專利名稱：智能絕緣柵雙極晶體管控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于動態(tài)諧波濾波器的智能絕緣柵雙極晶體管控制器。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，諸多非線性負(fù)荷，如直流電機(jī)、直流電源、變頻調(diào)速器、 整流設(shè)備、電鍍電解設(shè)備、中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備、電池充電機(jī)、晶閘管溫控加熱設(shè)備、電力機(jī) 車、通訊設(shè)備、音像設(shè)備、變頻器、計算機(jī)等接入電網(wǎng)，電網(wǎng)諧波含量逐年升高。電網(wǎng)諧波導(dǎo) 致的各種危害日益突出，如增加電力設(shè)施負(fù)荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低發(fā)電、輸電及用電 設(shè)備的有效容量和效率；產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩致使電動機(jī)振動，影響產(chǎn)品質(zhì)量和電機(jī)壽命；由于 渦流和集膚效應(yīng)，使電機(jī)、變壓器、輸電線路等產(chǎn)生附加功率損耗而過熱；引起無功補(bǔ)償電 容器諧振和諧波放大，導(dǎo)致電容器因過電流或過電壓而損壞或無法投入運(yùn)行等。這些危害 使我們認(rèn)識到電力諧波進(jìn)行治理刻不容緩。在諧波治理過程中，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)以其穩(wěn)定的電力電子開關(guān)特性得 到了廣泛的關(guān)注，設(shè)計一種穩(wěn)定可靠的絕緣柵雙極晶體管控制與驅(qū)動一體化裝置顯得尤為 重要。而在現(xiàn)階段，存在有一些相關(guān)設(shè)備，例如在中國專利CN200420054768.9中，發(fā)明 了一種絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動隔離裝置，它包括脈寬調(diào)制器、光電偶合器、推挽放大器 和絕緣柵雙極晶體管，但該發(fā)明并不能有效的實(shí)時在線控制絕緣柵雙極晶體管，不能滿足 脈寬無級可調(diào)的要求。中國專利CN200720064144. 9提出了一種逆變弧焊機(jī)的絕緣柵雙極 晶體管驅(qū)動及保護(hù)裝置，主要解決了對絕緣柵雙極晶體管的保護(hù)問題，并沒有過多涉及到 絕緣柵雙極晶體管的控制。上述專利功能比較單一，主要涉及絕緣柵雙極晶體管的驅(qū)動保 護(hù)，不能自行產(chǎn)生和控制PWM波形的輸出，因此不能滿足“動態(tài)諧波濾波器(專利申請?zhí)枮?200910063641. 0，是本申請人先前申請的發(fā)明專利)”中基于絕緣柵雙極晶體管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 控制器的要求。本實(shí)用新型正是用于解決在“動態(tài)諧波濾波器”中絕緣柵雙極晶體管的觸發(fā)控制 及短路過流保護(hù)等問題。所述“動態(tài)諧波濾波器”，是一種用于在長期工作過程中保持濾波 器濾波精度和濾波效果始終不變的設(shè)備，其主要是采用了無源濾波原理，使用自行研制的 可變電抗器，通過調(diào)節(jié)電抗器副邊電抗值從而改變其原邊電抗，原邊電抗與濾波電容共同 構(gòu)成了無源調(diào)諧濾波器。所采用的可變電抗器副邊電抗控制器主要由電力電子開關(guān)器件及 微處理器組成，其中電力電子開關(guān)器件可選用晶閘管或者絕緣柵雙極晶體管實(shí)現(xiàn)。然而隨著技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)對電力電子開關(guān)器件觸發(fā)裝置提出的性能要求越 來越高，特別是大功率的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)模塊，不僅要求柵極輸入PWM波形穩(wěn)定 度高，占空比可調(diào)，還要求能夠根據(jù)特殊應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制和信息化管理， 如數(shù)據(jù)采集、直接數(shù)字控制(DDC)、數(shù)字化鍵盤及顯示、智能控制算法和網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等。 要實(shí)現(xiàn)這些功能，專用PWM集成電路是無法勝任的，因此選用各種微處理器作為裝置控制 核心來統(tǒng)一完成所要求的功能是一種很好的選擇方案。微處理器除完成各種控制和管理工 作之外，如何產(chǎn)生穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)靈活的PWM控制信號也是研究人員尤其關(guān)注和研究的重要問題，它對開關(guān)器件的使用性能具有決定性作用。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)驅(qū)動電路的關(guān)鍵是驅(qū)動保護(hù)電路的設(shè)計，良好的驅(qū)動 電路必須保證IGBT的開關(guān)損耗量盡可能小。在IGBT承受短路電流時，如能實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷， 則可以保護(hù)IGBT。要很好使用IGBT，必須根據(jù)它的特點(diǎn)設(shè)計合理的、保護(hù)措施齊全的驅(qū)動 電路進(jìn)行控制，否則很容易造成IGBT的損壞。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)相對簡單， 性能穩(wěn)定可靠的智能絕緣柵雙極晶體管控制器。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是包括兩個微處理器、驅(qū)動保護(hù)電 路以及智能傳感器。其中智能傳感器獲取所需的信號，并按照MOD-BUS總線接口與第一微 處理器通信，第二微處理器與第一微處理器通過串行口相連，第二微處理器將六路PWM波 形信號輸出到驅(qū)動保護(hù)電路，驅(qū)動保護(hù)電路與絕緣柵雙極晶體管相連；第一微處理器外接 觸摸顯示屏；第二微處理器外接報警電路、上位機(jī)接口。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的有益效果1.采用雙處理器，將信號采集與PWM波形輸出分離控制，保證了驅(qū)動控制過程高 效、準(zhǔn)確。2.根據(jù)反饋信號可實(shí)現(xiàn)多路PWM輸出波形占空比無級可調(diào)。3. PWM波形產(chǎn)生與驅(qū)動電路相結(jié)合，有效保證了絕緣柵雙極晶體管的正常使用。4.采用微處理器作為控制核心，集檢測與控制、顯示、報警于一體。5.具有接口模塊，便于與計算機(jī)通信。
圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是驅(qū)動保護(hù)電路結(jié)構(gòu)圖。圖中1.智能傳感器；2.M0D-BUS總線接口 ；3.第一微處理器；4.第二微處理器； 5.驅(qū)動保護(hù)電路；6.絕緣柵雙極晶體管；7.觸摸顯示屏；8.報警電路；9.上位機(jī)接口。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。本實(shí)用新型提供的智能絕緣柵雙極晶體管控制器，包括兩個微處理器、驅(qū)動保護(hù) 電路5以及智能傳感器1，具體如圖1所示智能傳感器1獲取所需的信號，并按照MOD-BUS 總線接口 2與第一微處理器3通信，第二微處理器4與第一微處理器3通過串行口相連，第 二微處理器4將六路PWM波形信號輸出到驅(qū)動保護(hù)電路5，驅(qū)動保護(hù)電路5與絕緣柵雙極晶 體管6相連。第一微處理器3外接觸摸顯示屏7 ；第二微處理器4外接報警電8、上位機(jī)接 Π 9。所述智能傳感器1通過屏蔽電纜與第一微處理器3相連，它們之間通信采用 M0DBUS-RTU通信協(xié)議，其具有偵錯能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸量大，實(shí)時性好等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸過程 中采用循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(CRC校驗(yàn))，能更好的偵測出數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)的錯誤。所述驅(qū)動保護(hù)電路5僅需要+20V單電源供電，通過其采用的ΕΧΒ841芯片內(nèi)部5V 穩(wěn)壓管為IGBT提供了 +15V和-5V電平，既滿足了 IGBT的驅(qū)動條件，又簡化了電路。驅(qū)動保護(hù)電路5采用的ΕΧΒ841芯片主要由放大、過流保護(hù)、5V基準(zhǔn)電壓和輸出等部分組成，由于該芯片集成了絕緣柵雙極晶體管驅(qū)動所需要的大部分功能，因此只需要根據(jù)需要搭建簡單的外圍電路，就能夠滿足開關(guān)器件的開斷條件并提供了相應(yīng)的過流保護(hù)。 本實(shí)用新型采用了圖2所示的驅(qū)動應(yīng)用電路，通過在EXB841的6腳與絕緣柵雙極晶體管的 集電極之間接入一個二極管與內(nèi)部電路共同構(gòu)成了短路過流保護(hù)電路；在柵射極之間加入 電阻RG，有效防止了絕緣柵雙極晶體管的誤導(dǎo)通。絕緣柵雙極晶體管6的驅(qū)動保護(hù)在現(xiàn)階段已經(jīng)有很多使用可靠的專用芯片，如 IXYS公司大功率IGBT驅(qū)動芯片IXDN404 ；ONSEMI公司中大功率驅(qū)動芯片MC33153 ；富士公 司的IGBT驅(qū)動芯片EXB841等。本實(shí)用新型采用了富士公司的EXB841專用IGBT驅(qū)動芯片作為驅(qū)動保護(hù)電路的核 心，其具體應(yīng)用電路如圖2所示。本實(shí)用新型所述部分器件可以外購。例如智能傳感器1可采用綿陽維博電子有 限責(zé)任公司提供的WB1831B05_0. 5智能電量智能傳感器實(shí)現(xiàn)，MODBUS總線接口 2可選用深 圳市都安科技有限公司的DA-500B(RS485/232)實(shí)現(xiàn)，兩個微處理器可選用INTEL公司的 89C51型單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動保護(hù)電路5 (IGBT驅(qū)動芯片)可選用富士公司的EXB841來實(shí) 現(xiàn)；絕緣柵雙極晶體管6可選用富士公司的2MBI 75LN-120來實(shí)現(xiàn)。第二微處理器4外接有報警電路8，可實(shí)時監(jiān)測晶體管的使用情況，必要時提供報警。上位機(jī)接口 9集成了多種通信協(xié)議，包括SPI (Serial Peripheral interface，串 行外圍設(shè)備接口)、I2C(Inter Integrated Circuit，雙線制串行總線)、USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)等，能方便地外接微處理器或者與上位機(jī)通信，建立實(shí)時信號 測量數(shù)據(jù)庫。本實(shí)用新型所提供的智能絕緣柵雙極晶體管控制器，可以根據(jù)實(shí)際需求輸出多路 PWM波形驅(qū)動多組IGBT模塊，并且能根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)輸入IGBT柵極PWM波形占空比的大 小，滿足了智能絕緣柵雙極晶體管的驅(qū)動要求，并提供了可靠的短路過流保護(hù)，有效的增強(qiáng) 了 IGBT的使用壽命?？梢酝ㄟ^觸摸顯示屏設(shè)置PWM波形輸出的初始值，并顯示各種控制參數(shù)。本實(shí)用新型的工作過程是首先通過觸摸顯示屏7向第一微處理器3進(jìn)行輸入，設(shè) 定實(shí)際需要輸出的PWM波形占空比和頻率等參數(shù)，絕緣柵雙極晶體管6在驅(qū)動保護(hù)電路5 的作用之下正常工作；智能傳感器1采集所需的電能信號，通過串行口并按照M0DBUS-RTU 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給第一微處理器，經(jīng)該微處理器分析并計算出需要改變的PWM波形的占空 比額度后，通過串行口發(fā)送給第二微處理器；第二微處理器得到數(shù)據(jù)，及時改變其輸出的 PWM波形，通過驅(qū)動保護(hù)電路，達(dá)到驅(qū)動絕緣柵雙極晶體管6的要求，并且使該晶體管得到 了短路過流保護(hù)。
權(quán)利要求一種智能絕緣柵雙極晶體管控制器，其特征是包括兩個微處理器、驅(qū)動保護(hù)電路(5)以及智能傳感器(1)，其中智能傳感器(1)獲取所需的信號，并按照MOD-BUS總線接口(2)與第一微處理器(3)通信，第二微處理器(4)與第一微處理器(3)通過串行口相連，第二微處理器(4)將六路PWM波形信號輸出到驅(qū)動保護(hù)電路(5)，驅(qū)動保護(hù)電路(5)與絕緣柵雙極晶體管(6)相連；第一微處理器(3)外接觸摸顯示屏(7)；第二微處理器(4)外接報警電路(8)、上位機(jī)接口(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能絕緣柵雙極晶體管控制器，其特征是驅(qū)動保護(hù)電路(5) 采用EXB841芯片，并且在該芯片的6腳與絕緣柵雙極晶體管(6)的集電極之間接入一個由 二極管與內(nèi)部電路共同構(gòu)成的短路過流保護(hù)電路；在絕緣柵雙極晶體管(6)的柵射極之間 加入電阻RG。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能絕緣柵雙極晶體管控制器，其特征是智能傳感器(1)通 過屏蔽電纜與第一微處理器(3)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能絕緣柵雙極晶體管控制器，其特征是第二微處理器(4) 外接有實(shí)時監(jiān)測晶體管的使用情況的報警電路(8)。
專利摘要本實(shí)用新型是智能絕緣柵雙極晶體管控制器，包括兩個微處理器、驅(qū)動保護(hù)電路(5)及智能傳感器(1)，其中智能傳感器(1)獲取所需的信號，并按照MOD-BUS總線接口(2)與第一微處理器(3)通信，第二微處理器(4)與第一微處理器(3)通過串行口相連，第二微處理器(4)將六路PWM波形信號輸出到驅(qū)動保護(hù)電路(5)，驅(qū)動保護(hù)電路(5)與絕緣柵雙極晶體管(6)相連；第一微處理器(3)外接觸摸顯示屏(7)；第二微處理器(4)外接報警電路(8)、上位機(jī)接口(9)。本實(shí)用新型采用了合理的電路結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了多路占空比可調(diào)的PWM波形，并根據(jù)需求設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動電路，以滿足絕緣柵雙極晶體管導(dǎo)通及過流保護(hù)需要。
文檔編號H03K17/51GK201576177SQ20092022907
公開日2010年9月8日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者馮婷, 張志安, 王宇, 肖義平, 蔣學(xué)軍, 袁佑新, 譚思云, 陳敏, 陳靜 申請人:武漢理工大學(xué)