一種IGBT智能驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

呂金都　王東偉　全永強(qiáng)　黃麒元　王浩清　杜彬

摘 要：簡(jiǎn)要介紹了一種IGBT智能驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。該智能驅(qū)動(dòng)器采用數(shù)字控制和數(shù)字信號(hào)識(shí)別提取抗干擾技術(shù)，將大規(guī)模 CPLD（可編程邏輯陣列芯片）作為控制核，集控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、通訊于一體，大大提升了驅(qū)動(dòng)器的集成度和智能處理能力；攻克了高壓大功率 IGBT并聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、軟關(guān)斷技術(shù)、故障識(shí)別、損耗控制、與上位機(jī)信息交互等關(guān)鍵技術(shù)。它可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、工業(yè)變頻等可靠性高的信息化領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：IGBT；智能驅(qū)動(dòng)；數(shù)字控制；CPLD

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.101

目前，國(guó)內(nèi)外IGBT 驅(qū)動(dòng)器技術(shù)在中小功率領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟，主要采用模擬控制方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，功能比較單一。這些非即插即用的通用產(chǎn)品在新能源，柔性輸電等高可靠、大功率變頻領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅存在技術(shù)障礙，而且對(duì)客戶而言，他們還有大量個(gè)性化需求和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化管理的信息交互等高級(jí)應(yīng)用能力需求。顯然，傳統(tǒng)的 IGBT 難以滿足個(gè)性化定制需求。為此，特設(shè)計(jì)了一種“IGBT智能驅(qū)動(dòng)裝置”，采用數(shù)字芯片對(duì) IGBT 實(shí)施智能化驅(qū)動(dòng)管理，以滿足當(dāng)前市場(chǎng)的迫切需求，具有正確的市場(chǎng)定位。目前，新能源、智能電網(wǎng)、節(jié)能減排等行業(yè)處于蓬勃發(fā)展期，所以，為該產(chǎn)品提供了良好的發(fā)展契機(jī)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。選用Altera MAXII為主芯片的開(kāi)發(fā)板，在設(shè)計(jì)硬件的同時(shí)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)定功能、性能、參數(shù)分配軟件、硬件資源，設(shè)定各獨(dú)立的功能模塊。在具體工作中，分別采用電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng) MATLAB 仿真，為每個(gè)模塊電路建立仿真模型，設(shè)置模型的參數(shù)，進(jìn)行模型仿真。在仿真結(jié)果與預(yù)想結(jié)果有出入時(shí)，可調(diào)整模型的相關(guān)參數(shù)；當(dāng)?shù)玫搅祟A(yù)想的仿真結(jié)果時(shí)，證明設(shè)計(jì)方案在理論上是可行的。然后再進(jìn)一步進(jìn)行電路原理設(shè)計(jì)和器件品牌、型號(hào)、規(guī)格、參數(shù)選型，完成原理設(shè)計(jì)后，進(jìn)行實(shí)物的 PCB 繪制和 PCB 樣品試制，并根據(jù)原理圖完成PCB樣品的焊接，焊接完成后的樣品則根據(jù)測(cè)試手冊(cè)和最初的功能、性能、參數(shù)進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證電路的原理和樣品的性能。

2 主電路設(shè)計(jì)

2.1 CPLD邏輯控制器原理

CPLD邏輯控制器包括濾波模塊、軟短路保護(hù)模塊、硬短路保護(hù)模塊和電源欠壓保護(hù)模塊。其中，濾波模塊的作用是對(duì)輸入的PWM信號(hào)進(jìn)行濾波，消除不合理的窄脈寬；軟短路保護(hù)模塊的作用是根據(jù)退飽和過(guò)流保護(hù)反饋電路的輸入信號(hào)，選擇合理的門極電阻進(jìn)行關(guān)斷；硬短路保護(hù)模塊的作用是根據(jù)di/dt檢測(cè)信號(hào)或者最高級(jí)退飽和電路反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)改變門極電阻，實(shí)現(xiàn)多重軟關(guān)斷；電源欠壓保護(hù)模塊的作用是電源掉電保護(hù)，鎖存輸出并報(bào)警。其系統(tǒng)接口電路如圖2所示。

2.2 驅(qū)動(dòng)器主電路設(shè)計(jì)

2.2.1 技術(shù)原理

為了實(shí)現(xiàn)IGBT智能驅(qū)動(dòng)裝置集控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、通訊于一體的功能，其中主要包括以下幾種技術(shù)。

2.2.1.1 數(shù)字控制技術(shù)

現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的控制技術(shù)主要為模擬控制方式，其結(jié)構(gòu)方式采用核心板加轉(zhuǎn)接板，而智能型大功率IGBT驅(qū)動(dòng)則采用數(shù)字控制技術(shù)和數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)，設(shè)計(jì)采用ALTERA MAXII系列芯片作為控制核，集控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、通訊于一體，大大提高了驅(qū)動(dòng)器的集成度，而且其簡(jiǎn)單、方便，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)器即插即用的功能。數(shù)字濾波技術(shù)通過(guò)計(jì)算減少或削弱噪聲的影響，其優(yōu)勢(shì)在于不需要硬件投入而且可靠性高、穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配的問(wèn)題。另外，還可以根據(jù)實(shí)際輸入信號(hào)的不同，采用不同的濾波方式或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)等特性。

2.2.1.2 軟關(guān)斷技術(shù)和 di/dt 技術(shù)

當(dāng)某些故障發(fā)生時(shí)，流過(guò)IGBT的電流很大，如果正常關(guān)斷，由于主回路寄生電感的存在，使得 di/dt 增大，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)IGBT的關(guān)斷電壓尖峰很大，超過(guò)IGBT的耐壓值，使得IGBT被損壞。因此，在關(guān)斷時(shí)，可以通過(guò)程序的控制，利用有源鉗位、di/dt 控制和 dv/dt 反饋管理IGBT的開(kāi)關(guān)特性，使IGBT緩慢關(guān)斷。軟件控制不僅可以降低驅(qū)動(dòng)器的硬件成本，同時(shí)，由于系統(tǒng)復(fù)雜度的降低，還能使系統(tǒng)更穩(wěn)定。

2.2.1.3 其他技術(shù)

可變門極電阻驅(qū)動(dòng)技術(shù)、半導(dǎo)體開(kāi)通和關(guān)斷損耗控制技術(shù)能夠有效控制IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、死區(qū)時(shí)間的設(shè)置和關(guān)斷過(guò)壓等參數(shù)，保證IGBT工作的可靠、穩(wěn)定開(kāi)通和關(guān)斷，降低IGBT的相關(guān)損耗。在驅(qū)動(dòng)方案中，調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)，比如門極電阻值、門極電容值、功率放大電路等方式優(yōu)化開(kāi)關(guān)損耗。針對(duì)不同型號(hào)的IGBT開(kāi)關(guān)特有的差異，采用數(shù)字控制方案能針對(duì)不同的IGBT調(diào)整控制方法。

2.2.2 主電路模塊設(shè)計(jì)

如圖3所示，大功率數(shù)字化智能驅(qū)動(dòng)裝置包括DC/DC變換電路、CPLD邏輯控制塊、有源嵌位反饋模塊、退保護(hù)過(guò)流反饋模塊和di/dt檢測(cè)模塊等。DC/DC變換電路用于控制輸入的電壓，其輸出端連接有欠壓保護(hù)模塊。欠壓保護(hù)模塊用于電源掉電保護(hù)，其輸出端與CPLD邏輯控制模塊相連，CPLD邏輯控制模塊的輸入端連接PWM脈寬調(diào)制器和濾波模塊，其作用是對(duì)輸入的PWM信號(hào)進(jìn)行濾波，消除不合理的窄脈寬。CPLD邏輯控制模塊的輸出端連接有可變門極電阻模塊，其作用是根據(jù)退飽和過(guò)流保護(hù)反饋電路的輸入信號(hào)和di/dt檢測(cè)信號(hào)，選擇合理的門極電阻進(jìn)行關(guān)斷?？勺冮T極電阻模塊的2個(gè)輸出端分別連接有電阻R1和電阻R2，電阻R1和電阻R2分別連接IGBT的柵極G和發(fā)射極E。CPLD的輸入端分別接有源嵌位反饋模塊、退保護(hù)過(guò)流反饋模塊、di/dt檢測(cè)模塊和過(guò)溫保護(hù)模塊，而有源嵌位反饋模塊的作用是抑制浪涌電壓，解決由于IGBT關(guān)斷時(shí)發(fā)生短路而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器短路保護(hù)失效的問(wèn)題。其輸入端通過(guò)2個(gè)串聯(lián)連接的二極管Dl和二極管D2分別連接到IGBT的集電極C和IGBT的柵極G。退保護(hù)過(guò)流反饋模塊用于過(guò)電流保護(hù)，其輸入端通過(guò)2個(gè)串聯(lián)連接的二極管D3和二極管D4連接到IGBT的集電極C上。對(duì)于di/dt檢測(cè)模塊，di/dt 反饋用于管理IGBT的開(kāi)關(guān)特性，使得IGBT緩慢關(guān)斷，其輸出端連接到發(fā)射極E。過(guò)溫保護(hù)模塊則用于解決由于長(zhǎng)時(shí)間結(jié)溫過(guò)高而引起的模塊損壞問(wèn)題，其輸入端與熱敏電阻NTC連接。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于IGBT的大腦，智能型驅(qū)動(dòng)器是IGBT與用戶的友好接口，在保證其可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，能夠滿足新能源、智能電網(wǎng)應(yīng)用的個(gè)性化需求，值得推廣使用。

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〔編輯：白潔〕