專利名稱：大功率igbt光纖驅(qū)動電路的故障保護(hù)復(fù)位控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子IGBT驅(qū)動電路的故障保護(hù)復(fù)位控制系統(tǒng)及控制方法，尤其涉及一種高壓大功率光纖驅(qū)動故障保護(hù)復(fù)位控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)結(jié)合了 MOSFET和雙極型晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有開關(guān)頻 率高、驅(qū)動簡單、通態(tài)壓降小、耐壓高、通流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來在大功率開關(guān)電源、交流 傳動、電力系統(tǒng)等場合得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。由于IGBT的特性，在短路和過流時會 出現(xiàn)過熱、電流擎住效應(yīng)等不良工作狀況，嚴(yán)重時可能造成IGBT損壞，因此良好的驅(qū)動和 保護(hù)電路對IGBT穩(wěn)定、高效、安全地運(yùn)行至關(guān)重要。由IGBT的特性，過流時IGBT的C-E間電壓會急劇增加。這樣IGBT將在高電壓、 大電流下工作，必須及時檢測到這一情況，封鎖驅(qū)動并給出故障信號。一般通過C-E極通態(tài) 壓降檢測。當(dāng)芯片檢測到故障時，驅(qū)動芯片一直鎖定在故障狀態(tài)，下次發(fā)送驅(qū)動信號時需要 對電路復(fù)位，一般復(fù)位方法主要有外部單獨(dú)復(fù)位和自動復(fù)位。外部單獨(dú)型需占用微處理器 1路IO 口，而高壓場合使用光纖通信，若單獨(dú)增加一路光纖傳遞復(fù)位信號，成本高且結(jié)構(gòu)復(fù) 雜。采用自動復(fù)位方式，即利用驅(qū)動信號進(jìn)行同步式的“周期”復(fù)位，可在不增加硬件成本 的情況下達(dá)到復(fù)位功能，。但由于控制器接收故障信息并響應(yīng)中斷需要一定的時間，而在此時間內(nèi)應(yīng)一直維 持驅(qū)動芯片的故障狀態(tài)。當(dāng)采用以上同步自動復(fù)位電路時，由于每個周期都會復(fù)位，故障維 持時間不到一個PWM開關(guān)周期。當(dāng)脈沖頻率較高時故障維持時間將很短，可能造成故障信 息還未觸發(fā)DSP的中斷便被自動復(fù)位引起撤消，難以保證控制器可靠接收故障信息并及時 作出響應(yīng)。同時，根據(jù)過流檢測與自動復(fù)位的原理，只能在復(fù)位后下一周期開通信號前沿延 時一段時間(一般為3 μ s左右盲區(qū))，才能再次有效地檢測到故障的存在并重新封鎖驅(qū)動 信號，因此在DSP控制器未可靠接收到故障信息及時作出處理前，驅(qū)動電路輸出端會出現(xiàn) 連續(xù)開通短脈沖信號。這時IGBT會在過流情況下連續(xù)地以短脈沖開通。長時間工作在此 狀態(tài)時IGBT可能會因連續(xù)不完全導(dǎo)通或過流積累的熱效應(yīng)而損壞。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對大功率光纖驅(qū)動電路的故障保護(hù)及其自動復(fù)位 控制方法現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種延長故障出現(xiàn)后的驅(qū)動信號封鎖時間，克服自動 復(fù)位方式下頻繁復(fù)位造成的過流積累現(xiàn)象，保證前級系統(tǒng)控制器可靠中斷響應(yīng)的復(fù)位控制 方法。技術(shù)方案本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案
一種大功率IGBT光纖驅(qū)動電路的故障保護(hù)復(fù)位控制系統(tǒng)，包括光纖收發(fā)單元，復(fù)位信號封鎖單元，復(fù)位信號發(fā)生單元、反相器和驅(qū)動控制器單元；其中光纖收發(fā)單元的接收 端分別與復(fù)位信號發(fā)生單元的第一輸入端、反相器的輸入端連接，反相器的輸出端與驅(qū)動 控制器單元的接收端連接；復(fù)位信號發(fā)生單元的輸出端與驅(qū)動控制器單元的復(fù)位端連接； 復(fù)位信號發(fā)生單元的第二輸入端與復(fù)位信號封鎖單元的輸出端連接；驅(qū)動控制器單元的故 障信號輸出端分別與復(fù)位信號發(fā)生單元的第三輸入端、復(fù)位信號封鎖單元的輸入端、光纖 收發(fā)單元的發(fā)送端連接。一種基于本發(fā)明的大功率IGBT光纖驅(qū)動電路的故障保護(hù)復(fù)位控制系統(tǒng)的控制方 法，利用故障信號的邊沿產(chǎn)生一個延時，在這段延時時間內(nèi)由復(fù)位信號封鎖單元屏蔽驅(qū)動 信號對驅(qū)動芯片的復(fù)位，延長故障出現(xiàn)后的故障信號和驅(qū)動信號封鎖時間；延時結(jié)束后驅(qū) 動信號的邊沿通過復(fù)位信號發(fā)生單元產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖送給驅(qū)動控制器單元的相應(yīng)引腳 使芯片復(fù)位。具體步驟如下1.)正常工作狀態(tài)下，光纖收發(fā)單元正常輸入驅(qū)動脈沖，驅(qū)動控制器單元的驅(qū)動芯 片的故障引腳輸出高電平，復(fù)位信號發(fā)生單元、復(fù)位信號封鎖單元的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A和單 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器B都處于穩(wěn)態(tài)，輸出高電平，不輸出復(fù)位信號；2.)檢測到故障狀態(tài)后，驅(qū)動控制器單元軟關(guān)斷驅(qū)動脈沖并通過故障引腳輸出低 電平給出故障信號，將此信號分別送給光纖收發(fā)單元，復(fù)位信號封鎖單元，復(fù)位信號發(fā)生單 元，在芯片得到復(fù)位之前驅(qū)動控制器單元的故障腳一直維持低電平；3.)光纖收發(fā)單元的光電接收頭同時將接收到的故障信號通過光纖發(fā)送給前端控 制系統(tǒng)，前級系統(tǒng)控制器中斷驅(qū)動信號的發(fā)送；4.)復(fù)位信號封鎖單元接收到故障信號后進(jìn)入延時階段，輸出一段時間為、的低 電平封鎖信號，將此信號送到復(fù)位信號發(fā)生單元，使其此時不輸出復(fù)位信號；5.)當(dāng)復(fù)位信號封鎖單元的封鎖時間、結(jié)束后，若復(fù)位信號發(fā)生單元再次接收到 光纖收發(fā)單元的驅(qū)動脈沖跳變時，輸出一脈寬為t2的低電平復(fù)位信號到驅(qū)動控制器單元， 完成受光纖收發(fā)單元在前級系統(tǒng)控制器控制信號所控制下的復(fù)位操作，使驅(qū)動控制器復(fù) 位，電路重新進(jìn)入新的正常工作狀態(tài)。有益效果本發(fā)明所述驅(qū)動電路的故障保護(hù)與復(fù)位控制方法利用故障信號的邊沿產(chǎn)生一個 延時，在這段延時時間內(nèi)由復(fù)位信號封鎖單元屏蔽驅(qū)動信號對驅(qū)動芯片的復(fù)位，延長故障 出現(xiàn)后的故障信號和驅(qū)動信號封鎖時間；延時結(jié)束后驅(qū)動信號的邊沿通過復(fù)位信號發(fā)生單 元產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖送給驅(qū)動控制器的相應(yīng)引腳使芯片復(fù)位。本發(fā)明的故障保護(hù)與復(fù)位控 制方法，延長故障出現(xiàn)后的驅(qū)動信號封鎖時間，克服了自動復(fù)位方式下頻繁復(fù)位造成的過 流積累現(xiàn)象，為控制器的中斷響應(yīng)提供了保障。本發(fā)明不需要額外占用前級系統(tǒng)控制器IO 口作復(fù)位口，省去了一路用于傳遞復(fù)位信號的光纖，簡易可行，提高了系統(tǒng)的可靠性。


圖1 本發(fā)明大功率IGBT光纖驅(qū)動電路的故障狀態(tài)復(fù)位結(jié)構(gòu)圖。圖2 本發(fā)明大功率IGBT光纖驅(qū)動故障狀態(tài)復(fù)位電路圖。圖3 本發(fā)明驅(qū)動控制方法流程圖。
圖4 本發(fā)明大功率IGBT光纖驅(qū)動電路的故障狀態(tài)復(fù)位時序圖。圖5 本發(fā)明中單片機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電路故障狀態(tài)自動復(fù)位示意圖。具體實(shí)施方法本發(fā)明利用驅(qū)動脈沖的邊沿產(chǎn)生復(fù)位信號，利用故障信號的邊沿產(chǎn)生復(fù)位信號的封鎖信號，即保證故障剛剛發(fā)生后一段時間內(nèi)不復(fù)位芯片，這樣使這段時間內(nèi)芯片不工作， 過了這段封鎖時間后再利用驅(qū)動信號的邊沿產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖復(fù)位芯片。所述的大功率IGBT光纖驅(qū)動電路的故障狀態(tài)復(fù)位結(jié)構(gòu)如圖1所示(以驅(qū)動控制 器選擇安捷倫公司驅(qū)動光耦HCPL-316J，光纖收發(fā)單元選用安華高公司的1521Z/2521Z組 成，復(fù)位信號封鎖單元和復(fù)位信號發(fā)生單元均選用TI公司的74HC123為例)，該系統(tǒng)主要 包括光纖收發(fā)單元101 ；復(fù)位信號封鎖單元102 ；復(fù)位信號發(fā)生單元103 ；驅(qū)動控制器單元 104。IGBT光纖驅(qū)動的故障狀態(tài)復(fù)位具體電路圖如圖2所示。以圖2為對象說明如下其中光纖收發(fā)單元101為光電收發(fā)單元，主要用于通過光纖與控制系統(tǒng)通信，接 收驅(qū)動脈沖信號和發(fā)送故障信號；復(fù)位信號封鎖單元102單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器B的B腳和@接 高電平，:i腳接驅(qū)動控制器單元104的^7引腳，當(dāng)接收到以上百^引腳的故障信號時， 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器B達(dá)到暫穩(wěn)態(tài)，。腳輸出低電平，并以此作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A的@引腳輸入 用于封鎖暫穩(wěn)態(tài)時間段內(nèi)的復(fù)位信號，封鎖時間(即暫穩(wěn)態(tài)時間)由其外接阻容RExt2、CExt2 來設(shè)置，暫穩(wěn)態(tài)時間公式如下tw^0. 45XRExtXCExt (1)復(fù)位信號發(fā)生單元103的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A的:i腳也接驅(qū)動控制器單元104的^^ 引腳，。腳輸出作為驅(qū)動控制器單元104的互^引腳輸入用于復(fù)位驅(qū)動芯片，其復(fù)位信號 的維持時間(即暫穩(wěn)態(tài)時間)由其外接阻容RExtl、CExtl來設(shè)置；驅(qū)動控制器單元104為主驅(qū) 動芯片(本例為HCPL-316J)，它將輸入的信號轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動IGBT的驅(qū)動信號用于驅(qū)動 IGBT，并具備檢測過流、驅(qū)動欠壓等故障功能，當(dāng)檢測到故障時停止驅(qū)動信號輸出，將芯片 鎖定在故障狀態(tài)并通過^7引腳輸出故障信號，必須復(fù)位后才能正常工作。正常工作時，驅(qū)動驅(qū)動控制器單元104正常發(fā)送驅(qū)動脈沖， ·引腳輸出為高電 平(即無故障)。驅(qū)動芯片檢測到發(fā)生故障時， ·引腳的故障信號一方面輸給復(fù)位信號 封鎖單元102單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器B的X引腳觸發(fā)復(fù)位脈沖的封鎖信號，同時輸入到復(fù)位信號發(fā)生 單元103單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A的X引腳，作為復(fù)位信號的觸發(fā)源，另一方面輸入到光纖收發(fā)單元 101的光電發(fā)送頭通過光纖發(fā)給控制系統(tǒng)；光纖收發(fā)單元101接收到驅(qū)動信號一方面通過 反向器輸給驅(qū)動芯片的驅(qū)動輸入端，另一方面同時輸入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A的B引腳，作為復(fù) 位信號的觸發(fā)源；當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器B的各輸入端達(dá)到暫穩(wěn)態(tài)條件時，其^腳輸出復(fù)位信號。 使用計(jì)算機(jī)軟件或采用CLPD等可編程邏輯器件均可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。本發(fā)明一種使用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)上述方法的具體過程如下所述的故障狀態(tài)自動復(fù)位的控制方法具體過程如下微處理器的一個端口接收到 驅(qū)動電路的故障信號后立即啟動定時器延時，在這段延時時間內(nèi)微處理器的另一個端口不 向驅(qū)動電路發(fā)出復(fù)位信號，屏蔽光纖接收單元所有接收到的可能引起驅(qū)動電路復(fù)位的信號 跳變沿；延時結(jié)束后微處理器的另一個端口產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖送給驅(qū)動電路的復(fù)位引腳使 芯片復(fù)位。如圖5所示，以美國微芯公司的單片機(jī)PIC16F876為例。微處理器103的端口PB2(23引腳)接收到驅(qū)動電路的故障信號后立即啟動定時器延時，在這段延時時間內(nèi)微處 理器的端口 PB4 (25引腳)不向驅(qū)動電路發(fā)出復(fù)位信號，屏蔽光纖接收單元所有接收到的可 能引起驅(qū)動電路復(fù)位的信號跳變沿；延時結(jié)束后微處理器的端口 PB5 (26引腳)產(chǎn)生一個復(fù) 位脈沖送給驅(qū)動電路的復(fù)位引腳使芯片復(fù)位，驅(qū)動電路恢復(fù)正常工作。本發(fā)明一種采用CLPD等可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)上述方法的具體過程如下具體實(shí)現(xiàn)方法是預(yù)先通過VHDL語言描述說明書圖2中的102與103硬件電路的 時序邏輯功能，然后將這種邏輯編程燒制在可編程芯片中，猶如定制一種實(shí)現(xiàn)上述方法功 能的專用芯片。圖3是使用計(jì)算機(jī)軟件或采用CLPD等可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種軟件流 程圖。圖4是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)后大功率IGBT光纖驅(qū)動電路的故障狀態(tài)復(fù)位時序圖。驅(qū)動電路 一旦檢測到發(fā)生故障，^斤故障信號就一直維持tf時間，在這段時間內(nèi)復(fù)位信號被封鎖、 時間段，封鎖期內(nèi)不響應(yīng)任何驅(qū)動信號。只有當(dāng)封鎖時間、結(jié)束，才可由來自驅(qū)動輸入端的 驅(qū)動信號跳變沿解除封鎖，同時復(fù)位信號發(fā)生單元產(chǎn)生一個^^復(fù)位脈沖t2。由此可見， 本發(fā)明的故障保護(hù)與復(fù)位控制系統(tǒng)及方法，完全克服了自動復(fù)位方式下頻繁復(fù)位造成的過 流積累現(xiàn)象。
權(quán)利要求
一種大功率IGBT光纖驅(qū)動電路的故障保護(hù)復(fù)位控制系統(tǒng)，其特征在于包括光纖收發(fā)單元(101)，復(fù)位信號封鎖單元(102)，復(fù)位信號發(fā)生單元(103)、反相器和驅(qū)動控制器單元(104)；其中光纖收發(fā)單元(101)的接收端分別與復(fù)位信號發(fā)生單元(103)的第一輸入端、反相器的輸入端連接，反相器的輸出端與驅(qū)動控制器單元(104)的接收端連接；復(fù)位信號發(fā)生單元(103)的輸出端與驅(qū)動控制器單元(104)的復(fù)位端連接；復(fù)位信號發(fā)生單元(103)的第二輸入端與復(fù)位信號封鎖單元(102)的輸出端連接；驅(qū)動控制器單元(104)的故障信號輸出端分別與復(fù)位信號發(fā)生單元(103)的第三輸入端、復(fù)位信號封鎖單元(102)的輸入端、光纖收發(fā)單元(101)的發(fā)送端連接。
2.一種基于權(quán)利要求1所述的大功率IGBT光纖驅(qū)動電路的故障保護(hù)復(fù)位控制系統(tǒng)的 控制方法，其特征在于利用故障信號的邊沿產(chǎn)生一個延時，在這段延時時間內(nèi)由復(fù)位信號 封鎖單元(102)屏蔽驅(qū)動信號對驅(qū)動芯片的復(fù)位，延長故障出現(xiàn)后的故障信號和驅(qū)動信號 封鎖時間；延時結(jié)束后驅(qū)動信號的邊沿通過復(fù)位信號發(fā)生單元(103)產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖送 給驅(qū)動控制器單元(104)的相應(yīng)引腳使芯片復(fù)位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大功率IGBT光纖驅(qū)動電路的故障保護(hù)復(fù)位控制系統(tǒng)的控制 方法，其特征在于具體步驟如下[1.)正常工作狀態(tài)下，光纖收發(fā)單元(101)正常輸入驅(qū)動脈沖，驅(qū)動控制器單元(104) 的驅(qū)動芯片的故障引腳輸出高電平，復(fù)位信號發(fā)生單元(103)、復(fù)位信號封鎖單元(102)的 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器B都處于穩(wěn)態(tài)，輸出高電平，不輸出復(fù)位信號；[2.)檢測到故障狀態(tài)后，驅(qū)動控制器單元(104)軟關(guān)斷驅(qū)動脈沖并通過故障引腳輸出 低電平給出故障信號，將此信號分別送給光纖收發(fā)單元(101)、復(fù)位信號封鎖單元(102)、 復(fù)位信號發(fā)生單元(103)，驅(qū)動控制器單元(104)未得到復(fù)位信號之前其故障腳一直維持 低電平；[3.)光纖收發(fā)單元(101)的光電接收頭同時將接收到的故障信號通過光纖發(fā)送給前級 系統(tǒng)控制器，前級系統(tǒng)控制器中斷驅(qū)動信號的發(fā)送；[4.)復(fù)位信號封鎖單元(102)接收到故障信號后進(jìn)入延時階段，輸出一段時間為、的 低電平封鎖信號，將此信號送到復(fù)位信號發(fā)生單元(103)，使其此時不輸出復(fù)位信號；[5.)當(dāng)復(fù)位信號封鎖單元(102)的封鎖時間、結(jié)束后，若復(fù)位信號發(fā)生單元(103)再 次接收到光纖收發(fā)單元(101)的驅(qū)動脈沖跳變時，輸出一脈寬為、的低電平復(fù)位信號到驅(qū) 動控制器單元(104)，完成受光纖收發(fā)單元(101)在前級系統(tǒng)控制器控制信號所控制下的 復(fù)位操作，使驅(qū)動控制器復(fù)位，電路重新進(jìn)入新的正常工作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種大功率IGBT光纖驅(qū)動電路的故障保護(hù)復(fù)位控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的系統(tǒng)包括光纖收發(fā)單元，復(fù)位信號封鎖單元，復(fù)位信號發(fā)生單元、反相器和驅(qū)動控制器單元；本發(fā)明控制方法利用故障信號的邊沿產(chǎn)生一個延時，在這段延時時間內(nèi)由復(fù)位信號封鎖單元屏蔽驅(qū)動信號對驅(qū)動芯片的復(fù)位，延長故障出現(xiàn)后的故障信號和驅(qū)動信號封鎖時間；延時結(jié)束后驅(qū)動信號的邊沿通過復(fù)位信號發(fā)生單元產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖送給驅(qū)動控制器的相應(yīng)引腳使芯片復(fù)位。本發(fā)明的故障保護(hù)與復(fù)位控制系統(tǒng)及方法，延長故障出現(xiàn)后的驅(qū)動信號封鎖時間，克服了自動復(fù)位方式下頻繁復(fù)位造成的過流積累現(xiàn)象，為前級系統(tǒng)控制器的中斷響應(yīng)提供了保障。
文檔編號H02H7/20GK101814728SQ201010149719
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者何禮高, 李旭, 杜恩利, 馬彥林 申請人:南京航空航天大學(xué);常州聯(lián)力自動化科技有限公司