強(qiáng)大的數(shù)字型IGBT驅(qū)動(dòng)器

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(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(xiàn)尤為突出，在具體的應(yīng)用工況中，每一個(gè)IGBT模塊都需要一個(gè)專門的驅(qū)動(dòng)器，IGBT驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT的運(yùn)行性能有著重大影響[1-3]。

傳統(tǒng)利用模擬電路實(shí)現(xiàn)的IGBT驅(qū)動(dòng)器技術(shù)較成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，但是由于其驅(qū)動(dòng)器各參數(shù)設(shè)置大都采用硬件實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整比較復(fù)雜，不同型號(hào)的IGBT必須設(shè)計(jì)不同的驅(qū)動(dòng)器，本文利用數(shù)字控制器對(duì)柵極控制，可以靈活的修改驅(qū)動(dòng)器的軟件參數(shù)設(shè)置，來調(diào)整IGBT工作的性能，對(duì)于不同的IGBT型號(hào)，只需要加載不同的驅(qū)動(dòng)程序，即可以解決傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的型號(hào)匹配問題。

如圖1示，驅(qū)動(dòng)器主要包括：高等級(jí)隔離電源、光纖通信接口、功率放大電路、檢測(cè)保護(hù)電路、數(shù)字控制器等五部分。

2.1高等級(jí)隔離電源

高壓IGBT驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，電源設(shè)計(jì)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(xiàn)欠壓現(xiàn)象，導(dǎo)致IGBT損耗增加，甚至造成IGBT損壞。

本設(shè)計(jì)中采用Ti公司的LM5025芯片設(shè)計(jì)反激式DC-DC電路(電路圖見圖2)，電路中的初級(jí)具有電流檢測(cè)軟起動(dòng)功能，當(dāng)電流檢測(cè)電阻上的壓降達(dá)到0.25V時(shí)，對(duì)電源起到很好的過流保護(hù)作用。

2.2光纖通信接口

在用戶主控系統(tǒng)通信的接口設(shè)計(jì)上，選擇抗干擾能力強(qiáng)的光纖通信，防止控制信號(hào)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(dǎo)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(shí)，采用多個(gè)柵極電阻切換的方式，實(shí)現(xiàn)不同條件下對(duì)IGBT性能的調(diào)整。在IGBT正常開關(guān)時(shí)，可以通過調(diào)整柵極電阻來控制器件的開關(guān)速度，達(dá)到優(yōu)化器件效率的目的。在IGBT出現(xiàn)工作異常時(shí)(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(dá)到保護(hù)器件的目的。

2.4檢測(cè)保護(hù)電路

為防止IGBT器件工作中出現(xiàn)任何異常故障，驅(qū)動(dòng)器需要對(duì)IGBT的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)異常，驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)采取保護(hù)動(dòng)作，并通知主控器。

欠壓檢測(cè)：目前各個(gè)IGBT廠商推薦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(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(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(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出柵極的電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果出現(xiàn)欠壓開通情況，驅(qū)動(dòng)器要立即進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)需要注意，IGBT的短路電流與柵極電壓成正比，所以當(dāng)器件開通時(shí)柵極出現(xiàn)高于+15V電壓，器件如果出現(xiàn)故障會(huì)出現(xiàn)比正常工況更大的短路電流，所以驅(qū)動(dòng)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(cè)：Vce電壓檢測(cè)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(duì)應(yīng)的策略對(duì)IGBT進(jìn)行不同的控制方式。

過壓保護(hù)：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(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(huì)被擊穿，造成器件損壞。

過壓保護(hù)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(dāng)關(guān)斷過程中集電極出現(xiàn)超過設(shè)定值(設(shè)定值小于IGBT額定值)的電壓尖峰時(shí)，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(dá)到限制電壓尖峰的目的。用戶根據(jù)具體的應(yīng)用工況，選擇適合的TVS管的數(shù)量和單個(gè)TVS擊穿電壓參數(shù)。

di/dt檢測(cè):(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(shí)，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(cè)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(shè)定值都認(rèn)為器件di/dt出現(xiàn)異常狀態(tài)，需要進(jìn)行保護(hù)，并向主控系統(tǒng)報(bào)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(hào)控制功率放大電路，驅(qū)動(dòng)IGBT器件。同時(shí)，根據(jù)檢測(cè)電路的反饋信號(hào)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(shè)定策略對(duì)IGBT器件進(jìn)行保護(hù)。

4 驅(qū)動(dòng)級(jí)測(cè)試

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

從上圖測(cè)試結(jié)果可以看出，驅(qū)動(dòng)板可以在測(cè)試條件下安全的開通和關(guān)斷IGBT模塊。

5 改進(jìn)方向

本論文提出的數(shù)字型IGBT驅(qū)動(dòng)器在過壓保護(hù)檢測(cè)上采用的TVS管串聯(lián)的方式，只可以對(duì)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(duì)于過壓保護(hù)的閾值設(shè)定不合理，及系統(tǒng)在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)較多的過壓，或較長時(shí)間過壓，此時(shí)IGBT器件會(huì)出現(xiàn)柵極被高壓損壞，或本應(yīng)關(guān)斷的IGBT被動(dòng)強(qiáng)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(cè)電路，實(shí)時(shí)檢測(cè)集電極電壓，制定保護(hù)策略。