基于跳變沿識別的IGBT驅(qū)動電路窄脈沖抑制方法

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 楊春宇 馬 瑞 陳 宏

基于跳變沿識別的IGBT驅(qū)動電路窄脈沖抑制方法

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 楊春宇 馬 瑞 陳 宏

復(fù)合全控型器件IGBT在現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，在工程實踐中，由于電源的不穩(wěn)定以及控制信號受到干擾引起的窄脈沖會造成IGBT的損壞，常用的低通濾波的方式并不能完全消除窄脈沖。本文提出了一種基于跳變沿識別的窄脈沖抑制方法，可以有效的避免窄脈沖損壞IGBT。

IGBT；窄脈沖；跳變沿

0 引言

IGBT的驅(qū)動電路需要確保低壓電路與高壓電路的隔離、具有保護(hù)IGBT模塊免受損壞的功能，同時還會影響IGBT的續(xù)流二極管的動態(tài)特性。若驅(qū)動板接收到窄脈沖的開關(guān)信號時，使器件未完全開通又發(fā)生關(guān)斷動作，或是未完全關(guān)斷又發(fā)生開通動作，對器件影響較大，本文將結(jié)合實踐，提出一種基于跳變沿識別的窄脈沖抑制方法。

1 窄脈沖產(chǎn)生的原因

IGBT接收的窄脈沖分為兩種情況，一種是系統(tǒng)控制單元發(fā)生的PWM波與半橋模式中上下橋臂的死區(qū)時間配合不當(dāng)，使得IGBT或續(xù)流二級管在換流的過程中出現(xiàn)窄脈沖[1]，而在系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試過程中，對死區(qū)的設(shè)置以及PWM信號的監(jiān)控和調(diào)試可以避免出現(xiàn)上述問題，并且在控制單元的軟硬件設(shè)計中，通常都有最小脈寬的限制，因此，設(shè)計源頭出現(xiàn)IGBT接收窄脈沖的情況并不多。

在工程實踐中，由于電路器件的不穩(wěn)定、電源的波動、以電或是光的形式傳輸?shù)拈_關(guān)信號受到干擾等原因引起的窄脈沖現(xiàn)象時有發(fā)生，并且很難完全的消除。例如，在高壓應(yīng)用的設(shè)備中，需要盡可能保護(hù)硬件，而IGBT開關(guān)信號傳輸線中的磁耦合可能引起電壓瞬變，如果這個電壓達(dá)到了驅(qū)動器輸入電路的閾值電壓，則IGBT會異常開通或關(guān)斷。

2 窄脈沖對IGBT的影響

若IGBT接收到了窄的開通或關(guān)斷信號，導(dǎo)致其沒有足夠長時間的開通或關(guān)斷，則這些窄的脈沖會造成耦合電容電荷的變化，增加IGBT的損耗及對周圍環(huán)境的影響，一般不會對負(fù)載電流幅值有影響。當(dāng)IGBT或續(xù)流二級管芯片剛開始開通時，載流子會以一定的速度在半導(dǎo)體內(nèi)傳輸。當(dāng)在載流子擴(kuò)散時關(guān)斷IGBT或二級管芯片，和在載流子完全充滿后關(guān)斷相比，由此產(chǎn)生的電流變化率DIC/DT或者DIF/DT可能會增加，由于IGBT的DI/DT升高，加上換流通路中的雜散電感的作用，會產(chǎn)生更高的關(guān)斷電壓過沖和增加二極管的反向恢復(fù)電流，并可能產(chǎn)生一個不可接受的電壓變化率DU/DT，當(dāng)開通時間較短時，常常伴有振蕩，進(jìn)而使IGBT或二極管受到損傷[2]。

3 窄脈沖抑制方法

3.1 常用的窄脈沖抑制方法

在對微控制器編程時就應(yīng)考慮生成IGBT門極驅(qū)動的控制信號的最短開通時間，驅(qū)動信號的板卡也要有最窄脈沖的限制，這就從信號輸出的層面最大程度避免了窄脈沖的產(chǎn)生，但由于硬件的不穩(wěn)定、控制線中的磁耦合或是光纖信號受到干擾等原因產(chǎn)生的窄脈沖同樣能傳輸?shù)介T極驅(qū)動電路，并觸發(fā)IGBT或二極管不正常的開通或關(guān)斷，門極驅(qū)動器最簡單的窄脈沖抑制方法是在輸入端增加具有低通濾波功能的施密特觸發(fā)器（圖1），將最小脈沖的時間設(shè)置在100-800ns之間，高壓（3.3∽6.5KV）的器件，可以將最小脈沖時間適當(dāng)?shù)难娱L，但同時瞬變時間誤差會增加[2]，由于該電路能過濾掉的窄脈沖寬度由RC以及施密特觸發(fā)器的滯回時間決定，因此脈寬稍長于該時間的脈沖依然會以窄脈沖的形式傳遞到后級電路。

圖1 低通濾波施密特觸發(fā)器

3.2 基于跳變沿識別的窄脈沖抑制方法

為了從根本上識別并保護(hù)IGBT，本文提出了一種基于跳變沿識別的窄脈沖抑制方法（圖2）。IGBT開關(guān)信號經(jīng)低通濾波傳輸?shù)津?qū)動電路板后，在將該信號正常傳達(dá)到IGBT的同時，由跳變沿識別電路對該信號是否存在跳變沿進(jìn)行識別，如果輸入信號存在一個由低到高或由高到低的跳變，跳變沿識別電路將觸發(fā)計時器進(jìn)行計時，當(dāng)在預(yù)先設(shè)定的窄脈沖判定時間t內(nèi)，如再次檢測到一個跳變沿，則判定驅(qū)動板接收到了窄脈沖，將驅(qū)動板故障狀態(tài)位置位，鎖定IGBT的驅(qū)動輸入通道，并向控制單元反饋故障狀態(tài)信號, 同時判斷如當(dāng)前的IGBT為開通狀態(tài)，則延時T時間后向IGBT發(fā)送關(guān)斷信號，如當(dāng)前IGBT為關(guān)斷狀斷，則保持IGBT的關(guān)斷。該功能與驅(qū)動板的其它保護(hù)功能互不影響。

圖2 基于跳變沿識別的窄脈沖抑制邏輯圖

4 結(jié)論

識別窄脈沖，然后對IGBT進(jìn)行關(guān)斷，并通知控制單元，可有效的防止各種原因?qū)е碌恼}沖損傷IGBT。該方法已在大功率機(jī)車牽引功率模塊IGBT驅(qū)動電路中成功應(yīng)用，實踐證明，在線路干擾引入窄脈沖的情況下，可有效的保護(hù)IGBT。

[1]陶燦輝,吳文婷,徐萌萌,丁力．IGBT模塊窄脈沖解決方案[J]．電力電子技術(shù),2015,49(2):47-48．

[2](德)安德烈亞斯．福爾克,麥克爾．郝康普著．IGBT模塊:技術(shù)、驅(qū)動和應(yīng)用(第2版)[M]．韓金剛譯．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016:213,225-227．