數字電路憑借其穩定性高、可靠性高、可編程性強及易于設計等特點(diǎn)，應用日益普遍。采用數字化的處理方式是當前電子信息系統的普遍發(fā)展趨勢。同樣地，數字化也將是IGBT驅動(dòng)器的一個(gè)發(fā)展趨勢。本文以數字化IGBT驅動(dòng)保護電路設計為例，介紹大功率IGBT驅動(dòng)保護器的實(shí)現。該章節節選于楊媛 文陽(yáng)所著(zhù)《大功率IGBT驅動(dòng)與保護技術(shù)》一書(shū)。

       楊媛，教授、博士生導師，西安理工大學(xué)研究生院副院長(cháng)。曾在日本九州大學(xué)VLSI實(shí)驗室進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者。在數?；旌霞呻娐吩O計、電路系統設計方面主持國家自然科學(xué)基金、國家重大科技專(zhuān)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(chēng)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，授權國家發(fā)明專(zhuān)利11項，實(shí)用新型專(zhuān)利3項，出版教材2部，專(zhuān)著(zhù)1部，并受到國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著(zhù)作出版基金資助，受邀在ISNE2018國際學(xué)術(shù)會(huì )議做大會(huì )邀請報告。

總體方案設計

       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。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。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。

2.驅動(dòng)電路設計

       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。

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，控制器發(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。

3.數字化保護電路設計

      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)。

       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。

4. 信號預處理

       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(huì )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，在驅動(dòng)信號加載在IGBT模塊之前，需要對驅動(dòng)信號進(jìn)行預處理，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(huì )對功率回路造成不良影響。針對此類(lèi)信號的干擾，也可以通過(guò)數字化電路來(lái)屏蔽。

       短脈沖的抑制功能的實(shí)現如圖6所示，其中PWM_in，Cnt1和Cnt2為兩個(gè)計數器。假設當輸入信號的持續時(shí)間小于10個(gè)時(shí)鐘周期即可認為是短脈沖。當脈沖輸入PWM_in大于10個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，PWM_out輸出對應的信號；而當脈沖輸入PWM_in小于10個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，即認為是過(guò)窄的脈沖信號，進(jìn)行濾除，忽略這個(gè)短脈沖信號并保持原有的狀態(tài)，防止對后端驅動(dòng)的影響。

圖6  短脈沖抑制流程圖

2 ）死區時(shí)間設置

      半橋模式的IGBT模塊在應用時(shí)，需要設置對應的死區時(shí)間來(lái)避免IGBT的直通危險。

       如圖7所示為死區時(shí)間的數字化控制框圖。其中，TOP_in和BOT_in分別為上下半橋的控制信號。由于死區時(shí)間的設置只針對由于功率器件的關(guān)斷存在延時(shí)而造成的短路現象，因而，可只考慮上下半橋的輸入信號相反這一種情況。假設死區時(shí)間為tTD，即當下半橋關(guān)斷信號輸入后，經(jīng)時(shí)長(cháng)為tTD的延時(shí)后，再控制上半橋開(kāi)通；反之，當上半橋關(guān)斷信號輸入后，經(jīng)時(shí)長(cháng)為tTD的延時(shí)后，再控制下半橋開(kāi)通。

圖7  死區時(shí)間設置流程圖

3）互鎖設置

      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致輸入到上下半橋的控制信號同時(shí)為高，而導致上下半橋直通的故障。

      如圖8所示為互鎖操作的數字化控制框圖。其中，TOP_in和BOT_in分別為上下半橋的控制信號。當控制信號傳送至驅動(dòng)器后，驅動(dòng)器會(huì )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(shí)為高電平，此時(shí)為了功率回路的安全起見(jiàn)，驅動(dòng)器會(huì )對上下兩路信號置零且對輸入信號進(jìn)行封鎖。從而實(shí)現對此類(lèi)故障的處理。

  圖8  互鎖操作流程圖

4） 過(guò)頻保護

       不同的IGBT應用的環(huán)境不同，一般工作頻率都會(huì )有所限制，例如應用于軌道交通列車(chē)中的3300V等級IGBT，其工作頻率大概約為700Hz。如果工作頻率過(guò)高，則IGBT的開(kāi)關(guān)損耗將會(huì )增大也可能影響整個(gè)系統的正常運行。此外，信號頻率過(guò)快也會(huì )使得驅動(dòng)電路的自身?yè)p耗大大增加，有可能導致驅動(dòng)器自身故障，如柵源電壓欠壓或過(guò)熱損壞等問(wèn)題，進(jìn)而影響IGBT的正常工作。因此，在數字化程序設計中，對輸入信號的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，若PWM信號的頻率大于IGBT及系統要求的最高工作頻率時(shí)，應對該驅動(dòng)信號進(jìn)行封鎖，進(jìn)而達到過(guò)頻保護的效果。