數(shù)字型IGBT的設計與實現(xiàn)：

　　1引言

　　隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，大功率器件在軌道交通、直流輸電、風力發(fā)電等領(lǐng)域的市場迅猛發(fā)展，其中以IGBT器件表現(xiàn)尤為突出，在具體的應用工況中，每一個IGBT模塊都需要一個專門的驅(qū)動器，IGBT驅(qū)動器對IGBT的運行性能有著重大影響。

　　傳統(tǒng)利用模擬電路實現(xiàn)的IGBT驅(qū)動器技術(shù)較成熟，運行穩(wěn)定，但是由于其驅(qū)動器各參數(shù)設置大都采用硬件實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整比較復雜，不同型號的IGBT必須設計不同的驅(qū)動器，本文利用數(shù)字控制器對柵極控制，可以靈活的修改驅(qū)動器的軟件參數(shù)設置，來調(diào)整IGBT工作的性能，對于不同的IGBT型號，只需要加載不同的驅(qū)動程序，即可以解決傳統(tǒng)驅(qū)動器產(chǎn)品的型號匹配問題。

　　如圖1示，驅(qū)動器主要包括：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(shù)字控制器等五部分。

　　2.1高等級隔離電源

　　高壓IGBT驅(qū)動器設計中，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，可能會在IGBT器件高頻工作時，出現(xiàn)欠壓現(xiàn)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（電路圖見圖2），電路中的初級具有電流檢測軟起動功能，當電流檢測電阻上的壓降達到0.25V時，對電源起到很好的過流保護作用。

　　2.2光纖通信接口

　　在用戶主控系統(tǒng)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(xiàn)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作為開關(guān)器件，構(gòu)成IGBT柵極功率輸出電路，如圖4，同時，采用多個柵極電阻切換的方式，實現(xiàn)不同條件下對IGBT性能的調(diào)整。在IGBT正常開關(guān)時，可以通過調(diào)整柵極電阻來控制器件的開關(guān)速度，達到優(yōu)化器件效率的目的。在IGBT出現(xiàn)工作異常時（例如短路），可以通過調(diào)整柵極電阻來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(xiàn)任何異常故障，驅(qū)動器需要對IGBT的狀態(tài)參數(shù)進行檢測，如果發(fā)現(xiàn)異常，驅(qū)動器自動采取保護動作，并通知主控器。

　　欠壓檢測：目前各個IGBT廠商推薦IGBT器件工作時的柵極電壓為±15V（柵極最大承受電壓為±20V），如果IGBT器件在工作中出現(xiàn)低于15V的情況，根據(jù)IGBT器件飽和壓降VCE與柵極電壓的關(guān)系（如圖5示），隨著柵極電壓的下降，IGBT飽和壓降會增加，造成IGBT器件損耗增加，有可能會損壞器件，所以，必須對驅(qū)動器輸出柵極的電壓進行檢測，如果出現(xiàn)欠壓開通情況，驅(qū)動器要立即進行保護。同時需要注意，IGBT的短路電流與柵極電壓成正比，所以當器件開通時柵極出現(xiàn)高于+15V電壓，器件如果出現(xiàn)故障會出現(xiàn)比正常工況更大的短路電流，所以驅(qū)動器必須確保柵極開通電壓處于合理的范圍內(nèi)。

　　Vce電壓檢測：Vce電壓檢測可以為數(shù)字控制器提供IGBT器件參數(shù)，控制器通過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進行不同的控制方式。

　　過壓保護：在IGBT器件關(guān)斷過程中，由于母線回路寄生電感的存在，關(guān)斷電壓會產(chǎn)生一個電壓過沖尖峰，過沖幅值為△V=Ls*di/dt，如果尖峰電壓超過IGBT器件的額定電壓，IGBT器件會被擊穿，造成器件損壞。

　　過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)斷過程中集電極出現(xiàn)超過設定值（設定值小于IGBT額定值）的電壓尖峰時，TVS管反向?qū)?，通過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。用戶根據(jù)具體的應用工況，選擇適合的TVS管的數(shù)量和單個TVS擊穿電壓參數(shù)。

　　di/dt檢測：（如圖示7），IGBT模塊內(nèi)部等效圖可以看到，由于IGBT模塊內(nèi)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，主電流IC從主電極流入，經(jīng)過寄生電感L流出，依據(jù)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(xiàn)異常狀態(tài)，需要進行保護，并向主控系統(tǒng)報告出現(xiàn)di/dt故障。

　　數(shù)字控制器功能

　　數(shù)字控制器主要完成根據(jù)輸入信號控制功率放大電路，驅(qū)動IGBT器件。同時，根據(jù)檢測電路的反饋信號判定IGBT器件的工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)異常狀況，立即按照設定策略對IGBT器件進行保護。

　　4 驅(qū)動級測試

　　為初步確定驅(qū)動級基本功能的正確性和可行性，利用圖8樣品板進行測試，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(jié)果可以看出，驅(qū)動板可以在測試條件下安全的開通和關(guān)斷IGBT模塊。

　　5 改進方向

　　本論文提出的數(shù)字型IGBT驅(qū)動器在過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)生的寄生過壓有較好的效果，但是這種方法也存在弊端，如果用戶對于過壓保護的閾值設定不合理，及系統(tǒng)在運行中會出現(xiàn)較多的過壓，或較長時間過壓，此時IGBT器件會出現(xiàn)柵極被高壓損壞，或本應關(guān)斷的IGBT被動強行開通，出現(xiàn)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，實時檢測集電極電壓，制定保護策略。

　　IGBT過流的檢測方法：

　　IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）兼有場效應晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動功率小和雙極型晶體管電壓、電流容量大及管壓降低的特點，是目前中、大功率開關(guān)電源最普遍使用的電力電子開關(guān)器件。 IGBT能夠承受的短路時間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾μs至幾十μs。短路電流過大不僅使短路承受時間縮短，而且使關(guān)斷時電流下降率 過大，由于漏感及引線電感的存在，導致IGBT集電極過電壓，該過電壓可使IGBT鎖定失效，同時高的過電壓會使IGBT擊穿。因此，當出現(xiàn)短路過流時，必須采取有效的保護措施。

　　為了實現(xiàn)IGBT的短路保護，則必須進行過流檢測。適用IGBT過流檢測的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流Ic，然后與設定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測過流時IGBT的電壓降Vce，因為管壓降含有短路電流信息，過流時Vce增大，且基本上為線性關(guān)系，檢測過流時的Vce并與設定的閾值進行比較，比較器的輸出控制驅(qū)動電路的關(guān)斷。

　　在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關(guān)斷電流的 過大形成過電壓，導致IGBT鎖定無效和損壞，以及為了降低電磁干擾，通常采用軟降柵壓和軟關(guān)斷綜合保護技術(shù)。

　　在設計降柵壓保護電路時，要正確選擇降柵壓幅度和速度，如果降柵壓幅度大（比如7。5V），降柵壓速度不要太快，一般可采用2μs下降時間的軟降柵壓，由于降柵壓幅度大，集電極電流已經(jīng)較小，在故障狀態(tài)封鎖柵極可快些，不必采用軟關(guān)斷；如果降柵壓幅度較?。ū热?V以下），降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須慢，即采用軟關(guān)斷，以避免過電壓發(fā)生。

　　為了使電源在短路故障狀態(tài)不中斷工作，又能避免在原工作頻率下連續(xù)進行短路保護產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞，采用降柵壓保護即可不必在一次短路保護立即封鎖電路，而使工作頻率降低（比如1Hz左右），形成間歇“打嗝”的保護方法，故障消除后即恢復正常工作。

　　下面是幾種IGBT短路保護的實用電路及工作原理。

　?。?）利用IGBT的Vce設計過流保護電路

　　圖1是利用IGBT過流時Vce增大的原理進行保護的電路，用于專用驅(qū)動器EXB841。EXB841內(nèi)部電路能很好地完成降柵及軟關(guān)斷，并具有內(nèi)部延遲功能，以消除干擾產(chǎn)生的誤動作。含有IGBT過流信息的Vce不直接送至EXB841的集電極電壓監(jiān)視腳6，而是經(jīng)快速恢復二極管VD1，通過比較器IC1輸出接至EXB841的腳6，其目的是為了消除VD1正向壓降隨電流不同而異，采用閾值比較器，提高電流檢測的準確性。如果發(fā)生過流，驅(qū)動器EXB841的低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，以避免集電極電流尖峰。

　?。?）　利用電流傳感器設計過流保護電路

　　圖2（a）是利用電流傳感器進行過流檢測的IGBT保護電路，電流傳感器（SC）初級（1匝）串接在IGBT的集電極電路中，次級感應的過流信號經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準電壓進行比較，IC1的輸出送至具有正反饋的比較器IC2，其輸出接至PWM控制器UC3525的輸出控制腳10。不過流時，VAVref，VB為高電平，C3充電使VC》Vref，IC2輸出高電平（大于1.4V），關(guān)閉PWM控制電路。因無驅(qū)動信號，IGBT關(guān)閉，而電源停止工作，電流傳感器無電流流過，使VA參數(shù)，使PWM驅(qū)動信號關(guān)閉時間t2》》t1，可保證電源進入睡眠狀態(tài)。正反饋電阻R7保證IC2只有高、低電平兩種狀態(tài)，D5，R1，C3充放電電路，保證IC2輸出不致在高、低電平之間頻繁變化，即IGBT不致頻繁開通、關(guān)斷而損壞。

　?。?）　綜合過流保護電路

　　圖3是利用IGBT（V1）過流集電極電壓檢測和電流傳感器檢測的綜合保護電路，電路工作原理是：負載短路（或IGBT因其它故障過流）時，V1的Vce增大，V3門極驅(qū)動電流經(jīng)R2，R3分壓器使V3導通，IGBT柵極電壓由VD3所限制而降壓，限制IGBT峰值電流幅度，同時經(jīng)R5C3延遲使V2導通，送去軟關(guān)斷信號。另一方面，在短路時經(jīng)電流傳感器檢測短路電流，經(jīng)比較器IC1輸出的高電平使V3導通進行降柵壓，V2導通進行軟關(guān)斷。

　　此外，還可以應用檢測IGBT集電極電壓的過流保護原理，采用軟降柵壓、軟關(guān)斷及降低工作頻率保護技術(shù)的短路保護電路］。開關(guān)電源保護功能雖屬電源裝置電氣性能要求的附加功能，但在惡劣環(huán)境及意外事故條件下，保護電路是否完善并按預定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。驗收技術(shù)指標時，應對保護功能進行驗證。

　　開關(guān)電源的保護方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性，但對具體電源裝置而言，應選擇合理的保護方案和電路結(jié)構(gòu)，以使得在故障條件下真正有效地實現(xiàn)保護。