强大的数字型IGBT驱动器

1引言

随着电力电子器件技术的发展，大功率器件在轨道交通、直流输电、风力发电等领域的市场迅猛发展，其中以IGBT器件表现尤为突出，在具体的应用工况中，每一个IGBT模块都需要一个专门的驱动器，IGBT驱动器对IGBT的运行性能有着重大影响[1-3]。

传统利用模拟电路实现的IGBT驱动器技术较成熟，运行稳定，但是由于其驱动器各参数设置大都采用硬件实现，参数调整比较复杂，不同型号的IGBT必须设计不同的驱动器，本文利用数字控制器对栅极控制，可以灵活的修改驱动器的软件参数设置，来调整IGBT工作的性能，对于不同的IGBT型号，只需要加载不同的驱动程序，即可以解决传统驱动器产品的型号匹配问题。

如图1示，驱动器主要包括：高等级隔离电源、光纤通信接口、功率放大电路、检测保护电路、数字控制器等五部分。

2.1高等级隔离电源

高压IGBT驱动器设计中，电源设计是关键部分之一，电源的输出功率决定了IGBT在实际工作中能够使用的工作频率，如果电源输出功率不足，可能会在IGBT器件高频工作时，出现欠压现象，导致IGBT损耗增加，甚至造成IGBT损坏。

本设计中采用Ti公司的LM5025芯片设计反激式DC-DC电路(电路图见图2)，电路中的初级具有电流检测软起动功能，当电流检测电阻上的压降达到0.25V时，对电源起到很好的过流保护作用。

2.2光纤通信接口

在用户主控系统通信的接口设计上，选择抗干扰能力强的光纤通信，防止控制信号被干扰出现误触发。光纤选用HFBR-1522、HFBR-2522，光纤电路如图3。

2.3功率放大电路

选择导通阻抗非常低的mosFET作为开关器件，构成IGBT栅极功率输出电路，如图4，同时，采用多个栅极电阻切换的方式，实现不同条件下对IGBT性能的调整。在IGBT正常开关时，可以通过调整栅极电阻来控制器件的开关速度，达到优化器件效率的目的。在IGBT出现工作异常时(例如短路)，可以通过调整栅极电阻来控制器件的工作状态，防止器件损坏达到保护器件的目的。

2.4检测保护电路

为防止IGBT器件工作中出现任何异常故障，驱动器需要对IGBT的状态参数进行检测，如果发现异常，驱动器自动采取保护动作，并通知主控器。

欠压检测：目前各个IGBT厂商推荐IGBT器件工作时的栅极电压为±15V(栅极最大承受电压为±20V)，如果IGBT器件在工作中出现低于15V的情况，根据IGBT器件饱和压降VCE与栅极电压的关系(如图5示)，随着栅极电压的下降，IGBT饱和压降会增加，造成IGBT器件损耗增加，有可能会损坏器件，所以，必须对驱动器输出栅极的电压进行检测，如果出现欠压开通情况，驱动器要立即进行保护。同时需要注意，IGBT的短路电流与栅极电压成正比，所以当器件开通时栅极出现高于+15V电压，器件如果出现故障会出现比正常工况更大的短路电流，所以驱动器必须确保栅极开通电压处于合理的范围内。

Vce电压检测：Vce电压检测可以为数字控制器提供IGBT器件参数，控制器通过Vce电压可以判断IGBT的工作状态，从而采取对应的策略对IGBT进行不同的控制方式。

过压保护：在IGBT器件关断过程中，由于母线回路寄生电感的存在，关断电压会产生一个电压过冲尖峰，过冲幅值为△V=Ls*di/dt，如果尖峰电压超过IGBT器件的额定电压，IGBT器件会被击穿，造成器件损坏。

过压保护电路采用的是TVS管与限流电阻串联的方式，由集电极接入栅极(如图6示)，当关断过程中集电极出现超过设定值(设定值小于IGBT额定值)的电压尖峰时，TVS管反向导通，通过限流电阻向栅极注入电流，减慢IGBT关断速度(减小di/dt)，从而达到限制电压尖峰的目的。用户根据具体的应用工况，选择适合的TVS管的数量和单个TVS击穿电压参数。

di/dt检测:(如图示7)，IGBT模块内部等效图可以看到，由于IGBT模块内部链接的主电极回路与辅助电极回路之间存在寄生电感，在IGBT模块工作时，主电流IC从主电极流入，经过寄生电感L流出，依据电感感生电压V=-L*di/dt，从公式可以看出，感生电压V值与di/dt值成正比关系，通过检测L上产生的感生电压可以获得主电流Ic的di/dt值。在IGBT模块工作的过程中，如果感生电压高于或低于设定值都认为器件di/dt出现异常状态，需要进行保护，并向主控系统报告出现di/dt故障。

数字控制器功能

数字控制器主要完成根据输入信号控制功率放大电路，驱动IGBT器件。同时，根据检测电路的反馈信号判定IGBT器件的工作状态，如果出现异常状况，立即按照设定策略对IGBT器件进行保护。

4 驱动级测试

为初步确定驱动级基本功能的正确性和可行性，利用图8样品板进行测试，测试样品为3300V-1500A IGBT模块，采用通用型双脉冲测试方法，测试波形如图9。

从上图测试结果可以看出，驱动板可以在测试条件下安全的开通和关断IGBT模块。

5 改进方向

本论文提出的数字型IGBT驱动器在过压保护检测上采用的TVS管串联的方式，只可以对IGBT器件关断中di/dt产生的寄生过压有较好的效果，但是这种方法也存在弊端，如果用户对于过压保护的阈值设定不合理，及系统在运行中会出现较多的过压，或较长时间过压，此时IGBT器件会出现栅极被高压损坏，或本应关断的IGBT被动强行开通，出现上下管短路的状态，损坏上下管IGBT。所以可以加入Vce检测电路，实时检测集电极电压，制定保护策略。