數(shù)字型IGBT的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：

　　1引言

　　隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，大功率器件在軌道交通、直流輸電、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的市場(chǎng)迅猛發(fā)展，其中以IGBT器件表現(xiàn)尤為突出，在具體的應(yīng)用工況中，每一個(gè)IGBT模塊都需要一個(gè)專門的驅(qū)動(dòng)器，IGBT驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT的運(yùn)行性能有著重大影響。

　　傳統(tǒng)利用模擬電路實(shí)現(xiàn)的IGBT驅(qū)動(dòng)器技術(shù)較成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，但是由于其驅(qū)動(dòng)器各參數(shù)設(shè)置大都采用硬件實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整比較復(fù)雜，不同型號(hào)的IGBT必須設(shè)計(jì)不同的驅(qū)動(dòng)器，本文利用數(shù)字控制器對(duì)柵極控制，可以靈活的修改驅(qū)動(dòng)器的軟件參數(shù)設(shè)置，來(lái)調(diào)整IGBT工作的性能，對(duì)于不同的IGBT型號(hào)，只需要加載不同的驅(qū)動(dòng)程序，即可以解決傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的型號(hào)匹配問(wèn)題。

　　如圖1示，驅(qū)動(dòng)器主要包括：高等級(jí)隔離電源、光纖通信接口、功率放大電路、檢測(cè)保護(hù)電路、數(shù)字控制器等五部分。

　　2.1高等級(jí)隔離電源

　　高壓IGBT驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，電源設(shè)計(jì)是關(guān)鍵部分之一，電源的輸出功率決定了IGBT在實(shí)際工作中能夠使用的工作頻率，如果電源輸出功率不足，可能會(huì)在IGBT器件高頻工作時(shí)，出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象，導(dǎo)致IGBT損耗增加，甚至造成IGBT損壞。

　　本設(shè)計(jì)中采用Ti公司的LM5025芯片設(shè)計(jì)反激式DC-DC電路（電路圖見(jiàn)圖2），電路中的初級(jí)具有電流檢測(cè)軟起動(dòng)功能，當(dāng)電流檢測(cè)電阻上的壓降達(dá)到0.25V時(shí)，對(duì)電源起到很好的過(guò)流保護(hù)作用。

　　2.2光纖通信接口

　　在用戶主控系統(tǒng)通信的接口設(shè)計(jì)上，選擇抗干擾能力強(qiáng)的光纖通信，防止控制信號(hào)被干擾出現(xiàn)誤觸發(fā)。光纖選用HFBR-1522、HFBR-2522，光纖電路如圖3。

　　2.3功率放大電路

　　選擇導(dǎo)通阻抗非常低的mosFET作為開(kāi)關(guān)器件，構(gòu)成IGBT柵極功率輸出電路，如圖4，同時(shí)，采用多個(gè)柵極電阻切換的方式，實(shí)現(xiàn)不同條件下對(duì)IGBT性能的調(diào)整。在IGBT正常開(kāi)關(guān)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整柵極電阻來(lái)控制器件的開(kāi)關(guān)速度，達(dá)到優(yōu)化器件效率的目的。在IGBT出現(xiàn)工作異常時(shí)（例如短路），可以通過(guò)調(diào)整柵極電阻來(lái)控制器件的工作狀態(tài)，防止器件損壞達(dá)到保護(hù)器件的目的。

　　2.4檢測(cè)保護(hù)電路

　　為防止IGBT器件工作中出現(xiàn)任何異常故障，驅(qū)動(dòng)器需要對(duì)IGBT的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)異常，驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)采取保護(hù)動(dòng)作，并通知主控器。

　　欠壓檢測(cè)：目前各個(gè)IGBT廠商推薦IGBT器件工作時(shí)的柵極電壓為±15V（柵極最大承受電壓為±20V），如果IGBT器件在工作中出現(xiàn)低于15V的情況，根據(jù)IGBT器件飽和壓降VCE與柵極電壓的關(guān)系（如圖5示），隨著柵極電壓的下降，IGBT飽和壓降會(huì)增加，造成IGBT器件損耗增加，有可能會(huì)損壞器件，所以，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出柵極的電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果出現(xiàn)欠壓開(kāi)通情況，驅(qū)動(dòng)器要立即進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)需要注意，IGBT的短路電流與柵極電壓成正比，所以當(dāng)器件開(kāi)通時(shí)柵極出現(xiàn)高于+15V電壓，器件如果出現(xiàn)故障會(huì)出現(xiàn)比正常工況更大的短路電流，所以驅(qū)動(dòng)器必須確保柵極開(kāi)通電壓處于合理的范圍內(nèi)。

　　Vce電壓檢測(cè)：Vce電壓檢測(cè)可以為數(shù)字控制器提供IGBT器件參數(shù)，控制器通過(guò)Vce電壓可以判斷IGBT的工作狀態(tài)，從而采取對(duì)應(yīng)的策略對(duì)IGBT進(jìn)行不同的控制方式。

　　過(guò)壓保護(hù)：在IGBT器件關(guān)斷過(guò)程中，由于母線回路寄生電感的存在，關(guān)斷電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓過(guò)沖尖峰，過(guò)沖幅值為△V=Ls*di/dt，如果尖峰電壓超過(guò)IGBT器件的額定電壓，IGBT器件會(huì)被擊穿，造成器件損壞。

　　過(guò)壓保護(hù)電路采用的是TVS管與限流電阻串聯(lián)的方式，由集電極接入柵極（如圖6示），當(dāng)關(guān)斷過(guò)程中集電極出現(xiàn)超過(guò)設(shè)定值（設(shè)定值小于IGBT額定值）的電壓尖峰時(shí)，TVS管反向?qū)?，通過(guò)限流電阻向柵極注入電流，減慢IGBT關(guān)斷速度（減小di/dt），從而達(dá)到限制電壓尖峰的目的。用戶根據(jù)具體的應(yīng)用工況，選擇適合的TVS管的數(shù)量和單個(gè)TVS擊穿電壓參數(shù)。

　　di/dt檢測(cè)：（如圖示7），IGBT模塊內(nèi)部等效圖可以看到，由于IGBT模塊內(nèi)部鏈接的主電極回路與輔助電極回路之間存在寄生電感，在IGBT模塊工作時(shí)，主電流IC從主電極流入，經(jīng)過(guò)寄生電感L流出，依據(jù)電感感生電壓V=-L*di/dt，從公式可以看出，感生電壓V值與di/dt值成正比關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)L上產(chǎn)生的感生電壓可以獲得主電流Ic的di/dt值。在IGBT模塊工作的過(guò)程中，如果感生電壓高于或低于設(shè)定值都認(rèn)為器件di/dt出現(xiàn)異常狀態(tài)，需要進(jìn)行保護(hù)，并向主控系統(tǒng)報(bào)告出現(xiàn)di/dt故障。

　　數(shù)字控制器功能

　　數(shù)字控制器主要完成根據(jù)輸入信號(hào)控制功率放大電路，驅(qū)動(dòng)IGBT器件。同時(shí)，根據(jù)檢測(cè)電路的反饋信號(hào)判定IGBT器件的工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)異常狀況，立即按照設(shè)定策略對(duì)IGBT器件進(jìn)行保護(hù)。

　　4 驅(qū)動(dòng)級(jí)測(cè)試

　　為初步確定驅(qū)動(dòng)級(jí)基本功能的正確性和可行性，利用圖8樣品板進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試樣品為3300V-1500A IGBT模塊，采用通用型雙脈沖測(cè)試方法，測(cè)試波形如圖9。

　　從上圖測(cè)試結(jié)果可以看出，驅(qū)動(dòng)板可以在測(cè)試條件下安全的開(kāi)通和關(guān)斷IGBT模塊。

　　5 改進(jìn)方向

　　本論文提出的數(shù)字型IGBT驅(qū)動(dòng)器在過(guò)壓保護(hù)檢測(cè)上采用的TVS管串聯(lián)的方式，只可以對(duì)IGBT器件關(guān)斷中di/dt產(chǎn)生的寄生過(guò)壓有較好的效果，但是這種方法也存在弊端，如果用戶對(duì)于過(guò)壓保護(hù)的閾值設(shè)定不合理，及系統(tǒng)在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)較多的過(guò)壓，或較長(zhǎng)時(shí)間過(guò)壓，此時(shí)IGBT器件會(huì)出現(xiàn)柵極被高壓損壞，或本應(yīng)關(guān)斷的IGBT被動(dòng)強(qiáng)行開(kāi)通，出現(xiàn)上下管短路的狀態(tài)，損壞上下管IGBT。所以可以加入Vce檢測(cè)電路，實(shí)時(shí)檢測(cè)集電極電壓，制定保護(hù)策略。

　　IGBT過(guò)流的檢測(cè)方法：

　　IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）兼有場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小和雙極型晶體管電壓、電流容量大及管壓降低的特點(diǎn)，是目前中、大功率開(kāi)關(guān)電源最普遍使用的電力電子開(kāi)關(guān)器件。 IGBT能夠承受的短路時(shí)間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾μs至幾十μs。短路電流過(guò)大不僅使短路承受時(shí)間縮短，而且使關(guān)斷時(shí)電流下降率 過(guò)大，由于漏感及引線電感的存在，導(dǎo)致IGBT集電極過(guò)電壓，該過(guò)電壓可使IGBT鎖定失效，同時(shí)高的過(guò)電壓會(huì)使IGBT擊穿。因此，當(dāng)出現(xiàn)短路過(guò)流時(shí)，必須采取有效的保護(hù)措施。

　　為了實(shí)現(xiàn)IGBT的短路保護(hù)，則必須進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)。適用IGBT過(guò)流檢測(cè)的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測(cè)IGBT的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測(cè)過(guò)流時(shí)IGBT的電壓降Vce，因?yàn)楣軌航岛卸搪冯娏?a target="_blank">信息，過(guò)流時(shí)Vce增大，且基本上為線性關(guān)系，檢測(cè)過(guò)流時(shí)的Vce并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，比較器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷。

　　在短路電流出現(xiàn)時(shí)，為了避免關(guān)斷電流的 過(guò)大形成過(guò)電壓，導(dǎo)致IGBT鎖定無(wú)效和損壞，以及為了降低電磁干擾，通常采用軟降柵壓和軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)。

　　在設(shè)計(jì)降柵壓保護(hù)電路時(shí)，要正確選擇降柵壓幅度和速度，如果降柵壓幅度大（比如7。5V），降柵壓速度不要太快，一般可采用2μs下降時(shí)間的軟降柵壓，由于降柵壓幅度大，集電極電流已經(jīng)較小，在故障狀態(tài)封鎖柵極可快些，不必采用軟關(guān)斷；如果降柵壓幅度較?。ū热?V以下），降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須慢，即采用軟關(guān)斷，以避免過(guò)電壓發(fā)生。

　　為了使電源在短路故障狀態(tài)不中斷工作，又能避免在原工作頻率下連續(xù)進(jìn)行短路保護(hù)產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞，采用降柵壓保護(hù)即可不必在一次短路保護(hù)立即封鎖電路，而使工作頻率降低（比如1Hz左右），形成間歇“打嗝”的保護(hù)方法，故障消除后即恢復(fù)正常工作。

　　下面是幾種IGBT短路保護(hù)的實(shí)用電路及工作原理。

　?。?）利用IGBT的Vce設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路

　　圖1是利用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護(hù)的電路，用于專用驅(qū)動(dòng)器EXB841。EXB841內(nèi)部電路能很好地完成降柵及軟關(guān)斷，并具有內(nèi)部延遲功能，以消除干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)作。含有IGBT過(guò)流信息的Vce不直接送至EXB841的集電極電壓監(jiān)視腳6，而是經(jīng)快速恢復(fù)二極管VD1，通過(guò)比較器IC1輸出接至EXB841的腳6，其目的是為了消除VD1正向壓降隨電流不同而異，采用閾值比較器，提高電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。如果發(fā)生過(guò)流，驅(qū)動(dòng)器EXB841的低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，以避免集電極電流尖峰。

　　（2）　利用電流傳感器設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路

　　圖2（a）是利用電流傳感器進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)的IGBT保護(hù)電路，電流傳感器（SC）初級(jí)（1匝）串接在IGBT的集電極電路中，次級(jí)感應(yīng)的過(guò)流信號(hào)經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，IC1的輸出送至具有正反饋的比較器IC2，其輸出接至PWM控制器UC3525的輸出控制腳10。不過(guò)流時(shí)，VAVref，VB為高電平，C3充電使VC》Vref，IC2輸出高電平（大于1.4V），關(guān)閉PWM控制電路。因無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IGBT關(guān)閉，而電源停止工作，電流傳感器無(wú)電流流過(guò)，使VA參數(shù)，使PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉時(shí)間t2》》t1，可保證電源進(jìn)入睡眠狀態(tài)。正反饋電阻R7保證IC2只有高、低電平兩種狀態(tài)，D5，R1，C3充放電電路，保證IC2輸出不致在高、低電平之間頻繁變化，即IGBT不致頻繁開(kāi)通、關(guān)斷而損壞。

　?。?）　綜合過(guò)流保護(hù)電路

　　圖3是利用IGBT（V1）過(guò)流集電極電壓檢測(cè)和電流傳感器檢測(cè)的綜合保護(hù)電路，電路工作原理是：負(fù)載短路（或IGBT因其它故障過(guò)流）時(shí)，V1的Vce增大，V3門極驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)R2，R3分壓器使V3導(dǎo)通，IGBT柵極電壓由VD3所限制而降壓，限制IGBT峰值電流幅度，同時(shí)經(jīng)R5C3延遲使V2導(dǎo)通，送去軟關(guān)斷信號(hào)。另一方面，在短路時(shí)經(jīng)電流傳感器檢測(cè)短路電流，經(jīng)比較器IC1輸出的高電平使V3導(dǎo)通進(jìn)行降柵壓，V2導(dǎo)通進(jìn)行軟關(guān)斷。

　　此外，還可以應(yīng)用檢測(cè)IGBT集電極電壓的過(guò)流保護(hù)原理，采用軟降柵壓、軟關(guān)斷及降低工作頻率保護(hù)技術(shù)的短路保護(hù)電路］。開(kāi)關(guān)電源保護(hù)功能雖屬電源裝置電氣性能要求的附加功能，但在惡劣環(huán)境及意外事故條件下，保護(hù)電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對(duì)電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。驗(yàn)收技術(shù)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)對(duì)保護(hù)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

　　開(kāi)關(guān)電源的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性，但對(duì)具體電源裝置而言，應(yīng)選擇合理的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)，以使得在故障條件下真正有效地實(shí)現(xiàn)保護(hù)。