數字型IGBT驅動(dòng)器方案

　　隨著(zhù)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器件表現尤為突出，在具體的應用工況中，每一個(gè)IGBT模塊都需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)器，IGBT驅動(dòng)器對IGBT的運行性能有著(zhù)重大影響

　　傳統利用模擬電路實(shí)現的IGBT驅動(dòng)器技術(shù)較成熟，運行穩定，但是由于其驅動(dòng)器各參數設置大都采用硬件實(shí)現，參數調整比較復雜，不同型號的IGBT必須設計不同的驅動(dòng)器，本文利用數字控制器對柵極控制，可以靈活的修改驅動(dòng)器的軟件參數設置，來(lái)調整IGBT工作的性能，對于不同的IGBT型號，只需要加載不同的驅動(dòng)程序，即可以解決傳統驅動(dòng)器產(chǎn)品的型號匹配問(wèn)題。

　　如圖1示，驅動(dòng)器主要包括：高等級隔離電源、光纖通信接口、功率放大電路、檢測保護電路、數字控制器等五部分。

　　2.1高等級隔離電源

　　高壓IGBT驅動(dòng)器設計中，電源設計是關(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)，出現欠壓現象，導致IGBT損耗增加，甚至造成IGBT損壞。

　　本設計中采用Ti公司的LM5025芯片設計反激式DC-DC電路（電路圖見(jiàn)圖2），電路中的初級具有電流檢測軟起動(dòng)功能，當電流檢測電阻上的壓降達到0.25V時(shí)，對電源起到很好的過(guò)流保護作用。

　　2.2光纖通信接口

　　在用戶(hù)主控系統通信的接口設計上，選擇抗干擾能力強的光纖通信，防止控制信號被干擾出現誤觸發(fā)。光纖選用HFBR-1522、HFBR-2522，光纖電路如圖3。

　　2.3功率放大電路

　　選擇導通阻抗非常低的mosFET作為開(kāi)關(guān)器件，構成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)現不同條件下對IGBT性能的調整。在IGBT正常開(kāi)關(guān)時(shí)，可以通過(guò)調整柵極電阻來(lái)控制器件的開(kāi)關(guān)速度，達到優(yōu)化器件效率的目的。在IGBT出現工作異常時(shí)（例如短路），可以通過(guò)調整柵極電阻來(lái)控制器件的工作狀態(tài)，防止器件損壞達到保護器件的目的。

　　2.4檢測保護電路

　　為防止IGBT器件工作中出現任何異常故障，驅動(dòng)器需要對IGBT的狀態(tài)參數進(jìn)行檢測，如果發(fā)現異常，驅動(dòng)器自動(dòng)采取保護動(dòng)作，并通知主控器。

　　欠壓檢測：目前各個(gè)IGBT廠(chǎng)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器件在工作中出現低于15V的情況，根據IGBT器件飽和壓降VCE與柵極電壓的關(guān)系（如圖5示），隨著(zhù)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，必須對驅動(dòng)器輸出柵極的電壓進(jìn)行檢測，如果出現欠壓開(kāi)通情況，驅動(dòng)器要立即進(jìn)行保護。同時(shí)需要注意，IGBT的短路電流與柵極電壓成正比，所以當器件開(kāi)通時(shí)柵極出現高于+15V電壓，器件如果出現故障會(huì )出現比正常工況更大的短路電流，所以驅動(dòng)器必須確保柵極開(kāi)通電壓處于合理的范圍內。

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

　　過(guò)壓保護：在IGBT器件關(guān)斷過(guò)程中，由于母線(xiàn)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），當關(guān)斷過(guò)程中集電極出現超過(guò)設定值（設定值小于IGBT額定值）的電壓尖峰時(shí)，TVS管反向導通，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），從而達到限制電壓尖峰的目的。用戶(hù)根據具體的應用工況，選擇適合的TVS管的數量和單個(gè)TVS擊穿電壓參數。

　　di/dt檢測：（如圖示7），IGBT模塊內部等效圖可以看到，由于IGBT模塊內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定值都認為器件di/dt出現異常狀態(tài)，需要進(jìn)行保護，并向主控系統報告出現di/dt故障。

　　數字控制器功能

　　數字控制器主要完成根據輸入信號控制功率放大電路，驅動(dòng)IGBT器件。同時(shí)，根據檢測電路的反饋信號判定IGBT器件的工作狀態(tài)，如果出現異常狀況，立即按照設定策略對IGBT器件進(jìn)行保護。

　　4 驅動(dòng)級測試

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

　　從上圖測試結果可以看出，驅動(dòng)板可以在測試條件下安全的開(kāi)通和關(guān)斷IGBT模塊。

　　5 改進(jìn)方向

　　本論文提出的數字型IGBT驅動(dòng)器在過(guò)壓保護檢測上采用的TVS管串聯(lián)的方式，只可以對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(hù)對于過(guò)壓保護的閾值設定不合理，及系統在運行中會(huì )出現較多的過(guò)壓，或較長(cháng)時(shí)間過(guò)壓，此時(shí)IGBT器件會(huì )出現柵極被高壓損壞，或本應關(guān)斷的IGBT被動(dòng)強行開(kāi)通，出現上下管短路的狀態(tài)，損壞上下管IGBT。所以可以加入Vce檢測電路，實(shí)時(shí)檢測集電極電壓，制定保護策略。