具有故障存儲功能的數字化IGBT驅動(dòng)器的設計

摘要：針對軌道交通領(lǐng)域IGBT的使用要求，設計了一款基于可編程邏輯器件并具有故障存儲功能的數字化驅動(dòng)器。文章介紹了驅動(dòng)器總體方案，設計了多電壓軌電源系統；分析了異常驅動(dòng)信號對IGBT正常工作的危害，并通過(guò)軟件算法實(shí)現了短脈沖抑制與超頻保護；電源欠壓會(huì )導致IGBT開(kāi)關(guān)異常，使用欠壓檢測芯片進(jìn)行檢測并在發(fā)生欠壓故障時(shí)進(jìn)行脈沖封鎖；針對短路故障，使用退飽和電路檢測并結合軟件時(shí)序進(jìn)行保護；詳細分析了IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程各階段的不同特性，設計了可優(yōu)化開(kāi)關(guān)性能的多等級開(kāi)關(guān)電路；通過(guò)存儲芯片與可編程邏輯器件的SPI通信，在發(fā)生故障時(shí)可實(shí)現對各節點(diǎn)信號波形的存儲。經(jīng)測試驗證，數字化驅動(dòng)器可顯著(zhù)改善 IGBT的開(kāi)關(guān)性能，并能準確存儲故障信息。

關(guān)鍵詞：存儲；數字化；IGBT；驅動(dòng)器

大功率絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）在軌道交通牽引變流器、輔助變流器、充電機等核心設備中得到了廣泛的應用。

IGBT 驅動(dòng)器是控制裝置與 IGBT 模塊之間的橋梁，決定著(zhù) IGBT 能否正常、安全、可靠的工作，是執行控制算法的關(guān)鍵部 件。為了實(shí)現對 IGBT 更加精準、智能的控制以提高系統的效率以及可靠性，帶有可編程邏輯器件的數字化驅動(dòng)器已得到了越來(lái)越多的應用。IGBT 部件的可靠性嚴重影響著(zhù)車(chē)輛的運行秩序。變流器中 IGBT 故障后車(chē)輛只能通過(guò)切除部分動(dòng)力或部分負載來(lái)維持運用，嚴重影響車(chē)輛運行與乘客乘坐。目前的 IGBT 驅動(dòng)器雖然具有故障檢測保護與故障反饋功能，但通過(guò)故障反饋卻無(wú)法甄別故障類(lèi)型，亦不能指示 IGBT 故障前后驅動(dòng)器各部分信號或邏輯，造成故障的根本原因很難分析。因此，有必要設計帶有故障存儲功能的 IGBT 驅動(dòng)器，為故障的定位與分析提供有利的數據支撐。

1 數字化驅動(dòng)器總體方案設計

數字化驅動(dòng)器以可編程邏輯器件為核心，包括電源系統、信號處理與故障保護系統、門(mén)極開(kāi)關(guān)電路以及故障存儲等組成。其整體設計方案如圖 1 所示。

外部直流電壓經(jīng)高頻變壓器隔離轉換成供可編程邏輯器件、光纖信號系統、門(mén)極驅動(dòng)電路等使用的電壓?？删幊踢壿嬈骷榭刂浦袠?，首先對由光纖輸入的脈沖寬度調制 (pulse width modulation, PWM) 驅動(dòng)信號進(jìn)行短脈沖抑制、超頻保護等處理，之后通過(guò)門(mén)極開(kāi)關(guān)矩陣對 IGBT 的開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程實(shí)施多級分段控制 ^[1,3]。Vce 電路對 IGBT 開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測，當發(fā)生短路時(shí)可編程邏輯器件控制門(mén)極開(kāi)關(guān)矩陣對 IGBT 實(shí)施關(guān)斷保護，并將故障信息反饋至上位機?？删幊踢壿嬈骷谡９ぷ鲿r(shí)會(huì )對欠壓檢測、短路檢測等故障檢測電路輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行信息緩存。當發(fā)生某種故障時(shí)，可編程邏輯器件通過(guò) SPI 總線(xiàn)與外接的存儲芯片通信，將故障前后的異常信號與波形信息寫(xiě)入存儲芯片以供故障分析使用。

2 數字化驅動(dòng)器電源設計

由于采用了可編程邏輯器件，因此數字化驅動(dòng)器相較于模擬化的驅動(dòng)器，其電源系統更加復雜，整個(gè)電源系統包含門(mén)極驅動(dòng)電源 ±15 V、可編程邏輯器件電源 +3.3 V 與 +1.2 V、光纖電源 +5 V。其設計方案如下圖 2：

3 數字化驅動(dòng)器信號處理與故障保護

驅動(dòng)信號控制著(zhù) IGBT 的開(kāi)關(guān)，“純凈”或準確的信號決定 IGBT 能否安全工作，因此對進(jìn)入驅動(dòng)器的開(kāi)關(guān)信號進(jìn)行了短脈沖抑制與超頻保護。

3.1 驅動(dòng)信號處理

3.1.1 短脈沖抑制

IGBT 驅動(dòng)信號通常由數字信號處理（digital signal processing，DSP）或其他微控制器產(chǎn)生，通過(guò)電信號或者光信號傳輸至驅動(dòng)器。因軟件算法錯誤或者信號傳輸干擾可能會(huì )造成驅動(dòng)信號的暫態(tài)變化，這些較短的脈沖信號會(huì )導致 IGBT 異?？焖俚亻_(kāi)關(guān)，容易引起短路或其他故障，同時(shí)也會(huì )對反并聯(lián)二極管造成損害，因此必須濾除。

如圖 3 所示，為了抑制短脈沖，IGBT 驅動(dòng)信號 PWM_IN 經(jīng)轉換后入可編程邏輯器件，當出現電平高低狀態(tài)轉換時(shí)，由軟件對轉換的電平狀態(tài)進(jìn)行計時(shí)判斷。當電平維持時(shí)間短于軟件設定的閾值時(shí)間 t_SPS，則輸出脈沖 PWM_IN_FLT 保持轉換前的狀態(tài)不變；當電平維持時(shí)間長(cháng)于設定的閾值時(shí)間，則脈沖信號輸出狀態(tài)進(jìn)行轉換。短脈沖抑制功能可濾除較窄的開(kāi)通或關(guān)斷信號。

3.1.2 超頻保護

超過(guò)設定工作頻率的開(kāi)關(guān)信號可能會(huì )導致 IGBT 熱損壞，超頻保護能避免軟件錯誤造成的嚴重后果，如圖 4 所示，數字化驅動(dòng)器超頻保護閾值頻率設置為 1.3 Fsw，當輸入的 PWM 開(kāi)關(guān)信號頻率超過(guò)設置的閾值并超過(guò)三個(gè)周期后，如圖 5 所示保護時(shí)序，驅動(dòng)器會(huì )封鎖門(mén)極開(kāi)關(guān)脈沖，同時(shí)將故障反饋給上位機。

3.2 故障保護

3.2.1 欠壓保護

圖 7 為欠壓保護功能實(shí)現的過(guò)程與時(shí)序，當進(jìn)入電壓檢測芯片 V+ 管腳的電壓低于 2.63 V 閾值電壓 Vth 時(shí)，芯片 /REST 管腳置低，可編程邏輯芯片檢測到輸入欠壓信號變低后立即封鎖門(mén)極脈沖，同時(shí)將故障反饋給上位機；當 V+ 高于閾值電壓 Vth，且維持時(shí)間超過(guò) 200 ms 時(shí)，/REST 管腳置高。

3.2.2 短路保護

IGBT 短路是變流器模塊最嚴重故障，因此短路保護也是驅動(dòng)器最重要的保護功能 ^[4]。圖 8 為二極管式退飽和檢測電路，依靠檢測 IGBT 短路時(shí)的退飽和現象，配合軟件時(shí)序邏輯，可實(shí)現對 SC1（開(kāi)通前處于短路狀態(tài)）、SC2（導通過(guò)程中短路）兩種類(lèi)型短路的可靠保護。

圖8 退飽和檢測電路

二極管式退飽和檢測電路工作原理：

（3）當 IGBT 發(fā)生短路時(shí)，集電極電流快速上升，Vce 電壓會(huì )快速退飽和返回至母線(xiàn)電壓，此時(shí) Vce 電壓 會(huì )使二極管 D1~Dn 反向截至，比較器輸出為高，待短路檢測倒計時(shí)結束會(huì )立即報出短路故障。此后，可編程邏輯器件會(huì )封鎖脈沖，為 IGBT 施加軟關(guān)斷，并將故障情況反饋至上位機。

4 數字化驅動(dòng)器門(mén)極開(kāi)關(guān)控制

大部分 IGBT 驅動(dòng)器使用單電阻或兩電阻對 IGBT 的開(kāi)通與關(guān)斷進(jìn)行控制，最終的取值是在開(kāi)關(guān)延遲、開(kāi)關(guān)損耗、電磁干擾、關(guān)斷過(guò)電壓等因素綜合限制下折中取得。事實(shí)上，IGBT 模塊在開(kāi)通或關(guān)斷中呈現階段性特性，每個(gè)階段對門(mén)極電阻值都有特定要求。

使用可編程邏輯器件選擇在開(kāi)通或關(guān)斷的不同階段投入最優(yōu)阻值的門(mén)極電阻，可大大優(yōu)化 IGBT 模塊的開(kāi)關(guān)性能。如圖 9 所示，門(mén)極開(kāi)關(guān)矩陣由 MOSFET 組成，T1-Tn 是負責開(kāi)通的 MOSFET，而 B1-Bn 是負責關(guān)斷的 MOSFET。開(kāi)通門(mén)極電阻可由 Ron1~Ronn 任意組合并聯(lián)取得，同樣關(guān)斷門(mén)極電阻可由 Roff1~Roffn 任意組合并聯(lián)取得，因此開(kāi)通或關(guān)斷都可以獲得 2ⁿ ? 1種門(mén)極電阻取值。

圖 10 為 IGBT 模塊的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程 ^[2]，門(mén)極驅動(dòng) 電阻多等級切換工作原理如下：開(kāi)通過(guò)程：T0~T1：驅動(dòng)器接收到 PWM 開(kāi)通信號，開(kāi)關(guān)矩陣切換至開(kāi)通時(shí)序。此時(shí)間段為 IGBT 的開(kāi)通延遲階段，IGBT 集電極與發(fā)射極間電壓 Vce 及 IGBT 集電極電流 I_C 無(wú)變化，因此在該階段投入最小阻值（Ron1||Ron2||...Ronn）的開(kāi)通電阻，使 IGBT 門(mén)極與發(fā)射極間電壓 V_ge 快速上升至開(kāi)通閾值 V_ge,th，縮短開(kāi)通延遲時(shí)間；

T4~T5：T4 時(shí)刻 IGBT 已經(jīng)完全開(kāi)通，使用最小門(mén)極開(kāi)通電阻維持開(kāi)通狀態(tài)

關(guān)斷過(guò)程：

T5~T6：T5 時(shí)刻，驅動(dòng)器接收到 PWM 關(guān)斷信號，即刻進(jìn)入關(guān)斷時(shí)序。投入最小的關(guān)斷電阻（Roff1||Roff2||...Roffn）， 使門(mén)極電壓快速降至米勒平臺，減小開(kāi)通延時(shí)；

T9-：IGBT 進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，使用最小關(guān)斷電阻保持。

5 數字化驅動(dòng)器故障存儲

大部分驅動(dòng)器在 IGBT 發(fā)生故障時(shí)通過(guò)反饋信號與上位機通訊，實(shí)現系統快速保護。但這種方式無(wú)法甄別故障類(lèi)型、不能指示重要節點(diǎn)信號（輸入 PWM、輸出反饋等）發(fā)生故障時(shí)刻的狀態(tài)、不能在 IGBT 或驅動(dòng)器發(fā)生特別嚴重故障（IGBT 燒損、驅動(dòng)器燒損斷電等）時(shí)記錄最初狀態(tài)，因此雖然報告了故障，但分析原因時(shí)仍然非常困難。

因此本設計在驅動(dòng)器上添加了高速存儲芯片，通過(guò) SPI 總線(xiàn)與可編程邏輯器件連接 ^[5]，圖 11 為數字化驅動(dòng)器故障存儲電路。當故障觸發(fā)時(shí)，可編程邏輯器件將故障位及其他數據信息快速寫(xiě)入高速存儲芯片。之后，上位機電腦通過(guò)串口通訊線(xiàn)與可編程邏輯器件連接，通過(guò)可編程邏輯器件讀取，將高速存儲芯片上記錄的故障信息發(fā)送至上位機電腦進(jìn)行分析。

正常工作時(shí)，可編程邏輯芯片連續采樣故障檢測電路及節點(diǎn)信號，并在芯片內 RAM 進(jìn)行緩存，當故障發(fā)生時(shí)，可編程邏輯芯片立即向存儲芯片發(fā)送請求存儲指令，將故障前后 2 ms 時(shí)長(cháng)的采樣到的數據發(fā)送至存儲芯片進(jìn)行記錄。表 1 為需要存儲的故障與節點(diǎn)信號：

6 試驗

6.1 開(kāi)關(guān)測試

使用地鐵高頻輔助變流器 DC/DC 模塊作為測試對象進(jìn)行雙脈沖試驗，測試條件為：IGBT 型號 FF400R17KE4，母線(xiàn)電壓 Udc = 1 300 V，負載電流I = 200 A，電感負載 L = 400 μH，脈沖寬度為 Ton = 60 μs。

圖12為傳統單電阻驅動(dòng)器高壓開(kāi)關(guān)時(shí)的測試波形，圖13為本文設計的多電阻驅動(dòng)器高壓開(kāi)關(guān)的測試波形。

通過(guò)表 2 測試參數對比，門(mén)極電路采用多等級電阻開(kāi)關(guān)控制顯著(zhù)縮短了開(kāi)通與關(guān)斷延遲時(shí)間，其中關(guān)斷延遲大幅縮短 46%。通過(guò)降低電流關(guān)斷的速度，使雜散電感引起的關(guān)斷過(guò)電壓減小約 50 V?？傮w來(lái)看，因影響損耗的參數得到了優(yōu)化，使得開(kāi)通損耗減小 60%，而關(guān)斷損耗則減少了近 59%，這將降低 IGBT 運行時(shí)的溫升，進(jìn)而延長(cháng)其使用壽命。多等級控制電路明顯優(yōu)化了 IGBT 的開(kāi)關(guān)性能。

6.2 故障存儲測試

6.2.1 超頻保護

使用波形發(fā)生器生成超過(guò)設定頻率的 PWM 波形輸入驅動(dòng)器以模擬故障。從圖 14 示波器測量到的真實(shí)波形可以看出，當輸入的超頻 PWM 信號超過(guò) 3 個(gè)周期時(shí)，門(mén)極輸出 Vge 被軟件封鎖，IGBT 被關(guān)斷，不再執行輸入脈沖動(dòng)作，同時(shí)反饋置低向上位機報告了故障，實(shí)現了超頻保護。圖 15 為故障存儲芯片在超頻故障觸發(fā)時(shí)存儲到的各節點(diǎn)信號，與示波器測試到的波形信息相同，體現了故障存儲功能的準確有效。另外，標志位也指出了故障的類(lèi)型，為原因分析提供了有力證據。

6.2.2 短路保護

將驅動(dòng)器裝在功率模塊上，并對 IGBT 做短路連接。圖 16 為示波器測量到的驅動(dòng)器上的真實(shí)波形式，可以看出當輸入脈沖超過(guò)設置的短路檢測時(shí)間（約 8 μs）時(shí)，退飽和電路檢測到了短路，軟件立即封鎖 Vge 脈沖，關(guān)斷 IGBT，同時(shí)向上位機反饋了故障，實(shí)現了對 IGBT的短路保護。圖 17 為芯片存儲解析后的波形，與實(shí)際短路保護時(shí)的波形時(shí)序相同，反映了存儲功能準確有效。

7 結語(yǔ)

針對軌道交通系統中 IGBT 的使用特點(diǎn)，設計了基于可編程邏輯器件的數字化驅動(dòng)器。測試表明，由可編程邏輯器件控制的可變電阻的多級門(mén)極開(kāi)關(guān)電路可有效減小開(kāi)關(guān)損耗，優(yōu)化了 IGBT 開(kāi)關(guān)性能。另外，創(chuàng )新性的加入了故障高速存儲功能，可為系統故障分析提供可靠依據。

參考文獻：

[1] 福爾克,郝康普.IGBT模塊:技術(shù)、驅動(dòng)和應用[M].韓金剛,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2016.

[2] LOBSIGER Y, KOLAR J W.Closed-Loop di/dt and dv/dt IGBT Gate Driver[J].IEEE Transactions on power electronics, 2015,30(6):3402-3417.

[3] 楊媛,文陽(yáng).大功率IGBT驅動(dòng)與保護技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2018.

[4] CHOKHAWALA R, CATT J, KIRALY L. A discussion onIGBT short-circuit behavior and fault protection schemes[J]. IEEE Transactions on industry applications,1995,31(2):256-263.

[5] 徐文波, 田耘. Xilinx FPGA 開(kāi)發(fā)實(shí)用教程[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2012.

（注：本文轉自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）