數(shù)字電路憑借其穩(wěn)定性高、可靠性高、可編程性強(qiáng)及易于設(shè)計等特點(diǎn)，應(yīng)用日益普遍。采用數(shù)字化的處理方式是當(dāng)前電子信息系統(tǒng)的普遍發(fā)展趨勢。同樣地，數(shù)字化也將是IGBT驅(qū)動器的一個發(fā)展趨勢。本文以數(shù)字化IGBT驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計為例，介紹大功率IGBT驅(qū)動保護(hù)器的實(shí)現(xiàn)。該章節(jié)節(jié)選于楊媛 文陽所著《大功率IGBT驅(qū)動與保護(hù)技術(shù)》一書。

       楊媛，教授、博士生導(dǎo)師，西安理工大學(xué)研究生院副院長。曾在日本九州大學(xué)VLSI實(shí)驗室進(jìn)行訪問學(xué)者。在數(shù)模混合集成電路設(shè)計、電路系統(tǒng)設(shè)計方面主持國家自然科學(xué)基金、國家重大科技專項子項、陜西省重點(diǎn)研發(fā)項目、陜西省自然科學(xué)基金等科研項目40余項。獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎1項、二等獎2項、西安市科學(xué)技術(shù)一等獎2項、陜西省高等學(xué)校一等獎2項，獲陜西省優(yōu)秀博士學(xué)位論文。先后獲學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干、優(yōu)秀青年教師等人才工程稱號，獲學(xué)校講課比賽一等獎。先后發(fā)表論文100余篇，SCI、EI檢索60余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利11項，實(shí)用新型專利3項，出版教材2部，專著1部，并受到國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助，受邀在ISNE2018國際學(xué)術(shù)會議做大會邀請報告。

總體方案設(shè)計

       IGBT驅(qū)動保護(hù)器的設(shè)計方案包括電源電路、驅(qū)動、信號隔離和保護(hù)等方案的設(shè)計，根據(jù)不同的應(yīng)用需求可采用不同的設(shè)計方案。

圖1  脈沖變壓器隔離的IGBT驅(qū)動保護(hù)方案

       圖1為采用脈沖變壓器進(jìn)行信號隔離的IGBT驅(qū)動保護(hù)方案。系統(tǒng)方案主要分為隔離前端的低壓部分和隔離后端的高壓部分。后端通過物理接口以壓接的方式與IGBT模塊進(jìn)行連接，主要包括以下幾個部分：功率驅(qū)動、VCE檢測部分、短路檢測及快速關(guān)斷、欠壓檢測以及+15V和-10V的隔離電源。前端主要包括數(shù)字控制部分(FPGA或CPLD)、過溫信號處理、電流信號處理、隔離電源驅(qū)動以及過載保護(hù)監(jiān)測。其中數(shù)字控制部分包含錯誤處理，脈沖整形(短脈沖抑制)、互鎖、死區(qū)時間以及DC/DC隔離電源的驅(qū)動信號。輸入信號由外部控制單元提供，外部信號首先進(jìn)入數(shù)字處理部分，在內(nèi)部進(jìn)行短脈沖抑制、互鎖、死區(qū)設(shè)置等處理之后，通過脈沖調(diào)制，利用脈沖變壓器傳遞到后端，在后端通過脈沖整形，還原驅(qū)動信號，因為該驅(qū)動信號的驅(qū)動功率不足以驅(qū)動大功率的IGBT模塊，所以需通過功率放大來增加驅(qū)動功率，使IGBT模塊在要求的時間內(nèi)開通關(guān)斷，這就是驅(qū)動部分的設(shè)計。功率放大所需要的電源來源于前端通過DC/DC隔離電源產(chǎn)生，在IGBT的工作過程中，功率放大所需要的電源如果欠壓，將導(dǎo)致IGBT不能按照要求的速度開關(guān)，導(dǎo)致錯誤開關(guān)，甚至造成IGBT的直通損壞，因此上下兩路電源都需要有欠壓檢測，以保證功率放大穩(wěn)定。檢測信號通過隔離傳輸?shù)角岸说臄?shù)字部分進(jìn)行處理。系統(tǒng)通過VCE檢測到IGBT的短路信號后，首先在隔離后端對驅(qū)動信號進(jìn)行快速關(guān)斷，然后通過隔離傳輸?shù)角岸?，進(jìn)入數(shù)字部分進(jìn)行處理。溫度檢測與過載檢測在通過傳感器檢測后，直接輸入到前端，通過信號的處理，向外部的客戶端送出模擬信號，同時將錯誤信號送進(jìn)數(shù)字部分做相關(guān)處理。DC/DC隔離電源采用全橋模式，數(shù)字部分輸出的信號不足以驅(qū)動DC/DC全橋變換的主電路，因此DC/DC隔離電源的隔離前端需要有功率驅(qū)動部分。

圖2  光纖隔離的IGBT驅(qū)動方案

       圖2為采用光纖進(jìn)行信號隔離的大功率IGBT數(shù)字可編程驅(qū)動器。該驅(qū)動器的核心是一個數(shù)字控制單元CPLD，除此之外還包括以下幾個部分：高隔離電壓的DC/DC變換器、信號隔離傳輸部分、閉環(huán)多級動態(tài)門極驅(qū)動部分、多種故障檢測和保護(hù)部分及狀態(tài)反饋部分。其中數(shù)字控制單元CPLD包含以下模塊：短脈沖抑制模塊、輸入信號過頻保護(hù)模塊、正常開關(guān)信號控制模塊、多種故障信號檢測模塊、故障軟關(guān)斷控制模塊及相應(yīng)狀態(tài)指示燈控制模塊。多種故障檢測和保護(hù)部分都包含以下功能：兩級電流變化率dI/dt、多級VCE退飽和檢測、IGBT過電流、過溫檢測和保護(hù)、驅(qū)動電源欠壓檢測及保護(hù)。

       驅(qū)動控制信號(PWM)由外部控制單元提供，其經(jīng)過光纖隔離傳輸首先進(jìn)入CPLD數(shù)字處理單元，在內(nèi)部經(jīng)過短脈沖抑制、過頻保護(hù)等處理之后，控制閉環(huán)多等級動態(tài)門極功率放大部分，使IGBT按照實(shí)際需求合理正確地開通和關(guān)斷，這就是整個模塊的驅(qū)動部分。當(dāng)IGBT有故障信號出現(xiàn)時，故障檢測及保護(hù)部分將檢測到的信息送給CPLD，CPLD確認(rèn)該故障的真實(shí)性后，會發(fā)出對應(yīng)的保護(hù)指令，進(jìn)而保護(hù)IGBT不受損壞，同時能夠?qū)崟r地向外部控制器反饋IGBT的運(yùn)行狀態(tài)，方便用戶的使用。整個驅(qū)動與保護(hù)電路所需要的功率來源于高隔離電壓DC/DC變換器，它是保證IGBT安全、可靠運(yùn)行的能量源泉。

2.驅(qū)動電路設(shè)計

       在IGBT開通時，驅(qū)動電路需要提供一定幅值的正向開通電壓，向門極電容充電使IGBT達(dá)到飽和。在關(guān)斷時提供一定幅值的關(guān)斷電壓來抽取門極電容中儲存的電荷，使IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)。因而，可以通過數(shù)字芯片控制對應(yīng)功率器件的通斷，來改變回路電流的流向，實(shí)現(xiàn)對IGBT的開通和關(guān)斷操作。

圖3  簡單的數(shù)字化驅(qū)動電路

       圖3為一簡單的數(shù)字化驅(qū)動電路，控制器發(fā)出的信號進(jìn)入緩沖器后來控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷，從而得到IGBT開通和關(guān)斷所需要的正向和負(fù)向電壓。

圖4  數(shù)字化動態(tài)門極驅(qū)動結(jié)構(gòu)

       隨著IGBT驅(qū)動技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員又提出了可以優(yōu)化IGBT開關(guān)特性的動態(tài)門極驅(qū)動結(jié)構(gòu)。圖4為數(shù)字化動態(tài)門極驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其中圖4(a)與圖4(b)的工作原理大致相同。在IGBT的開關(guān)過程中，根據(jù)IGBT的開關(guān)特性，控制對應(yīng)的開關(guān)管的通斷來改變其門極驅(qū)動電阻的大小，調(diào)節(jié)IGBT的開通關(guān)斷速率，優(yōu)化其開關(guān)特性。而且，由于控制芯片的可編程性，在驅(qū)動功率足夠大的情況下，可以通過調(diào)整各個開關(guān)管的通斷組合方式，實(shí)現(xiàn)對不同廠家、不同電壓等級、不同電流等級以及不同型號的IGBT的開關(guān)控制，大大提高了驅(qū)動器的兼容性。此外，圖 4(b)所示的驅(qū)動結(jié)構(gòu)只需要單路驅(qū)動電源便可滿足開通關(guān)斷的驅(qū)動電壓要求。當(dāng)要驅(qū)動IGBT開通時，通過控制開關(guān)管的通斷，使發(fā)射極e端接至0V電位，門極G接至+15V電位，在門極和發(fā)射極之間產(chǎn)生+15V開通驅(qū)動電壓。當(dāng)要驅(qū)動IGBT關(guān)斷時，使發(fā)射極e端接至+15V電位，門極接通0V電位，在門極和發(fā)射極之間產(chǎn)生-15V關(guān)斷電壓。這有利于降低電源的設(shè)計成本，減小驅(qū)動器的體積。

3.數(shù)字化保護(hù)電路設(shè)計

      對IGBT的保護(hù)操作主要包括電壓故障的保護(hù)、電流故障的保護(hù)以及溫度故障的保護(hù)，而這些故障對應(yīng)的檢測電路的輸出信號通常情況下均為數(shù)字信號。因而，可將故障信號直接送入數(shù)字可編程芯片進(jìn)行處理分析，根據(jù)不同的故障類型配置不同的保護(hù)操作。

       當(dāng)檢測電路檢測到故障信號并反饋給數(shù)字化保護(hù)電路時，保護(hù)電路首先需要對該故障信號進(jìn)行甄別，判斷是否為有效的錯誤信號，從而避免誤保護(hù)。對如何確認(rèn)故障信號，一般采用計數(shù)器計數(shù)再判斷的原理，假設(shè)錯誤信號為低電平有效，在接收到低電平后，如果低電平持續(xù)時間小于故障確認(rèn)時間tc，則認(rèn)為該電平為干擾電平，大于故障確認(rèn)時間tc的電平為有效電平。不同類型的故障，確認(rèn)的時間不一樣，具體時間根據(jù)該類故障下的電氣特性而定。

       針對不同類型的故障，其關(guān)斷保護(hù)的控制策略也不同。例如，IGBT在發(fā)生短路故障時，集電極電流IC快速上升至額定電流的數(shù)倍，此時就需要對IGBT進(jìn)行軟關(guān)斷操作，從而避免因關(guān)斷速率過快而引起關(guān)斷浪涌電壓過高，造成IGBT的二次損壞。同時，針對不同類型的故障，其關(guān)斷保護(hù)的響應(yīng)時間也不同。通常情況下，在檢測到IGBT故障信號后，驅(qū)動器會對故障信號進(jìn)行快速的甄別和響應(yīng)，關(guān)斷處于故障狀態(tài)下的IGBT。但是對于IGBT的過載過電流故障，由于其過載時電流值為額定值的1.2～1.5倍，因而過載過電流不需要快速響應(yīng)，允許有短時間的過載運(yùn)行狀態(tài)。

       圖5為一種數(shù)字化保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)方法，此策略針對不同類型的故障信號，設(shè)置不同的關(guān)斷保護(hù)方式和保護(hù)動作的響應(yīng)時間。當(dāng)故障信號輸入到主控制芯片后，控制芯片會對故障類型進(jìn)行判斷。若是為過載故障，則對故障信號的真?zhèn)芜M(jìn)行甄別，經(jīng)過故障確認(rèn)時間tc1后，故障狀態(tài)仍存在，則對IGBT進(jìn)行關(guān)斷保護(hù)操作。過載故障時集電極電流較低，因此只需要正常關(guān)斷即可。針對短路過電流故障保護(hù)時的關(guān)斷應(yīng)力較大的問題，此策略選用軟關(guān)斷的方式來避免關(guān)斷過壓的二次傷害。

圖5  一種數(shù)字化保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)方法

       數(shù)字化驅(qū)動的另一個優(yōu)勢在于其擴(kuò)展性較強(qiáng)。通常情況下，在IGBT進(jìn)入故障狀態(tài)后，驅(qū)動器需要將控制信號反饋給主控端，而不同應(yīng)用場所的反饋信號的定義方式是不同的，因此一般驅(qū)動器在這一點(diǎn)上很難做到兼容。而數(shù)字化驅(qū)動的好處就在于其可編程性，只需要在現(xiàn)有硬件電路的基礎(chǔ)上對其控制程序稍作修改，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目標(biāo)。

4. 信號預(yù)處理

       由于工作環(huán)境、控制模塊可靠性等各方面因素的影響，可能會對控制回路的信號產(chǎn)生瞬態(tài)干擾，對功率回路造成一定的影響。因此，在驅(qū)動信號加載在IGBT模塊之前，需要對驅(qū)動信號進(jìn)行預(yù)處理，剔除錯誤信號對功率回路的影響，降低故障風(fēng)險。

1）短脈沖抑制

       短脈沖信號會對功率回路造成不良影響。針對此類信號的干擾，也可以通過數(shù)字化電路來屏蔽。

       短脈沖的抑制功能的實(shí)現(xiàn)如圖6所示，其中PWM_in，Cnt1和Cnt2為兩個計數(shù)器。假設(shè)當(dāng)輸入信號的持續(xù)時間小于10個時鐘周期即可認(rèn)為是短脈沖。當(dāng)脈沖輸入PWM_in大于10個時鐘周期時，PWM_out輸出對應(yīng)的信號；而當(dāng)脈沖輸入PWM_in小于10個時鐘周期時，即認(rèn)為是過窄的脈沖信號，進(jìn)行濾除，忽略這個短脈沖信號并保持原有的狀態(tài)，防止對后端驅(qū)動的影響。

圖6  短脈沖抑制流程圖

2 ）死區(qū)時間設(shè)置

      半橋模式的IGBT模塊在應(yīng)用時，需要設(shè)置對應(yīng)的死區(qū)時間來避免IGBT的直通危險。

       如圖7所示為死區(qū)時間的數(shù)字化控制框圖。其中，TOP_in和BOT_in分別為上下半橋的控制信號。由于死區(qū)時間的設(shè)置只針對由于功率器件的關(guān)斷存在延時而造成的短路現(xiàn)象，因而，可只考慮上下半橋的輸入信號相反這一種情況。假設(shè)死區(qū)時間為tTD，即當(dāng)下半橋關(guān)斷信號輸入后，經(jīng)時長為tTD的延時后，再控制上半橋開通；反之，當(dāng)上半橋關(guān)斷信號輸入后，經(jīng)時長為tTD的延時后，再控制下半橋開通。

圖7  死區(qū)時間設(shè)置流程圖

3）互鎖設(shè)置

      互鎖操作也是避免半橋工作模式下IGBT的直通故障的一種有效措施。并且，這種操作是針對由于控制信號異常而導(dǎo)致輸入到上下半橋的控制信號同時為高，而導(dǎo)致上下半橋直通的故障。

      如圖8所示為互鎖操作的數(shù)字化控制框圖。其中，TOP_in和BOT_in分別為上下半橋的控制信號。當(dāng)控制信號傳送至驅(qū)動器后，驅(qū)動器會對上下半橋的控制信號進(jìn)行分析對比，若兩路信號TOP_in和BOT_in相同且同時為高電平，此時為了功率回路的安全起見，驅(qū)動器會對上下兩路信號置零且對輸入信號進(jìn)行封鎖。從而實(shí)現(xiàn)對此類故障的處理。

  圖8  互鎖操作流程圖

4） 過頻保護(hù)

       不同的IGBT應(yīng)用的環(huán)境不同，一般工作頻率都會有所限制，例如應(yīng)用于軌道交通列車中的3300V等級IGBT，其工作頻率大概約為700Hz。如果工作頻率過高，則IGBT的開關(guān)損耗將會增大也可能影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，信號頻率過快也會使得驅(qū)動電路的自身損耗大大增加，有可能導(dǎo)致驅(qū)動器自身故障，如柵源電壓欠壓或過熱損壞等問題，進(jìn)而影響IGBT的正常工作。因此，在數(shù)字化程序設(shè)計中，對輸入信號的頻率進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，若PWM信號的頻率大于IGBT及系統(tǒng)要求的最高工作頻率時，應(yīng)對該驅(qū)動信號進(jìn)行封鎖，進(jìn)而達(dá)到過頻保護(hù)的效果。