數(shù)字電路憑借其穩(wěn)定性高、可靠性高、可編程性強及易于設(shè)計等特點，應用日益普遍。采用數(shù)字化的處理方式是當前電子信息系統(tǒng)的普遍發(fā)展趨勢。同樣地，數(shù)字化也將是IGBT驅(qū)動器的一個發(fā)展趨勢。本文以數(shù)字化IGBT驅(qū)動保護電路設(shè)計為例，介紹大功率IGBT驅(qū)動保護器的實現(xiàn)。該章節(jié)節(jié)選于楊媛 文陽所著《大功率IGBT驅(qū)動與保護技術(shù)》一書。

       楊媛，教授、博士生導師，西安理工大學研究生院副院長。曾在日本九州大學VLSI實驗室進行訪問學者。在數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計、電路系統(tǒng)設(shè)計方面主持國家自然科學基金、國家重大科技專項子項、陜西省重點研發(fā)項目、陜西省自然科學基金等科研項目40余項。獲陜西省科學技術(shù)一等獎1項、二等獎2項、西安市科學技術(shù)一等獎2項、陜西省高等學校一等獎2項，獲陜西省優(yōu)秀博士學位論文。先后獲學校青年學術(shù)骨干、優(yōu)秀青年教師等人才工程稱號，獲學校講課比賽一等獎。先后發(fā)表論文100余篇，SCI、EI檢索60余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利11項，實用新型專利3項，出版教材2部，專著1部，并受到國家科學技術(shù)學術(shù)著作出版基金資助，受邀在ISNE2018國際學術(shù)會議做大會邀請報告。

1.數(shù)字化驅(qū)動保護器

總體方案設(shè)計

       IGBT驅(qū)動保護器的設(shè)計方案包括電源電路、驅(qū)動、信號隔離和保護等方案的設(shè)計，根據(jù)不同的應用需求可采用不同的設(shè)計方案。

圖1  脈沖變壓器隔離的IGBT驅(qū)動保護方案

       圖1為采用脈沖變壓器進行信號隔離的IGBT驅(qū)動保護方案。系統(tǒng)方案主要分為隔離前端的低壓部分和隔離后端的高壓部分。后端通過物理接口以壓接的方式與IGBT模塊進行連接，主要包括以下幾個部分：功率驅(qū)動、VCE檢測部分、短路檢測及快速關(guān)斷、欠壓檢測以及+15V和-10V的隔離電源。前端主要包括數(shù)字控制部分(FPGA或CPLD)、過溫信號處理、電流信號處理、隔離電源驅(qū)動以及過載保護監(jiān)測。其中數(shù)字控制部分包含錯誤處理，脈沖整形(短脈沖抑制)、互鎖、死區(qū)時間以及DC/DC隔離電源的驅(qū)動信號。輸入信號由外部控制單元提供，外部信號首先進入數(shù)字處理部分，在內(nèi)部進行短脈沖抑制、互鎖、死區(qū)設(shè)置等處理之后，通過脈沖調(diào)制，利用脈沖變壓器傳遞到后端，在后端通過脈沖整形，還原驅(qū)動信號，因為該驅(qū)動信號的驅(qū)動功率不足以驅(qū)動大功率的IGBT模塊，所以需通過功率放大來增加驅(qū)動功率，使IGBT模塊在要求的時間內(nèi)開通關(guān)斷，這就是驅(qū)動部分的設(shè)計。功率放大所需要的電源來源于前端通過DC/DC隔離電源產(chǎn)生，在IGBT的工作過程中，功率放大所需要的電源如果欠壓，將導致IGBT不能按照要求的速度開關(guān)，導致錯誤開關(guān)，甚至造成IGBT的直通損壞，因此上下兩路電源都需要有欠壓檢測，以保證功率放大穩(wěn)定。檢測信號通過隔離傳輸?shù)角岸说臄?shù)字部分進行處理。系統(tǒng)通過VCE檢測到IGBT的短路信號后，首先在隔離后端對驅(qū)動信號進行快速關(guān)斷，然后通過隔離傳輸?shù)角岸?，進入數(shù)字部分進行處理。溫度檢測與過載檢測在通過傳感器檢測后，直接輸入到前端，通過信號的處理，向外部的客戶端送出模擬信號，同時將錯誤信號送進數(shù)字部分做相關(guān)處理。DC/DC隔離電源采用全橋模式，數(shù)字部分輸出的信號不足以驅(qū)動DC/DC全橋變換的主電路，因此DC/DC隔離電源的隔離前端需要有功率驅(qū)動部分。

圖2  光纖隔離的IGBT驅(qū)動方案

       圖2為采用光纖進行信號隔離的大功率IGBT數(shù)字可編程驅(qū)動器。該驅(qū)動器的核心是一個數(shù)字控制單元CPLD，除此之外還包括以下幾個部分：高隔離電壓的DC/DC變換器、信號隔離傳輸部分、閉環(huán)多級動態(tài)門極驅(qū)動部分、多種故障檢測和保護部分及狀態(tài)反饋部分。其中數(shù)字控制單元CPLD包含以下模塊：短脈沖抑制模塊、輸入信號過頻保護模塊、正常開關(guān)信號控制模塊、多種故障信號檢測模塊、故障軟關(guān)斷控制模塊及相應狀態(tài)指示燈控制模塊。多種故障檢測和保護部分都包含以下功能：兩級電流變化率dI/dt、多級VCE退飽和檢測、IGBT過電流、過溫檢測和保護、驅(qū)動電源欠壓檢測及保護。

       驅(qū)動控制信號(PWM)由外部控制單元提供，其經(jīng)過光纖隔離傳輸首先進入CPLD數(shù)字處理單元，在內(nèi)部經(jīng)過短脈沖抑制、過頻保護等處理之后，控制閉環(huán)多等級動態(tài)門極功率放大部分，使IGBT按照實際需求合理正確地開通和關(guān)斷，這就是整個模塊的驅(qū)動部分。當IGBT有故障信號出現(xiàn)時，故障檢測及保護部分將檢測到的信息送給CPLD，CPLD確認該故障的真實性后，會發(fā)出對應的保護指令，進而保護IGBT不受損壞，同時能夠?qū)崟r地向外部控制器反饋IGBT的運行狀態(tài)，方便用戶的使用。整個驅(qū)動與保護電路所需要的功率來源于高隔離電壓DC/DC變換器，它是保證IGBT安全、可靠運行的能量源泉。

2.驅(qū)動電路設(shè)計

       在IGBT開通時，驅(qū)動電路需要提供一定幅值的正向開通電壓，向門極電容充電使IGBT達到飽和。在關(guān)斷時提供一定幅值的關(guān)斷電壓來抽取門極電容中儲存的電荷，使IGBT處于截止狀態(tài)。因而，可以通過數(shù)字芯片控制對應功率器件的通斷，來改變回路電流的流向，實現(xiàn)對IGBT的開通和關(guān)斷操作。

圖3  簡單的數(shù)字化驅(qū)動電路

       圖3為一簡單的數(shù)字化驅(qū)動電路，控制器發(fā)出的信號進入緩沖器后來控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷，從而得到IGBT開通和關(guān)斷所需要的正向和負向電壓。

圖4  數(shù)字化動態(tài)門極驅(qū)動結(jié)構(gòu)

       隨著IGBT驅(qū)動技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員又提出了可以優(yōu)化IGBT開關(guān)特性的動態(tài)門極驅(qū)動結(jié)構(gòu)。圖4為數(shù)字化動態(tài)門極驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其中圖4(a)與圖4(b)的工作原理大致相同。在IGBT的開關(guān)過程中，根據(jù)IGBT的開關(guān)特性，控制對應的開關(guān)管的通斷來改變其門極驅(qū)動電阻的大小，調(diào)節(jié)IGBT的開通關(guān)斷速率，優(yōu)化其開關(guān)特性。而且，由于控制芯片的可編程性，在驅(qū)動功率足夠大的情況下，可以通過調(diào)整各個開關(guān)管的通斷組合方式，實現(xiàn)對不同廠家、不同電壓等級、不同電流等級以及不同型號的IGBT的開關(guān)控制，大大提高了驅(qū)動器的兼容性。此外，圖 4(b)所示的驅(qū)動結(jié)構(gòu)只需要單路驅(qū)動電源便可滿足開通關(guān)斷的驅(qū)動電壓要求。當要驅(qū)動IGBT開通時，通過控制開關(guān)管的通斷，使發(fā)射極e端接至0V電位，門極G接至+15V電位，在門極和發(fā)射極之間產(chǎn)生+15V開通驅(qū)動電壓。當要驅(qū)動IGBT關(guān)斷時，使發(fā)射極e端接至+15V電位，門極接通0V電位，在門極和發(fā)射極之間產(chǎn)生-15V關(guān)斷電壓。這有利于降低電源的設(shè)計成本，減小驅(qū)動器的體積。

3.數(shù)字化保護電路設(shè)計

      對IGBT的保護操作主要包括電壓故障的保護、電流故障的保護以及溫度故障的保護，而這些故障對應的檢測電路的輸出信號通常情況下均為數(shù)字信號。因而，可將故障信號直接送入數(shù)字可編程芯片進行處理分析，根據(jù)不同的故障類型配置不同的保護操作。

       當檢測電路檢測到故障信號并反饋給數(shù)字化保護電路時，保護電路首先需要對該故障信號進行甄別，判斷是否為有效的錯誤信號，從而避免誤保護。對如何確認故障信號，一般采用計數(shù)器計數(shù)再判斷的原理，假設(shè)錯誤信號為低電平有效，在接收到低電平后，如果低電平持續(xù)時間小于故障確認時間tc，則認為該電平為干擾電平，大于故障確認時間tc的電平為有效電平。不同類型的故障，確認的時間不一樣，具體時間根據(jù)該類故障下的電氣特性而定。

       針對不同類型的故障，其關(guān)斷保護的控制策略也不同。例如，IGBT在發(fā)生短路故障時，集電極電流IC快速上升至額定電流的數(shù)倍，此時就需要對IGBT進行軟關(guān)斷操作，從而避免因關(guān)斷速率過快而引起關(guān)斷浪涌電壓過高，造成IGBT的二次損壞。同時，針對不同類型的故障，其關(guān)斷保護的響應時間也不同。通常情況下，在檢測到IGBT故障信號后，驅(qū)動器會對故障信號進行快速的甄別和響應，關(guān)斷處于故障狀態(tài)下的IGBT。但是對于IGBT的過載過電流故障，由于其過載時電流值為額定值的1.2～1.5倍，因而過載過電流不需要快速響應，允許有短時間的過載運行狀態(tài)。

       圖5為一種數(shù)字化保護電路的實現(xiàn)方法，此策略針對不同類型的故障信號，設(shè)置不同的關(guān)斷保護方式和保護動作的響應時間。當故障信號輸入到主控制芯片后，控制芯片會對故障類型進行判斷。若是為過載故障，則對故障信號的真?zhèn)芜M行甄別，經(jīng)過故障確認時間tc1后，故障狀態(tài)仍存在，則對IGBT進行關(guān)斷保護操作。過載故障時集電極電流較低，因此只需要正常關(guān)斷即可。針對短路過電流故障保護時的關(guān)斷應力較大的問題，此策略選用軟關(guān)斷的方式來避免關(guān)斷過壓的二次傷害。

圖5  一種數(shù)字化保護電路的實現(xiàn)方法

       數(shù)字化驅(qū)動的另一個優(yōu)勢在于其擴展性較強。通常情況下，在IGBT進入故障狀態(tài)后，驅(qū)動器需要將控制信號反饋給主控端，而不同應用場所的反饋信號的定義方式是不同的，因此一般驅(qū)動器在這一點上很難做到兼容。而數(shù)字化驅(qū)動的好處就在于其可編程性，只需要在現(xiàn)有硬件電路的基礎(chǔ)上對其控制程序稍作修改，就可以實現(xiàn)相應的目標。

4. 信號預處理

       由于工作環(huán)境、控制模塊可靠性等各方面因素的影響，可能會對控制回路的信號產(chǎn)生瞬態(tài)干擾，對功率回路造成一定的影響。因此，在驅(qū)動信號加載在IGBT模塊之前，需要對驅(qū)動信號進行預處理，剔除錯誤信號對功率回路的影響，降低故障風險。

1）短脈沖抑制

       短脈沖信號會對功率回路造成不良影響。針對此類信號的干擾，也可以通過數(shù)字化電路來屏蔽。

       短脈沖的抑制功能的實現(xiàn)如圖6所示，其中PWM_in，Cnt1和Cnt2為兩個計數(shù)器。假設(shè)當輸入信號的持續(xù)時間小于10個時鐘周期即可認為是短脈沖。當脈沖輸入PWM_in大于10個時鐘周期時，PWM_out輸出對應的信號；而當脈沖輸入PWM_in小于10個時鐘周期時，即認為是過窄的脈沖信號，進行濾除，忽略這個短脈沖信號并保持原有的狀態(tài)，防止對后端驅(qū)動的影響。

圖6  短脈沖抑制流程圖

2 ）死區(qū)時間設(shè)置

      半橋模式的IGBT模塊在應用時，需要設(shè)置對應的死區(qū)時間來避免IGBT的直通危險。

       如圖7所示為死區(qū)時間的數(shù)字化控制框圖。其中，TOP_in和BOT_in分別為上下半橋的控制信號。由于死區(qū)時間的設(shè)置只針對由于功率器件的關(guān)斷存在延時而造成的短路現(xiàn)象，因而，可只考慮上下半橋的輸入信號相反這一種情況。假設(shè)死區(qū)時間為tTD，即當下半橋關(guān)斷信號輸入后，經(jīng)時長為tTD的延時后，再控制上半橋開通；反之，當上半橋關(guān)斷信號輸入后，經(jīng)時長為tTD的延時后，再控制下半橋開通。

圖7  死區(qū)時間設(shè)置流程圖

3）互鎖設(shè)置

      互鎖操作也是避免半橋工作模式下IGBT的直通故障的一種有效措施。并且，這種操作是針對由于控制信號異常而導致輸入到上下半橋的控制信號同時為高，而導致上下半橋直通的故障。

      如圖8所示為互鎖操作的數(shù)字化控制框圖。其中，TOP_in和BOT_in分別為上下半橋的控制信號。當控制信號傳送至驅(qū)動器后，驅(qū)動器會對上下半橋的控制信號進行分析對比，若兩路信號TOP_in和BOT_in相同且同時為高電平，此時為了功率回路的安全起見，驅(qū)動器會對上下兩路信號置零且對輸入信號進行封鎖。從而實現(xiàn)對此類故障的處理。

  圖8  互鎖操作流程圖

4） 過頻保護

       不同的IGBT應用的環(huán)境不同，一般工作頻率都會有所限制，例如應用于軌道交通列車中的3300V等級IGBT，其工作頻率大概約為700Hz。如果工作頻率過高，則IGBT的開關(guān)損耗將會增大也可能影響整個系統(tǒng)的正常運行。此外，信號頻率過快也會使得驅(qū)動電路的自身損耗大大增加，有可能導致驅(qū)動器自身故障，如柵源電壓欠壓或過熱損壞等問題，進而影響IGBT的正常工作。因此，在數(shù)字化程序設(shè)計中，對輸入信號的頻率進行實時監(jiān)測，若PWM信號的頻率大于IGBT及系統(tǒng)要求的最高工作頻率時，應對該驅(qū)動信號進行封鎖，進而達到過頻保護的效果。

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《大功率IGBT驅(qū)動與保護技術(shù)》
楊媛，文陽 著
北京：科學出版社，2018.6
ISBN 978-7-03-057703-0
責任編輯：宋無汗

目錄

第1章 概述 
1.1 引言 
1.2 功率半導體器件介紹 
1.2.1 功率二極管 
1.2.2 功率MOSFET 
1.2.3 晶閘管及其相關(guān)器件 
1.2.4 IGBT 
1.2.5 發(fā)展現(xiàn)狀及展望 
1.3 IGBT驅(qū)動介紹 
1.3.1 被動式驅(qū)動電路 
1.3.2 主動式驅(qū)動電路 
1.4 大功率IGBT串并聯(lián)技術(shù) 
1.4.1 IGBT并聯(lián)均流技術(shù) 
1.4.2 IGBT串聯(lián)均壓技術(shù) 
1.5 展望 
1.5.1 IGBT在線監(jiān)測與故障分析 
1.5.2 大功率IGBT串并聯(lián)技術(shù) 
1.5.3 SiC器件驅(qū)動與保護電路研究 
 
第2章 IGBT的開關(guān)特性及主要參數(shù) 
2.1 等效電路分析 
2.1.1 IGBT等效電路 
2.1.2 開關(guān)過程等效電路 
2.2 IGBT開關(guān)特性 
2.2.1 IGBT開通過程 
2.2.2 IGBT關(guān)斷過程 
2.3 擎住效應 
2.4 安全工作區(qū) 
2.5 續(xù)流二極管 
2.5.1 續(xù)流二極管靜態(tài)特性 
2.5.2 續(xù)流二極管開通特性 
2.5.3 續(xù)流二極管關(guān)斷特性 
2.6 IGBT的數(shù)據(jù)手冊 
2.6.1 IGBT的極限參數(shù) 
2.6.2 IGBT的特征參數(shù) 
2.6.3 續(xù)流二極管的特征參數(shù) 

第3章 IGBT驅(qū)動電路 
3.1 驅(qū)動電路簡介 
3.1.1 驅(qū)動電壓 
3.1.2 門極電阻 
3.1.3 驅(qū)動電流 
3.2 驅(qū)動電源 
3.2.1 驅(qū)動功率計算 
3.2.2 DC/DC電路設(shè)計 
3.3 驅(qū)動信號隔離 
3.3.1 光隔離方式 
3.3.2 脈沖變壓器隔離方式 
3.4 驅(qū)動器其他要求 
3.4.1 短脈沖抑制 
3.4.2 死區(qū)時間設(shè)置 
3.4.3 互鎖設(shè)置 
 
第4章 IGBT故障分析與保護電路 
4.1 電流故障及其保護電路 
4.1.1 電流故障分析 
4.1.2 過電流保護電路 
4.2 過壓保護 
4.2.1 過壓故障與原因分析 
4.2.2 過壓保護電路 
4.3 過溫保護 
4.3.1 溫度對IGBT的影響分析 
4.3.2 過溫保護策略 
4.4 欠壓保護 
4.4.1 欠壓故障分析 
4.4.2 欠壓保護策略 

第5章 數(shù)字化IGBT驅(qū)動保護電路的實現(xiàn) 
5.1 數(shù)字化驅(qū)動保護器總體方案設(shè)計 
5.2 驅(qū)動電路設(shè)計 
5.3 數(shù)字化保護電路設(shè)計 
5.4 信號預處理 
5.4.1 短脈沖抑制 
5.4.2 死區(qū)時間設(shè)置 
5.4.3 互鎖設(shè)置 
5.4.4 過頻保護 
 
第6章 并聯(lián)均流 
6.1 影響并聯(lián)均流的因素 
6.1.1 IGBT模塊靜態(tài)均流影響因素分析 
6.1.2 IGBT模塊動態(tài)均流影響因素分析 
6.2 并聯(lián)均流的措施 
6.2.1 器件選型 
6.2.2 驅(qū)動電路的對稱性設(shè)計 
6.2.3 功率回路的阻抗與寄生參數(shù)的對稱性 
6.2.4 降額法 
6.2.5 有源門極控制法 
6.2.6 電感均流法 
6.2.7 有源門極控制IGBT并聯(lián)均流 
6.2.8 分散式有源門極控制法 

第7章 現(xiàn)有驅(qū)動產(chǎn)品介紹及應用 
7.1 IR系列驅(qū)動器 
7.1.1 IR2110電氣特性 
7.1.2 IR2110驅(qū)動電路抗干擾技術(shù) 
7.2 EXB系列集成驅(qū)動器 
7.2.1 EXB系列集成驅(qū)動器使用特點 
7.2.2 EXB系列集成驅(qū)動器應用電路 
7.3 落木源TX-KA101驅(qū)動器 
7.3.1 TX-KA101驅(qū)動器基本功能 
7.3.2 TX-KA101三段式驅(qū)動保護 
7.3.3 TX-KA101應用參考電路 
7.4 青銅劍2QD0435T17-C驅(qū)動器 
7.4.1 2QD0435T17-C基本功能 
7.4.2 2QD0435T17-C原邊接口電路描述 
7.4.3 2QD0435T17-C副邊接口電路描述 
7.4.4 2QD0435T17-C工作特點 
7.5 SCALE系列 
7.5.1 驅(qū)動核概述 
7.5.2 2SC0535T原方接口電路描述 
7.5.3 2SC0535T副方接口電路描述 
7.6 Inpower系列數(shù)字驅(qū)動器 
7.7 Amantys門極驅(qū)動器 
7.8 驅(qū)動器應用舉例 
7.8.1 驅(qū)動器在有源電力濾波器中的應用 
7.8.2 驅(qū)動器在機車牽引中的應用 

第8章 IGBT功率模塊及IPM 
8.1 功率半導體模塊 
8.1.1 模塊結(jié)構(gòu)與特點 
8.1.2 功率模塊的性能 
8.1.3 IGBT模塊新技術(shù) 
8.2 IPM 
8.2.1 IPM特點 
8.2.2 IPM結(jié)構(gòu)與性能 
8.2.3 IPM保護功能 
8.2.4 IPM封裝新技術(shù) 
8.3 IPM產(chǎn)品介紹 
8.3.1 低電感內(nèi)部結(jié)構(gòu) 
8.3.2 SKiiP系列IPM功能 
 
第9章 IGBT測試與裝置 
9.1 雙脈沖測試平臺 
9.1.1 功率部分 
9.1.2 測量設(shè)備 
9.2 雙脈沖測試方法 
9.2.1 雙脈沖測試意義 
9.2.2 雙脈沖測試簡介 
9.2.3 雙脈沖實驗的關(guān)注點 
9.2.4 雙脈沖實驗的其他作用 
9.3 短路測試方法 
9.3.1 一類短路測試 
9.3.2 二類短路測試