信号互锁保护和高频窄脉冲调制以及故障延时自动复位功能的逻辑处理模块、具备输入单路+15V和输出隔离型双路士 18V电压能力的DC/DC供电模块一和DC/DC供电模块二、具备高频窄脉冲信号调理整形和互锁保护的信号重构模块一和信号重构模块二、具备非神经超前机制的检测保护模块一和检测保护模块二、功率放大模块一、功率放大模块二以及磁隔离模块按如下方式连接构成所述信号接口模块一和信号接口模块二的输入端连接数字量或模拟量PWM信号的输入，输出端分别连接逻辑处理模块；所述逻辑处理模块还分别与模式选择模块、故障输出模块和磁隔离模块相连；所述磁隔离模块还分别与检测保护模块一、检测保护模块二、信号重构模块一和信号重构模块二相连；所述检测保护模块一的一个输出端还与功率放大模块一相连，检测保护模块二的一个输出端还与功率放大模块二相连；所述信号重构模块一的一个输出端还与功率放大模块一相连，信号重构模块二的一个输出端还与功率放大模块二相连；所述功率放大模块一和功率放大模块二输出外接功率模块；DC/DC供电模块一和DC/DC供电模块二外接电源。
2.根据权利要求1所述的具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器，其特征在于检测保护模块一和检测保护模块二的内部结构一致，均由具备非神经超前保护机制的 IGBT过流/短路检测电路、驱动模块欠压检测电路、逻辑芯片U4和过热检测电路构成；所述IGBT过流/短路检测电路、驱动模块欠压检测电路和过热检测电路的信号均作为逻辑芯片U4的输入信号，所述逻辑芯片U4的输出与功率放大模块一和功率放大模块二的输入相连接。
3.根据权利要求2所述的具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器，其特征在于所述IGBT过流/短路检测电路由用于IGBT短路/过流识别和盲区时间控制的运算放大器U1、电阻R1-R3和Rce、电容Cce、电源Vdcl_Vdc2、开关S以及二极管D3相互连接构成；所述驱动模块欠压检测电路由用于自行产生内部基准电压并进行欠压比较识别的稳压二极管ZD1-ZD2、二极管D1-D2、电阻R8-R14、电容C2、三极管Q1-Q2以及运算放大器U2相互连接构成；所述过热检测电路由电阻R4-R6和R15、电容Cl、热敏电阻R7以及集成运放芯片U3组成的电压比较电路相互连接构成。
4.根据权利要求1所述的具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器，其特征在于所述DC/DC供电模块一和DC/DC供电模块二的内部结构一致，均由用于实现1路+15V供电产生两组隔离型的士 18V双路输出电压的脉宽发生电路和DC/DC高频开关逆变器连接构成；所述脉宽发生电路由用于产生两路高频推挽PWM信号的脉宽调制芯片U8、电容C16-C18 和C21、电阻R25-R27以及驱动电阻R21-R24连接构成；所述DC/DC高频开关逆变器由采用双线并绕结构和完成功率传递输出两组士 18V的电压、用于传递正向和反向窄脉冲控制信号的高隔离型脉冲变压器、高频功率场效应管、电容、稳压二极管以及整流二极管连接构成。
5.根据权利要求1所述的具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器，其特征在于所述逻辑处理模块由信号互锁保护电路、窄脉冲调制电路以及故障延时自动复位电路连接构成；所述信号互锁保护电路由具备高频弱电流静电防护、信号互锁以及波形整形功能的电阻R400-R406、二极管D401-D406、三极管Q402和4个与非门施密特触发器U401A-U401D连接构成；所述窄脉冲调制电路由用于将矩形波上升沿和下降沿调制成正负窄脉冲且恒定部分无输出的MOSFET驱动放大器U3、两组微分电路C406-C409、电阻R415-R416以及电阻电容器件连接构成；所述故障延时自动复位电路由具备故障自动封锁信号输出和故障延时自动复位功能的单稳态触发器U402、三极管Q401-Q405、电阻 R407-R414以及电容C401-C405连接构成。
6.根据权利要求1所述的具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器，其特征在于所述信号重构模块一和信号重构模块二内部结构一致，均由高频窄脉冲信号调理电路和脉冲整形电路连接构成；所述高频窄脉冲信号调理电路由具备高频弱电流防护功能的稳压二极管ZD601、二极管D601和D602、电容C602和C603以及电阻R604组成的带通滤波π 型结构RC无源滤波器相互连接构成；所述脉冲整形电路由具备波形整形和信号逻辑处理能力的施密特触发器U601-U603、MOSFET驱动器U604-U605、双N和P沟道型MOSFET开关 U606以及由电阻、电容和稳压管组成的外围电路连接构成。
7.根据权利要求1所述的具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器，其特征在于所述功率放大模块一和功率放大模块二内部结构一致，均由用于根据控制信号产生正向驱动波形和反向关断波形且在无控制信号输入时输出负电压的电阻R801-R802、三极管 Q801-Q804和二极管D801-D802连接构成。
8.根据权利要求1所述的具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器，其特征在于所述信号接口模块一和信号接口模块二的内部结构一致。
全文摘要
本发明提供了一种具备非神经超前机制的大功率模块高频驱动器。该驱动器由信号接口模块一和信号接口模块二、模式选择模块、故障输出模块、具有PWM信号互锁保护和高频窄脉冲调制以及故障延时自动复位功能的逻辑处理模块、具备输入单路+15V和输出隔离型双路±18V电压能力的DC/DC供电模块一和DC/DC供电模块二、具备高频窄脉冲信号调理整形和互锁保护的信号重构模块一和信号重构模块二、具备非神经超前机制的检测保护模块一和检测保护模块二、功率放大模块一、功率放大模块二以及磁隔离模块连接构成。该高频驱动器具有好的保护效果、低应用成本、工艺适应性好、驱动功率强、隔离性能好和电压隔离耐量高等优点。
文档编号H03K17/567GK102510276SQ20111034034
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者佘欣仁, 唐少杰, 张芩, 潘成熔, 王振民 申请人:华南理工大学