關(guān)于地鐵列車(chē)用IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器的研究

商俊雄

摘 要：PWM整流器的研究始于20世紀(jì)80年代，這一時(shí)期由于自關(guān)斷器件的日趨成熟及應(yīng)用，推動(dòng)了PWM控制技術(shù)的應(yīng)用與研究。[1]隨著PWM整流器技術(shù)的日趨成熟，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）得到了廣泛的應(yīng)用。如電力行業(yè)、地鐵行業(yè)、高速鐵路、礦產(chǎn)行業(yè)等。IGBT是一種新型的電力半導(dǎo)體器件，現(xiàn)已成為電力電子領(lǐng)域的新一代主流產(chǎn)品。[2]IGBT具有正常工作時(shí)，導(dǎo)通電阻低，器件的電流容量大，耐高壓，驅(qū)動(dòng)速度快，驅(qū)動(dòng)功率低，輸入阻抗高，輸入電容小等特點(diǎn)。大功率IGBT在地鐵列車(chē)上也有廣泛的應(yīng)用，主要用于地鐵列車(chē)的輔助逆變器和牽引逆變器，實(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)輛三相交流380 V供電和地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)的供電。輔助逆變器和牽引逆變器的控制器輸出的PWM控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器功率放大后，輸出給IGBT的柵極，以控制IGBT的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：地鐵列車(chē);IGBT;緣柵雙極型晶體管;柵極驅(qū)動(dòng)器

中圖分類(lèi)號(hào)：TN322.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器通常分為數(shù)字電路柵極驅(qū)動(dòng)器和模擬電路柵極驅(qū)動(dòng)器兩種。本文介紹一種模擬電路柵極驅(qū)動(dòng)器。數(shù)字電路柵極驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)集成芯片+外圍電路的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)，并且可以通過(guò)軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出的曲線(xiàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如延時(shí)時(shí)間、上升斜率、下降斜率等。模擬電路柵極驅(qū)動(dòng)器通過(guò)分立元件、比較器、運(yùn)算放大器等元器件搭建驅(qū)動(dòng)電路，集成度要低于數(shù)字電路柵極驅(qū)動(dòng)器，但模擬電路柵極驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)在于成本低，靈活性高，抗干擾和抗沖擊能力強(qiáng)，適用于復(fù)雜電磁環(huán)境下的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)控制，能夠根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。而數(shù)字電路則受限于驅(qū)動(dòng)芯片的性能，則無(wú)法進(jìn)行靈活的調(diào)整，主要應(yīng)用于工頻條件下工作的設(shè)備。

1 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器原理圖

如下圖所示本IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器為模擬電路柵極驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)三極管和阻容元件構(gòu)建成IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路。左側(cè)為輸入的PWM控制信號(hào)，右側(cè)與受控IGBT的柵極引腳G、E相連接。將PWM控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行速率調(diào)節(jié)。使PWM控制信號(hào)滿(mǎn)足逆變器對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)速率的要求，進(jìn)而保障了逆變器的整體工作性能，及穩(wěn)定性和可靠性。

2 工作原理介紹

本IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器主要包括PWM信號(hào)接收電路，達(dá)林頓電路、一級(jí)放大電路，二級(jí)放大電路，輸出電路。

本IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器采用±15 V、+5 V和GND（0 V）電源供電。PWM輸入信號(hào)為5 V/0 V電平。輸出為±15 V IGBT柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.1 PWM信號(hào)接收電路

PWM信號(hào)接收電路接收5 V/0 V輸入的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)三極管Q4反相，以驅(qū)動(dòng)三極管Q9動(dòng)作。Q9的輸出控制達(dá)林頓電路和一級(jí)放大電路動(dòng)作。

通過(guò)PWM信號(hào)接收電路能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓小功率信號(hào)的接收和采集，經(jīng)過(guò)接收電路的初步處理后，轉(zhuǎn)換為達(dá)林頓電路和一級(jí)放大電路所需的控制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)PWM控制信號(hào)的接收和調(diào)理，信號(hào)的電平等級(jí)由5 V/0 V，調(diào)整為±15 V。調(diào)整電路的參數(shù)，能夠適配不同上位機(jī)輸出PWM控制信號(hào)，因此該部分電路具有廣泛的靈活性和適應(yīng)性。

2.2 達(dá)林頓電路

達(dá)林頓電路接收PWM信號(hào)接收電路的控制信號(hào)，設(shè)計(jì)達(dá)林頓電路的目的在于提高驅(qū)動(dòng)器的反應(yīng)速度，降低驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)傳輸延時(shí)。

達(dá)林頓電路由三極管Q1和三極管Q3組成。當(dāng)三極管Q9關(guān)閉時(shí)，達(dá)林頓電路Q(chēng)1和Q3導(dǎo)通，加速一級(jí)放大電路的場(chǎng)效應(yīng)管Q2關(guān)閉，同時(shí)使場(chǎng)效應(yīng)管Q8導(dǎo)通。通過(guò)達(dá)林頓電路能夠?qū)⑤斎氲腜WM控制信號(hào)和輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的延時(shí)降低到50ns以?xún)?nèi)。因此，本IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器能夠適應(yīng)高頻率載波的要求，適用于高頻IGBT控制。

2.3 一級(jí)放大電路

一級(jí)放大電路主要由場(chǎng)效應(yīng)管Q2和場(chǎng)效應(yīng)管Q8組成。通過(guò)一級(jí)放大電路，對(duì)PWM控制信號(hào)進(jìn)行功率放大。場(chǎng)效應(yīng)管Q2和場(chǎng)效應(yīng)管Q8構(gòu)成推挽電路結(jié)構(gòu)，輸出信號(hào)為±15 V。

通過(guò)一級(jí)放大電路，對(duì)PWM控制信號(hào)進(jìn)行初步功率放大。使PWM控制信號(hào)的功率達(dá)到驅(qū)動(dòng)二級(jí)放大電路的要求。此外一級(jí)放大電路，還能夠?qū)GBT柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出波形進(jìn)行初步的速率調(diào)節(jié)，并且能夠分別調(diào)節(jié)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器輸出波形的上升速率和下降速率，因此具有較高的靈活性。

2.4 二級(jí)放大電路

二級(jí)放大電路主要由功率三極管Q5、Q6、Q7和功率三極管Q10、Q11、Q12組成。通過(guò)二級(jí)放大電路，對(duì)PWM控制信號(hào)進(jìn)行二次功率放大。功率三極管Q5、Q6、Q7和功率三極管Q10、Q11、Q12構(gòu)成推挽電路結(jié)構(gòu)，輸出信號(hào)為±15 V。當(dāng)一級(jí)放大電路輸出為+15 V時(shí)，功率三極管Q5、Q6、Q7導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)器輸出+15 V驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)一級(jí)放大電路輸出為-15 V時(shí)，功率三極管Q5、Q6、Q7導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)器輸出-15 V驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

通過(guò)三個(gè)功率三極管的并聯(lián)，進(jìn)一步增強(qiáng)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力，以滿(mǎn)足不同型號(hào)IGBT驅(qū)動(dòng)的要求，進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)器的適用性。

2.5 輸出電路

輸出電路主要有限流電阻和二極管組成。開(kāi)通限流電阻為R4、R5、R16、R20、R21、R24，關(guān)斷限流電阻為R4、R5、R16、R20、R21、R24、R7、R9、R13。通過(guò)二極管D1和D6調(diào)整限流電阻的個(gè)數(shù)，進(jìn)而調(diào)整IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出波形的上升速率和下降速率。通過(guò)多電阻并聯(lián)的形式，可以滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)不同型號(hào)IGBT柵極的功率需求。

當(dāng)二級(jí)放大電路輸出+15 V 時(shí)，開(kāi)通限流電阻R4、R5、R16、R20、R21、R24工作，電流流經(jīng)開(kāi)通限流電阻后，到達(dá)IGBT柵極G E端子，此時(shí)IGBT柵極G E端子的電壓為+15 V，驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)通。當(dāng)二級(jí)放大電路輸出-15 V時(shí)，開(kāi)通限流電阻R4、R5、R16、R20、R21、R24、R7、R9、R13工作，電流流經(jīng)關(guān)斷限流電阻后，到達(dá)IGBT柵極G E端子，此時(shí)IGBT柵極G E端子的電壓為-15 V，驅(qū)動(dòng)IGBT關(guān)斷。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的廣泛應(yīng)用，對(duì)于IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器的性能也提出了更高的要求。

本文論述IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器能夠通過(guò)對(duì)器件參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出波形的調(diào)節(jié)。既可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)的延時(shí)，也可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出波形的上升速率和下降速率。本IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器能夠適應(yīng)不同的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平等級(jí)，以及不同型號(hào)的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)要求，具有巨大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張興.PWM整流器及其控制[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]張國(guó)俊.IGBT發(fā)展情況及特點(diǎn)分析[J].微處理機(jī)，2003（06）.