专利名称：智能绝缘栅双极晶体管控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于动态谐波滤波器的智能绝缘栅双极晶体管控制器。
背景技术：
随着工业技术的快速发展，诸多非线性负荷，如直流电机、直流电源、变频调速器、 整流设备、电镀电解设备、中高频感应加热设备、电池充电机、晶闸管温控加热设备、电力机 车、通讯设备、音像设备、变频器、计算机等接入电网，电网谐波含量逐年升高。电网谐波导 致的各种危害日益突出，如增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电 设备的有效容量和效率；产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；由于 涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热；引起无功补偿电 容器谐振和谐波放大，导致电容器因过电流或过电压而损坏或无法投入运行等。这些危害 使我们认识到电力谐波进行治理刻不容缓。在谐波治理过程中，绝缘栅双极晶体管(IGBT)以其稳定的电力电子开关特性得 到了广泛的关注，设计一种稳定可靠的绝缘栅双极晶体管控制与驱动一体化装置显得尤为 重要。而在现阶段，存在有一些相关设备，例如在中国专利CN200420054768.9中，发明 了一种绝缘栅双极晶体管门极驱动隔离装置，它包括脉宽调制器、光电偶合器、推挽放大器 和绝缘栅双极晶体管，但该发明并不能有效的实时在线控制绝缘栅双极晶体管，不能满足 脉宽无级可调的要求。中国专利CN200720064144. 9提出了一种逆变弧焊机的绝缘栅双极 晶体管驱动及保护装置，主要解决了对绝缘栅双极晶体管的保护问题，并没有过多涉及到 绝缘栅双极晶体管的控制。上述专利功能比较单一，主要涉及绝缘栅双极晶体管的驱动保 护，不能自行产生和控制PWM波形的输出，因此不能满足“动态谐波滤波器(专利申请号为 200910063641. 0，是本申请人先前申请的发明专利)”中基于绝缘栅双极晶体管的拓扑结构 控制器的要求。本实用新型正是用于解决在“动态谐波滤波器”中绝缘栅双极晶体管的触发控制 及短路过流保护等问题。所述“动态谐波滤波器”，是一种用于在长期工作过程中保持滤波 器滤波精度和滤波效果始终不变的设备，其主要是采用了无源滤波原理，使用自行研制的 可变电抗器，通过调节电抗器副边电抗值从而改变其原边电抗，原边电抗与滤波电容共同 构成了无源调谐滤波器。所采用的可变电抗器副边电抗控制器主要由电力电子开关器件及 微处理器组成，其中电力电子开关器件可选用晶闸管或者绝缘栅双极晶体管实现。然而随着技术的发展，各行各业对电力电子开关器件触发装置提出的性能要求越 来越高，特别是大功率的绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块，不仅要求栅极输入PWM波形稳定 度高，占空比可调，还要求能够根据特殊应用领域的特点实现全数字化控制和信息化管理， 如数据采集、直接数字控制(DDC)、数字化键盘及显示、智能控制算法和网络化数据远传等。 要实现这些功能，专用PWM集成电路是无法胜任的，因此选用各种微处理器作为装置控制 核心来统一完成所要求的功能是一种很好的选择方案。微处理器除完成各种控制和管理工 作之外，如何产生稳定可靠、调节灵活的PWM控制信号也是研究人员尤其关注和研究的重要问题，它对开关器件的使用性能具有决定性作用。绝缘栅双极晶体管(IGBT)驱动电路的关键是驱动保护电路的设计，良好的驱动 电路必须保证IGBT的开关损耗量尽可能小。在IGBT承受短路电流时，如能实现可靠关断， 则可以保护IGBT。要很好使用IGBT，必须根据它的特点设计合理的、保护措施齐全的驱动 电路进行控制，否则很容易造成IGBT的损坏。发明内容本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术缺陷，提供一种结构相对简单， 性能稳定可靠的智能绝缘栅双极晶体管控制器。本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是包括两个微处理器、驱动保护电 路以及智能传感器。其中智能传感器获取所需的信号，并按照MOD-BUS总线接口与第一微 处理器通信，第二微处理器与第一微处理器通过串行口相连，第二微处理器将六路PWM波 形信号输出到驱动保护电路，驱动保护电路与绝缘栅双极晶体管相连；第一微处理器外接 触摸显示屏；第二微处理器外接报警电路、上位机接口。本实用新型与现有技术相比具有以下主要的有益效果1.采用双处理器，将信号采集与PWM波形输出分离控制，保证了驱动控制过程高 效、准确。2.根据反馈信号可实现多路PWM输出波形占空比无级可调。3. PWM波形产生与驱动电路相结合，有效保证了绝缘栅双极晶体管的正常使用。4.采用微处理器作为控制核心，集检测与控制、显示、报警于一体。5.具有接口模块，便于与计算机通信。
图1是本实用新型的结构示意图。图2是驱动保护电路结构图。图中1.智能传感器；2.M0D-BUS总线接口 ；3.第一微处理器；4.第二微处理器； 5.驱动保护电路；6.绝缘栅双极晶体管；7.触摸显示屏；8.报警电路；9.上位机接口。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步说明。本实用新型提供的智能绝缘栅双极晶体管控制器，包括两个微处理器、驱动保护 电路5以及智能传感器1，具体如图1所示智能传感器1获取所需的信号，并按照MOD-BUS 总线接口 2与第一微处理器3通信，第二微处理器4与第一微处理器3通过串行口相连，第 二微处理器4将六路PWM波形信号输出到驱动保护电路5，驱动保护电路5与绝缘栅双极晶 体管6相连。第一微处理器3外接触摸显示屏7 ；第二微处理器4外接报警电8、上位机接 Π 9。所述智能传感器1通过屏蔽电缆与第一微处理器3相连，它们之间通信采用 M0DBUS-RTU通信协议，其具有侦错能力强，数据传输量大，实时性好等特点。数据传输过程 中采用循环冗余码校验(CRC校验)，能更好的侦测出数据传输中出现的错误。所述驱动保护电路5仅需要+20V单电源供电，通过其采用的ΕΧΒ841芯片内部5V 稳压管为IGBT提供了 +15V和-5V电平，既满足了 IGBT的驱动条件，又简化了电路。驱动保护电路5采用的ΕΧΒ841芯片主要由放大、过流保护、5V基准电压和输出等部分组成，由于该芯片集成了绝缘栅双极晶体管驱动所需要的大部分功能，因此只需要根据需要搭建简单的外围电路，就能够满足开关器件的开断条件并提供了相应的过流保护。 本实用新型采用了图2所示的驱动应用电路，通过在EXB841的6脚与绝缘栅双极晶体管的 集电极之间接入一个二极管与内部电路共同构成了短路过流保护电路；在栅射极之间加入 电阻RG，有效防止了绝缘栅双极晶体管的误导通。绝缘栅双极晶体管6的驱动保护在现阶段已经有很多使用可靠的专用芯片，如 IXYS公司大功率IGBT驱动芯片IXDN404 ；ONSEMI公司中大功率驱动芯片MC33153 ；富士公 司的IGBT驱动芯片EXB841等。本实用新型采用了富士公司的EXB841专用IGBT驱动芯片作为驱动保护电路的核 心，其具体应用电路如图2所示。本实用新型所述部分器件可以外购。例如智能传感器1可采用绵阳维博电子有 限责任公司提供的WB1831B05_0. 5智能电量智能传感器实现，MODBUS总线接口 2可选用深 圳市都安科技有限公司的DA-500B(RS485/232)实现，两个微处理器可选用INTEL公司的 89C51型单片机来实现，驱动保护电路5 (IGBT驱动芯片)可选用富士公司的EXB841来实 现；绝缘栅双极晶体管6可选用富士公司的2MBI 75LN-120来实现。第二微处理器4外接有报警电路8，可实时监测晶体管的使用情况，必要时提供报警。上位机接口 9集成了多种通信协议，包括SPI (Serial Peripheral interface，串 行外围设备接口)、I2C(Inter Integrated Circuit，双线制串行总线)、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)等，能方便地外接微处理器或者与上位机通信，建立实时信号 测量数据库。本实用新型所提供的智能绝缘栅双极晶体管控制器，可以根据实际需求输出多路 PWM波形驱动多组IGBT模块，并且能根据需要自动调节输入IGBT栅极PWM波形占空比的大 小，满足了智能绝缘栅双极晶体管的驱动要求，并提供了可靠的短路过流保护，有效的增强 了 IGBT的使用寿命。可以通过触摸显示屏设置PWM波形输出的初始值，并显示各种控制参数。本实用新型的工作过程是首先通过触摸显示屏7向第一微处理器3进行输入，设 定实际需要输出的PWM波形占空比和频率等参数，绝缘栅双极晶体管6在驱动保护电路5 的作用之下正常工作；智能传感器1采集所需的电能信号，通过串行口并按照M0DBUS-RTU 协议将数据发送给第一微处理器，经该微处理器分析并计算出需要改变的PWM波形的占空 比额度后，通过串行口发送给第二微处理器；第二微处理器得到数据，及时改变其输出的 PWM波形，通过驱动保护电路，达到驱动绝缘栅双极晶体管6的要求，并且使该晶体管得到 了短路过流保护。
权利要求一种智能绝缘栅双极晶体管控制器，其特征是包括两个微处理器、驱动保护电路(5)以及智能传感器(1)，其中智能传感器(1)获取所需的信号，并按照MOD-BUS总线接口(2)与第一微处理器(3)通信，第二微处理器(4)与第一微处理器(3)通过串行口相连，第二微处理器(4)将六路PWM波形信号输出到驱动保护电路(5)，驱动保护电路(5)与绝缘栅双极晶体管(6)相连；第一微处理器(3)外接触摸显示屏(7)；第二微处理器(4)外接报警电路(8)、上位机接口(9)。
2.根据权利要求1所述的智能绝缘栅双极晶体管控制器，其特征是驱动保护电路(5) 采用EXB841芯片，并且在该芯片的6脚与绝缘栅双极晶体管(6)的集电极之间接入一个由 二极管与内部电路共同构成的短路过流保护电路；在绝缘栅双极晶体管(6)的栅射极之间 加入电阻RG。
3.根据权利要求1所述的智能绝缘栅双极晶体管控制器，其特征是智能传感器(1)通 过屏蔽电缆与第一微处理器(3)相连。
4.根据权利要求1所述的智能绝缘栅双极晶体管控制器，其特征是第二微处理器(4) 外接有实时监测晶体管的使用情况的报警电路(8)。
专利摘要本实用新型是智能绝缘栅双极晶体管控制器，包括两个微处理器、驱动保护电路(5)及智能传感器(1)，其中智能传感器(1)获取所需的信号，并按照MOD-BUS总线接口(2)与第一微处理器(3)通信，第二微处理器(4)与第一微处理器(3)通过串行口相连，第二微处理器(4)将六路PWM波形信号输出到驱动保护电路(5)，驱动保护电路(5)与绝缘栅双极晶体管(6)相连；第一微处理器(3)外接触摸显示屏(7)；第二微处理器(4)外接报警电路(8)、上位机接口(9)。本实用新型采用了合理的电路结构，产生了多路占空比可调的PWM波形，并根据需求设计相应的驱动电路，以满足绝缘栅双极晶体管导通及过流保护需要。
文档编号H03K17/51GK201576177SQ20092022907
公开日2010年9月8日 申请日期2009年10月27日 优先权日2009年10月27日
发明者冯婷, 张志安, 王宇, 肖义平, 蒋学军, 袁佑新, 谭思云, 陈敏, 陈静 申请人:武汉理工大学