數(shù)字化大功率IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路如何實(shí)現(xiàn)?
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時(shí)間 : 2018-10-26 20:26 瀏覽量 : 193
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IGBT
IGBT(絕緣柵雙極晶體管)絕緣柵雙極晶體管是由BJT(雙極晶體管)和MOS(絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管)組成的復(fù)合完全控制電壓驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體器件,其具有兩個(gè)MOSFET。 GTR的高輸入阻抗和低導(dǎo)通電壓降的優(yōu)點(diǎn)。 GTR飽和電壓降低,載流密度大,但驅(qū)動(dòng)電流大; MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小,開關(guān)速度快,但導(dǎo)通電壓降大,且載流密度小。 IGBT結(jié)合了上述兩種器件的優(yōu)點(diǎn),具有低驅(qū)動(dòng)功率和降低的飽和電壓。適用于直流電壓為600V及以上的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng),如交流電機(jī)、逆變器、開關(guān)電源、照明電路、牽引驅(qū)動(dòng)和其他領(lǐng)域。

數(shù)字電路憑借其穩(wěn)定性高、可靠性高、可編程性強(qiáng)及易于設(shè)計(jì)等特點(diǎn),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(shì)。同樣地,數(shù)字化也將是IGBT驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。本文以數(shù)字化IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)為例,介紹大功率IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)器的實(shí)現(xiàn)。該章節(jié)節(jié)選于楊媛 文陽所著《大功率IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)》一書。
楊媛,教授、博士生導(dǎo)師,西安理工大學(xué)研究生院副院長。曾在日本九州大學(xué)VLSI實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行訪問學(xué)者。在數(shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面主持國家自然科學(xué)基金、國家重大科技專項(xiàng)子項(xiàng)、陜西省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、陜西省自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目40余項(xiàng)。獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、西安市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、陜西省高等學(xué)校一等獎(jiǎng)2項(xiàng),獲陜西省優(yōu)秀博士學(xué)位論文。先后獲學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干、優(yōu)秀青年教師等人才工程稱號(hào),獲學(xué)校講課比賽一等獎(jiǎng)。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(xiàng),實(shí)用新型專利3項(xiàng),出版教材2部,專著1部,并受到國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助,受邀在ISNE2018國際學(xué)術(shù)會(huì)議做大會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告。
1.數(shù)字化驅(qū)動(dòng)保護(hù)器總體方案設(shè)計(jì)
IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)器的設(shè)計(jì)方案包括電源電路、驅(qū)動(dòng)、信號(hào)隔離和保護(hù)等方案的設(shè)計(jì),根據(jù)不同的應(yīng)用需求可采用不同的設(shè)計(jì)方案。
圖1 脈沖變壓器隔離的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)方案
圖1為采用脈沖變壓器進(jìn)行信號(hào)隔離的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)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(jìn)行連接,主要包括以下幾個(gè)部分:功率驅(qū)動(dòng)、VCE檢測(cè)部分、短路檢測(cè)及快速關(guān)斷、欠壓檢測(cè)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(hào)處理、電流信號(hào)處理、隔離電源驅(qū)動(dòng)以及過載保護(hù)監(jiān)測(cè)。其中數(shù)字控制部分包含錯(cuò)誤處理,脈沖整形(短脈沖抑制)、互鎖、死區(qū)時(shí)間以及DC/DC隔離電源的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。輸入信號(hào)由外部控制單元提供,外部信號(hào)首先進(jìn)入數(shù)字處理部分,在內(nèi)部進(jìn)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(dòng)信號(hào),因?yàn)樵擈?qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)功率不足以驅(qū)動(dòng)大功率的IGBT模塊,所以需通過功率放大來增加驅(qū)動(dòng)功率,使IGBT模塊在要求的時(shí)間內(nèi)開通關(guān)斷,這就是驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)。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(cuò)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(cè),以保證功率放大穩(wěn)定。檢測(cè)信號(hào)通過隔離傳輸?shù)角岸说臄?shù)字部分進(jìn)行處理。系統(tǒng)通過VCE檢測(cè)到IGBT的短路信號(hào)后,首先在隔離后端對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速關(guān)斷,然后通過隔離傳輸?shù)角岸耍M(jìn)入數(shù)字部分進(jìn)行處理。溫度檢測(cè)與過載檢測(cè)在通過傳感器檢測(cè)后,直接輸入到前端,通過信號(hào)的處理,向外部的客戶端送出模擬信號(hào),同時(shí)將錯(cuò)誤信號(hào)送進(jìn)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(hào)不足以驅(qū)動(dòng)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(dòng)部分。
圖2 光纖隔離的IGBT驅(qū)動(dòng)方案
圖2為采用光纖進(jìn)行信號(hào)隔離的大功率IGBT數(shù)字可編程驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器的核心是一個(gè)數(shù)字控制單元CPLD,除此之外還包括以下幾個(gè)部分:高隔離電壓的DC/DC變換器、信號(hào)隔離傳輸部分、閉環(huán)多級(jí)動(dòng)態(tài)門極驅(qū)動(dòng)部分、多種故障檢測(cè)和保護(hù)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(hào)過頻保護(hù)模塊、正常開關(guān)信號(hào)控制模塊、多種故障信號(hào)檢測(cè)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(cè)和保護(hù)部分都包含以下功能:兩級(jí)電流變化率dI/dt、多級(jí)VCE退飽和檢測(cè)、IGBT過電流、過溫檢測(cè)和保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電源欠壓檢測(cè)及保護(hù)。
驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)(PWM)由外部控制單元提供,其經(jīng)過光纖隔離傳輸首先進(jìn)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(hù)等處理之后,控制閉環(huán)多等級(jí)動(dòng)態(tài)門極功率放大部分,使IGBT按照實(shí)際需求合理正確地開通和關(guān)斷,這就是整個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)部分。當(dāng)IGBT有故障信號(hào)出現(xiàn)時(shí),故障檢測(cè)及保護(hù)部分將檢測(cè)到的信息送給CPLD,CPLD確認(rèn)該故障的真實(shí)性后,會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)的保護(hù)指令,進(jìn)而保護(hù)IGBT不受損壞,同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)地向外部控制器反饋IGBT的運(yùn)行狀態(tài),方便用戶的使用。整個(gè)驅(qū)動(dòng)與保護(hù)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(yùn)行的能量源泉。
2.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
在IGBT開通時(shí),驅(qū)動(dòng)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(dá)到飽和。在關(guān)斷時(shí)提供一定幅值的關(guān)斷電壓來抽取門極電容中儲(chǔ)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(duì)應(yīng)功率器件的通斷,來改變回路電流的流向,實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的開通和關(guān)斷操作。
圖3 簡(jiǎn)單的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)電路
圖3為一簡(jiǎn)單的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)電路,控制器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)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(dòng)態(tài)門極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
隨著IGBT驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)門極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖4為數(shù)字化動(dòng)態(tài)門極驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)的開關(guān)管的通斷來改變其門極驅(qū)動(dòng)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(dòng)功率足夠大的情況下,可以通過調(diào)整各個(gè)開關(guān)管的通斷組合方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同廠家、不同電壓等級(jí)、不同電流等級(jí)以及不同型號(hào)的IGBT的開關(guān)控制,大大提高了驅(qū)動(dòng)器的兼容性。此外,圖 4(b)所示的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)只需要單路驅(qū)動(dòng)電源便可滿足開通關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)電壓要求。當(dāng)要驅(qū)動(dòng)IGBT開通時(shí),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(dòng)電壓。當(dāng)要驅(qū)動(dòng)IGBT關(guān)斷時(shí),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(jì)成本,減小驅(qū)動(dòng)器的體積。
3.數(shù)字化保護(hù)電路設(shè)計(jì)
對(duì)IGBT的保護(hù)操作主要包括電壓故障的保護(hù)、電流故障的保護(hù)以及溫度故障的保護(hù),而這些故障對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電路的輸出信號(hào)通常情況下均為數(shù)字信號(hào)。因而,可將故障信號(hào)直接送入數(shù)字可編程芯片進(jìn)行處理分析,根據(jù)不同的故障類型配置不同的保護(hù)操作。
當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到故障信號(hào)并反饋給數(shù)字化保護(hù)電路時(shí),保護(hù)電路首先需要對(duì)該故障信號(hào)進(jìn)行甄別,判斷是否為有效的錯(cuò)誤信號(hào),從而避免誤保護(hù)。對(duì)如何確認(rèn)故障信號(hào),一般采用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)再判斷的原理,假設(shè)錯(cuò)誤信號(hào)為低電平有效,在接收到低電平后,如果低電平持續(xù)時(shí)間小于故障確認(rèn)時(shí)間tc,則認(rèn)為該電平為干擾電平,大于故障確認(rèn)時(shí)間tc的電平為有效電平。不同類型的故障,確認(rèn)的時(shí)間不一樣,具體時(shí)間根據(jù)該類故障下的電氣特性而定。
針對(duì)不同類型的故障,其關(guān)斷保護(hù)的控制策略也不同。例如,IGBT在發(fā)生短路故障時(shí),集電極電流IC快速上升至額定電流的數(shù)倍,此時(shí)就需要對(duì)IGBT進(jìn)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(shí),針對(duì)不同類型的故障,其關(guān)斷保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間也不同。通常情況下,在檢測(cè)到IGBT故障信號(hào)后,驅(qū)動(dòng)器會(huì)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)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(duì)于IGBT的過載過電流故障,由于其過載時(shí)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(shí)間的過載運(yùn)行狀態(tài)。
圖5為一種數(shù)字化保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)方法,此策略針對(duì)不同類型的故障信號(hào),設(shè)置不同的關(guān)斷保護(hù)方式和保護(hù)動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)故障信號(hào)輸入到主控制芯片后,控制芯片會(huì)對(duì)故障類型進(jìn)行判斷。若是為過載故障,則對(duì)故障信號(hào)的真?zhèn)芜M(jìn)行甄別,經(jīng)過故障確認(rèn)時(shí)間tc1后,故障狀態(tài)仍存在,則對(duì)IGBT進(jìn)行關(guān)斷保護(hù)操作。過載故障時(shí)集電極電流較低,因此只需要正常關(guān)斷即可。針對(duì)短路過電流故障保護(hù)時(shí)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(hù)電路的實(shí)現(xiàn)方法
數(shù)字化驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其擴(kuò)展性較強(qiáng)。通常情況下,在IGBT進(jìn)入故障狀態(tài)后,驅(qū)動(dòng)器需要將控制信號(hào)反饋給主控端,而不同應(yīng)用場(chǎng)所的反饋信號(hào)的定義方式是不同的,因此一般驅(qū)動(dòng)器在這一點(diǎn)上很難做到兼容。而數(shù)字化驅(qū)動(dòng)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(duì)其控制程序稍作修改,就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目標(biāo)。
4. 信號(hào)預(yù)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(huì)對(duì)控制回路的信號(hào)產(chǎn)生瞬態(tài)干擾,對(duì)功率回路造成一定的影響。因此,在驅(qū)動(dòng)信號(hào)加載在IGBT模塊之前,需要對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,剔除錯(cuò)誤信號(hào)對(duì)功率回路的影響,降低故障風(fēng)險(xiǎn)。
1)短脈沖抑制
短脈沖信號(hào)會(huì)對(duì)功率回路造成不良影響。針對(duì)此類信號(hào)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(shí)現(xiàn)如圖6所示,其中PWM_in,Cnt1和Cnt2為兩個(gè)計(jì)數(shù)器。假設(shè)當(dāng)輸入信號(hào)的持續(xù)時(shí)間小于10個(gè)時(shí)鐘周期即可認(rèn)為是短脈沖。當(dāng)脈沖輸入PWM_in大于10個(gè)時(shí)鐘周期時(shí),PWM_out輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào);而當(dāng)脈沖輸入PWM_in小于10個(gè)時(shí)鐘周期時(shí),即認(rèn)為是過窄的脈沖信號(hào),進(jìn)行濾除,忽略這個(gè)短脈沖信號(hào)并保持原有的狀態(tài),防止對(duì)后端驅(qū)動(dòng)的影響。
圖6 短脈沖抑制流程圖
2 )死區(qū)時(shí)間設(shè)置
半橋模式的IGBT模塊在應(yīng)用時(shí),需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的死區(qū)時(shí)間來避免IGBT的直通危險(xiǎn)。
如圖7所示為死區(qū)時(shí)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(hào)。由于死區(qū)時(shí)間的設(shè)置只針對(duì)由于功率器件的關(guān)斷存在延時(shí)而造成的短路現(xiàn)象,因而,可只考慮上下半橋的輸入信號(hào)相反這一種情況。假設(shè)死區(qū)時(shí)間為tTD,即當(dāng)下半橋關(guān)斷信號(hào)輸入后,經(jīng)時(shí)長為tTD的延時(shí)后,再控制上半橋開通;反之,當(dāng)上半橋關(guān)斷信號(hào)輸入后,經(jīng)時(shí)長為tTD的延時(shí)后,再控制下半橋開通。
圖7 死區(qū)時(shí)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(duì)由于控制信號(hào)異常而導(dǎo)致輸入到上下半橋的控制信號(hào)同時(shí)為高,而導(dǎo)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(hào)。當(dāng)控制信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)器后,驅(qū)動(dòng)器會(huì)對(duì)上下半橋的控制信號(hào)進(jìn)行分析對(duì)比,若兩路信號(hào)TOP_in和BOT_in相同且同時(shí)為高電平,此時(shí)為了功率回路的安全起見,驅(qū)動(dòng)器會(huì)對(duì)上下兩路信號(hào)置零且對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行封鎖。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)此類故障的處理。
圖8 互鎖操作流程圖
4) 過頻保護(hù)
不同的IGBT應(yīng)用的環(huán)境不同,一般工作頻率都會(huì)有所限制,例如應(yīng)用于軌道交通列車中的3300V等級(jí)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(huì)增大也可能影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外,信號(hào)頻率過快也會(huì)使得驅(qū)動(dòng)電路的自身損耗大大增加,有可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器自身故障,如柵源電壓欠壓或過熱損壞等問題,進(jìn)而影響IGBT的正常工作。因此,在數(shù)字化程序設(shè)計(jì)中,對(duì)輸入信號(hào)的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),若PWM信號(hào)的頻率大于IGBT及系統(tǒng)要求的最高工作頻率時(shí),應(yīng)對(duì)該驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行封鎖,進(jìn)而達(dá)到過頻保護(hù)的效果。
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