數(shù)字電路憑借其具有高穩(wěn)定性、高可靠性、可編程性、易于設(shè)計和經(jīng)濟性等突出特點，其應(yīng)用日益普遍。采用數(shù)字化的處理方式是當(dāng)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。本章以數(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)。

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(yīng)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(王立虎，2012)。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(dǎo)致IGBT不能按照要求的速度開關(guān)，導(dǎo)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)角岸耍M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(王亮亮，2015)。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(yīng)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(dāng)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(rèn)該故障的真實性后，會發(fā)出對應(yīng)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。

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?fàn)顟B(tài)。因而，可以通過數(shù)字芯片控制對應(yīng)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(文陽等，2016)。

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，控制芯片CPU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(fù)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(王亮亮等，2016a)。

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(yīng)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(dāng)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(rèn)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(rèn)時間tc，則認(rèn)為該電平為干擾電平，大于故障確認(rèn)時間tc的電平為有效電平。不同類型的故障，確認(rèn)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)，允許有短時間的過載運行狀態(tài)(王亮亮等，2016b)。

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(yīng)時間。當(dāng)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(rèn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的目標(biāo)。