IGBT驅動(dòng)保護器的設計方案包括電源電路、驅動(dòng)、信號隔離和保護等方案的設計，根據不同的應用需求可采用不同的設計方案。

 圖1  脈沖變壓器隔離的IGBT驅動(dòng)保護方案

圖1為采用脈沖變壓器進(jìn)行信號隔離的IGBT驅動(dòng)保護方案(王立虎，2012)。系統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(guò)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(gè)部分：功率驅動(dòng)、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。前端主要包括數字控制部分(FPGA或CPLD)、過(guò)溫信號處理、電流信號處理、隔離電源驅動(dòng)以及過(guò)載保護監測。其中數字控制部分包含錯誤處理，脈沖整形(短脈沖抑制)、互鎖、死區時(shí)間以及DC/DC隔離電源的驅動(dòng)信號。輸入信號由外部控制單元提供，外部信號首先進(jìn)入數字處理部分，在內部進(jìn)行短脈沖抑制、互鎖、死區設置等處理之后，通過(guò)脈沖調制，利用脈沖變壓器傳遞到后端，在后端通過(guò)脈沖整形，還原驅動(dòng)信號，因為該驅動(dòng)信號的驅動(dòng)功率不足以驅動(dòng)大功率的IGBT模塊，所以需通過(guò)功率放大來(lái)增加驅動(dòng)功率，使IGBT模塊在要求的時(shí)間內開(kāi)通關(guān)斷，這就是驅動(dòng)部分的設計。功率放大所需要的電源來(lái)源于前端通過(guò)DC/DC隔離電源產(chǎn)生，在IGBT的工作過(guò)程中，功率放大所需要的電源如果欠壓，將導致IGBT不能按照要求的速度開(kāi)關(guān)，導致錯誤開(kāi)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，以保證功率放大穩定。檢測信號通過(guò)隔離傳輸到前端的數字部分進(jìn)行處理。系統通過(guò)VCE檢測到IGBT的短路信號后，首先在隔離后端對驅動(dòng)信號進(jìn)行快速關(guān)斷，然后通過(guò)隔離傳輸到前端，進(jìn)入數字部分進(jìn)行處理。溫度檢測與過(guò)載檢測在通過(guò)傳感器檢測后，直接輸入到前端，通過(guò)信號的處理，向外部的客戶(hù)端送出模擬信號，同時(shí)將錯誤信號送進(jìn)數字部分做相關(guān)處理。DC/DC隔離電源采用全橋模式，數字部分輸出的信號不足以驅動(dòng)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動(dòng)部分。

圖2  光纖隔離的IGBT驅動(dòng)方案

圖2為采用光纖進(jìn)行信號隔離的大功率IGBT數字可編程驅動(dòng)器(王亮亮，2015)。該驅動(dòng)器的核心是一個(gè)數字控制單元CPLD，除此之外還包括以下幾個(gè)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(dòng)態(tài)門(mén)極驅動(dòng)部分、多種故障檢測和保護部分及狀態(tài)反饋部分。其中數字控制單元CPLD包含以下模塊：短脈沖抑制模塊、輸入信號過(guò)頻保護模塊、正常開(kāi)關(guān)信號控制模塊、多種故障信號檢測模塊、故障軟關(guān)斷控制模塊及相應狀態(tài)指示燈控制模塊。多種故障檢測和保護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(guò)電流、過(guò)溫檢測和保護、驅動(dòng)電源欠壓檢測及保護。

驅動(dòng)控制信號(PWM)由外部控制單元提供，其經(jīng)過(guò)光纖隔離傳輸首先進(jìn)入CPLD數字處理單元，在內部經(jīng)過(guò)短脈沖抑制、過(guò)頻保護等處理之后，控制閉環(huán)多等級動(dòng)態(tài)門(mén)極功率放大部分，使IGBT按照實(shí)際需求合理正確地開(kāi)通和關(guān)斷，這就是整個(gè)模塊的驅動(dòng)部分。當IGBT有故障信號出現時(shí)，故障檢測及保護部分將檢測到的信息送給CPLD，CPLD確認該故障的真實(shí)性后，會(huì )發(fā)出對應的保護指令，進(jìn)而保護IGBT不受損壞，同時(shí)能夠實(shí)時(shí)地向外部控制器反饋IGBT的運行狀態(tài)，方便用戶(hù)的使用。整個(gè)驅動(dòng)與保護電路所需要的功率來(lái)源于高隔離電壓DC/DC變換器，它是保證IGBT安全、可靠運行的能量源泉。

在IGBT開(kāi)通時(shí)，驅動(dòng)電路需要提供一定幅值的正向開(kāi)通電壓，向門(mén)極電容充電使IGBT達到飽和。在關(guān)斷時(shí)提供一定幅值的關(guān)斷電壓來(lái)抽取門(mén)極電容中儲存的電荷，使IGBT處于截止狀態(tài)。因而，可以通過(guò)數字芯片控制對應功率器件的通斷，來(lái)改變回路電流的流向，實(shí)現對IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷操作(文陽(yáng)等，2016)。

 圖3  簡(jiǎn)單的數字化驅動(dòng)電路

圖3為一簡(jiǎn)單的數字化驅動(dòng)電路，控制芯片CPU發(fā)出的信號進(jìn)入緩沖器后來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷，從而得到IGBT開(kāi)通和關(guān)斷所需要的正向和負向電壓。

圖4  數字化動(dòng)態(tài)門(mén)極驅動(dòng)結構

隨著(zhù)IGBT驅動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員又提出了可以?xún)?yōu)化IGBT開(kāi)關(guān)特性的動(dòng)態(tài)門(mén)極驅動(dòng)結構。圖4為數字化動(dòng)態(tài)門(mén)極驅動(dòng)結構，其中圖4(a)與圖4(b)的工作原理大致相同。在IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，根據IGBT的開(kāi)關(guān)特性，控制對應的開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)改變其門(mén)極驅動(dòng)電阻的大小，調節IGBT的開(kāi)通關(guān)斷速率，優(yōu)化其開(kāi)關(guān)特性。而且，由于控制芯片的可編程性，在驅動(dòng)功率足夠大的情況下，可以通過(guò)調整各個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷組合方式，實(shí)現對不同廠(chǎng)家、不同電壓等級、不同電流等級以及不同型號的IGBT的開(kāi)關(guān)控制，大大提高了驅動(dòng)器的兼容性。此外，圖 4(b)所示的驅動(dòng)結構只需要單路驅動(dòng)電源便可滿(mǎn)足開(kāi)通關(guān)斷的驅動(dòng)電壓要求。當要驅動(dòng)IGBT開(kāi)通時(shí)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷，使發(fā)射極e端接至0V電位，門(mén)極G接至+15V電位，在門(mén)極和發(fā)射極之間產(chǎn)生+15V開(kāi)通驅動(dòng)電壓。當要驅動(dòng)IGBT關(guān)斷時(shí)，使發(fā)射極e端接至+15V電位，門(mén)極接通0V電位，在門(mén)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計成本，減小驅動(dòng)器的體積(王亮亮等，2016a)。

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

當檢測電路檢測到故障信號并反饋給數字化保護電路時(shí)，保護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。對如何確認故障信號，一般采用計數器計數再判斷的原理，假設錯誤信號為低電平有效，在接收到低電平后，如果低電平持續時(shí)間小于故障確認時(shí)間tc，則認為該電平為干擾電平，大于故障確認時(shí)間tc的電平為有效電平。不同類(lèi)型的故障，確認的時(shí)間不一樣，具體時(shí)間根據該類(lèi)故障下的電氣特性而定。

針對不同類(lèi)型的故障，其關(guān)斷保護的控制策略也不同。例如，IGBT在發(fā)生短路故障時(shí)，集電極電流IC快速上升至額定電流的數倍，此時(shí)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(guò)快而引起關(guān)斷浪涌電壓過(guò)高，造成IGBT的二次損壞。同時(shí)，針對不同類(lèi)型的故障，其關(guān)斷保護的響應時(shí)間也不同。通常情況下，在檢測到IGBT故障信號后，驅動(dòng)器會(huì )對故障信號進(jìn)行快速的甄別和響應，關(guān)斷處于故障狀態(tài)下的IGBT。但是對于IGBT的過(guò)載過(guò)電流故障，由于其過(guò)載時(shí)電流值為額定值的1.2～1.5倍，因而過(guò)載過(guò)電流不需要快速響應，允許有短時(shí)間的過(guò)載運行狀態(tài)(王亮亮等，2016b)。

圖5為一種數字化保護電路的實(shí)現方法，此策略針對不同類(lèi)型的故障信號，設置不同的關(guān)斷保護方式和保護動(dòng)作的響應時(shí)間。當故障信號輸入到主控制芯片后，控制芯片會(huì )對故障類(lèi)型進(jìn)行判斷。若是為過(guò)載故障，則對故障信號的真偽進(jìn)行甄別，經(jīng)過(guò)故障確認時(shí)間tc1后，故障狀態(tài)仍存在，則對IGBT進(jìn)行關(guān)斷保護操作。過(guò)載故障時(shí)集電極電流較低，因此只需要正常關(guān)斷即可。針對短路過(guò)電流故障保護時(shí)的關(guān)斷應力較大的問(wèn)題，此策略選用軟關(guān)斷的方式來(lái)避免關(guān)斷過(guò)壓的二次傷害。

圖5  一種數字化保護電路的實(shí)現方法

數字化驅動(dòng)的另一個(gè)優(yōu)勢在于其擴展性較強。通常情況下，在IGBT進(jìn)入故障狀態(tài)后，驅動(dòng)器需要將控制信號反饋給主控端，而不同應用場(chǎng)所的反饋信號的定義方式是不同的，因此一般驅動(dòng)器在這一點(diǎn)上很難做到兼容。而數字化驅動(dòng)的好處就在于其可編程性，只需要在現有硬件電路的基礎上對其控制程序稍作修改，就可以實(shí)現相應的目標。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）