一種基于FPGA的IGBT狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控電路

梁文遠(yuǎn)

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

普及新能源汽車是當(dāng)前汽車發(fā)展的主題，近年來(lái)，隨著國(guó)家政策的不斷傾斜[1]，電動(dòng)汽車得以飛速發(fā)展，IGBT 作為電機(jī)控制器的核心器件，如何有效保護(hù)IGBT是電機(jī)控制器中驅(qū)動(dòng)電路永恒的課題。

國(guó)內(nèi)外對(duì)IGBT 保護(hù)也做了大量研究，英飛凌、恩智浦、羅姆、安華高等廠家都有各自的IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片，以上各家驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)IGBT 過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓等各種故障都有相應(yīng)的保護(hù)策略[2-5]，張海亮等[6]則用分立器件實(shí)現(xiàn)IGBT 過(guò)電流保護(hù)。但這些都是故障后的保護(hù)策略，對(duì)于故障瞬間IGBT 的狀態(tài)并不知曉，不利于故障原因分析。NXP 推出的新一代帶SPI 總線且兼容ISO26262 的IGBT 驅(qū)動(dòng)器，雖然可以回讀IGBT 的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但缺乏實(shí)時(shí)性，依然不能監(jiān)控IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷狀態(tài)。

本文所述的IGBT 監(jiān)控電路直接采樣輸出相電壓，與母線電壓的一半作比較，從而向FPGA 返回此時(shí)IGBT 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，F(xiàn)PGA 結(jié)合輸出的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)（25 ns）即可判斷出IGBT 是否異常。如果發(fā)現(xiàn)IGBT 失效，F(xiàn)PGA在100 ns內(nèi)響應(yīng)并進(jìn)入安全狀態(tài)（主動(dòng)短路）。

1 IGBT主流驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)IGBT 時(shí)，本質(zhì)上是給IGBT 的柵極電容充放電，給IGBT柵極提供適當(dāng)?shù)恼螂妷汉头聪螂妷?，使IGBT可靠地開(kāi)通和關(guān)斷[7]，還需要足夠大的瞬時(shí)功率和瞬時(shí)電流，通常的做法是在PWM的輸出級(jí)增加一個(gè)放大推挽電路。為了減小IGBT的開(kāi)關(guān)損耗，還需要盡量小的延時(shí)時(shí)間，但延時(shí)太小會(huì)帶來(lái)惡劣的電磁干擾和柵極電壓振蕩，因此EMC和開(kāi)關(guān)損耗要找一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。此外，靈敏的保護(hù)策略也是必不可少的，圖1 所示為IGBT驅(qū)動(dòng)電路框圖，按隔離方式不同大致可分為3種形式[8]。

圖1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路框圖

1.1 直接驅(qū)動(dòng)形式

直接驅(qū)動(dòng)時(shí)輸入級(jí)與輸出級(jí)有公共的接地信號(hào)，輸入信號(hào)與輸入信號(hào)沒(méi)隔離，適合低電壓小功率應(yīng)用場(chǎng)景，圖2所示為ST 公司的TD351 框圖[9]，直接驅(qū)動(dòng)形式電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但輸入端信號(hào)很容易受到輸出端噪聲的干擾，對(duì)EMC性能要求較高。

圖2 ST公司直接驅(qū)動(dòng)器

1.2 光隔離驅(qū)動(dòng)形式

輸入信號(hào)與輸出信號(hào)通過(guò)光耦隔離，圖3所示為Avago公司的ACPL32JT功能框圖，驅(qū)動(dòng)電路分為低壓側(cè)和高壓側(cè)，低壓側(cè)為PWM 輸入和故障信號(hào)輸出指示，高壓側(cè)為PWM 輸出和過(guò)流、欠壓檢測(cè)和米勒鉗位輸出，支持高壓IGBT。

光耦隔離的驅(qū)動(dòng)器使信號(hào)的輸入端與輸出端實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)沒(méi)有影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定。但光功率較小，對(duì)溫度比較敏感，在高低溫沖擊下LED會(huì)老化，傳輸特性出現(xiàn)偏移。

圖3 Avago公司光耦隔離驅(qū)動(dòng)器

1.3 磁隔離驅(qū)動(dòng)形式

輸入信號(hào)與輸出信號(hào)通過(guò)變壓器隔離，圖4 所示為英飛凌公司1ED020I12FA 框圖，低壓側(cè)信號(hào)與高壓側(cè)信號(hào)功能上與ACPL32JT類似。

磁隔離驅(qū)動(dòng)器速度高，功耗小，耐高低溫沖擊，不存在光耦隔離驅(qū)動(dòng)器的壽命偏差問(wèn)題。但體積大，對(duì)電磁場(chǎng)敏感，EMC問(wèn)題尤為特出。

圖4 英飛凌公司磁隔離驅(qū)動(dòng)器

2 IGBT狀態(tài)監(jiān)控電路分析

無(wú)論哪種驅(qū)動(dòng)方式，目前的驅(qū)動(dòng)芯片都沒(méi)有集成IGBT狀態(tài)狀態(tài)監(jiān)控功能，如前文所述，NXP 的MC33GD3100（磁隔離）雖然可以回讀輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)并與輸入PWM信號(hào)比較并將結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器中，但不能給MCU實(shí)時(shí)返回結(jié)果，且只能保證輸入PWM 信號(hào)與輸出PWM 信號(hào)同步，并不能監(jiān)控IGBT接收到驅(qū)動(dòng)器輸出的PWM 后的結(jié)果。因此，在IGBT 后增加了圖5所示監(jiān)控電路。

圖5 IGBT狀態(tài)監(jiān)控電路框圖

2.1 硬件電路分析

IGBT 短路檢測(cè)是評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)器性能的重要因素，姚文海、付華光[10-11]羅列了Uce檢測(cè)，di/dt檢測(cè)等，這些都是驅(qū)動(dòng)芯片自帶的功能，并不能檢測(cè)IGBT的通斷狀態(tài)。

圖5中虛線方框是增加的信號(hào)采樣電路，令分壓電路1對(duì)高壓電池HV 的分壓比是2N，分壓電路2 對(duì)HV 的分壓比是N，即當(dāng)T1 導(dǎo)通T2 截止時(shí)，比較器正負(fù)兩端的電壓分別是（忽略IGBT的電壓降）：

只要N選擇合適的數(shù)值，即可使U+和U-處于電壓比較器的線性工作范圍內(nèi)，顯然U+＞U-，電壓比較器輸出高電平。

同理當(dāng)T1截止T2導(dǎo)通時(shí)，比較器正負(fù)兩端的電壓分別是（忽略IGBT的電壓降）：

此時(shí)U+＜U-，電壓比較器輸出低電平。

U+和U-的電壓用兩個(gè)相同的ADC采樣后同時(shí)送FPGA計(jì)算，因此FPGA既可內(nèi)部比較U+和U-的大小，同時(shí)也可以讀取電壓比較器的結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)，確保比較結(jié)果的一致性和可靠性。

2.2 FPGA采樣分析

IGBT 在開(kāi)通或者關(guān)斷瞬間，有一個(gè)死區(qū)時(shí)間（Dead Time），為了穩(wěn)定采樣，應(yīng)避免采到IGBT 的死區(qū)時(shí)間而出現(xiàn)誤判，在此定義了一個(gè)消隱時(shí)間（Bank Time）:

式中：n ≥1，為了避免誤判，理論上n應(yīng)該盡量大，但單純?cè)龃髇會(huì)縮短采樣時(shí)間，造成濾波效果降低，可根據(jù)采樣頻率和PWM 開(kāi)關(guān)頻率靈活定義n 的值。在消隱時(shí)間期間，F(xiàn)PGA不采樣，采樣點(diǎn)和結(jié)果判斷如圖6所示。

圖6 FPGA采樣點(diǎn)和判決

PWM 輸出和IGBT 狀態(tài)采樣均采用同步全局時(shí)鐘信號(hào)，確保采樣觸發(fā)沒(méi)有延時(shí)（各信號(hào)延時(shí)一致）。當(dāng)發(fā)現(xiàn)HS IGBT開(kāi)路或者LS IGBT 短路時(shí)，F(xiàn)PGA 觸發(fā)LS ASC（Active Short Circuit，主動(dòng)短路）進(jìn)入安全狀態(tài)，如果是HS IGBT短路或者LS IGBT開(kāi)路，F(xiàn)PGA則觸發(fā)HS ASC，真值表如表1所示。

表1 采樣結(jié)果真值表

2.3 仿真測(cè)試

圖7 所示為quartus 17.0 上的仿真結(jié)果， CLK_IN 和CLK2_IN 分別是采樣時(shí)鐘，HS_PWM 和LS_PWM 分別是插入了死區(qū)時(shí)間的上下橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IGBT_STATE 是采樣到的IGBT 狀態(tài)信號(hào)，其中n=1，即消隱時(shí)間等于死區(qū)時(shí)間，粗線的地方表示此時(shí)是高阻狀態(tài)，沒(méi)有判斷意義。從圖中可以看出，信號(hào)IGBT_STATE 可以實(shí)時(shí)地正確地指示IGBT 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖7 IGBT狀態(tài)采樣監(jiān)控仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了IGBT 常用的驅(qū)動(dòng)方法，分析主流驅(qū)動(dòng)電路的局限性，提出了一種基于FPGA 的IGBT 開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)控電路。由于FPGA 具有高速運(yùn)算、并行數(shù)據(jù)處理的能力，在一個(gè)載波周期內(nèi)可完成發(fā)生PWM 信號(hào)、回采IGBT 信號(hào)、計(jì)算比較、執(zhí)行比較結(jié)果，整個(gè)環(huán)路耗時(shí)短，不會(huì)影響FOC運(yùn)算。

該電路元器件簡(jiǎn)單，成本低廉，效果明顯。分壓電路用電阻就可以實(shí)現(xiàn)，ADC 是FPGA 自帶，電壓比較器也是常用的低成本器件，仿真結(jié)果顯示，可以精確監(jiān)控IGBT 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

基于功能安全的需求，IGBT驅(qū)動(dòng)回路需要做到ASIL C的安全等級(jí)，但PWM 發(fā)生信號(hào)一般只是QM 級(jí)別，因此需要進(jìn)行信號(hào)回采、冗余比較的方式，以QM+C的方法實(shí)現(xiàn)ASIL C級(jí)別，另外采樣到的電壓信號(hào)還可以用于速度環(huán)運(yùn)算，與旋轉(zhuǎn)變壓器采樣信號(hào)合成冗余比較，整個(gè)扭矩監(jiān)控才能做到ASIL C等級(jí)。