強大的數(shù)字型IGBT驅(qū)動器

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[1-3]。

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(shè)置大都采用硬件實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整比較復(fù)雜，不同型號的IGBT必須設(shè)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(shè)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(shè)計中，電源設(shè)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(dǎo)致IGBT損耗增加，甚至造成IGBT損壞。

本設(shè)計中采用Ti公司的LM5025芯片設(shè)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(dāng)電流檢測電阻上的壓降達(dá)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(shè)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(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，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(dá)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(dá)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(dāng)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(yīng)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(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，TVS管反向?qū)ǎㄟ^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(shè)定值都認(rèn)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(shè)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(shè)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(yīng)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。