具有故障存儲(chǔ)功能的數(shù)字化IGBT驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

楊春宇 鄭松

關(guān)鍵詞：存儲(chǔ);數(shù)字化;IGBT;驅(qū)動(dòng)器

大功率絕緣柵雙極型晶體管（insulatedgatebipolartransistor，IGBT）在軌道交通牽引變流器、輔助變流器、充電機(jī)等核心設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。IGBT驅(qū)動(dòng)器是控制裝置與IGBT模塊之間的橋梁，決定著IGBT能否正常、安全、可靠的工作，是執(zhí)行控制算法的關(guān)鍵部件。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT更加精準(zhǔn)、智能的控制以提高系統(tǒng)的效率以及可靠性，帶有可編程邏輯器件的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器已得到了越來越多的應(yīng)用。

IGBT部件的可靠性嚴(yán)重影響著車輛的運(yùn)行秩序。變流器中IGBT故障后車輛只能通過切除部分動(dòng)力或部分負(fù)載來維持運(yùn)用，嚴(yán)重影響車輛運(yùn)行與乘客乘坐。目前的IGBT驅(qū)動(dòng)器雖然具有故障檢測(cè)保護(hù)與故障反饋功能，但通過故障反饋卻無法甄別故障類型，亦不能指示IGBT故障前后驅(qū)動(dòng)器各部分信號(hào)或邏輯，造成故障的根本原因很難分析。因此，有必要設(shè)計(jì)帶有故障存儲(chǔ)功能的IGBT驅(qū)動(dòng)器，為故障的定位與分析提供有利的數(shù)據(jù)支撐。

1數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器總體方案設(shè)計(jì)

數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器以可編程邏輯器件為核心，包括電源系統(tǒng)、信號(hào)處理與故障保護(hù)系統(tǒng)、門極開關(guān)電路以及故障存儲(chǔ)等組成。其整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

外部直流電壓經(jīng)高頻變壓器隔離轉(zhuǎn)換成供可編程邏輯器件、光纖信號(hào)系統(tǒng)、門極驅(qū)動(dòng)電路等使用的電壓?？删幊踢壿嬈骷榭刂浦袠校紫葘?duì)由光纖輸入的脈沖寬度調(diào)制（pulsewidthmodulation，PWM）驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行短脈沖抑制、超頻保護(hù)等處理，之后通過門極開關(guān)矩陣對(duì)IGBT的開通與關(guān)斷過程實(shí)施多級(jí)分段控制[1][3]。Vce電路對(duì)IGBT開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)可編程邏輯器件控制門極開關(guān)矩陣對(duì)IGBT實(shí)施關(guān)斷保護(hù)，并將故障信息反饋至上位機(jī)?？删幊踢壿嬈骷谡９ぷ鲿r(shí)會(huì)對(duì)欠壓檢測(cè)、短路檢測(cè)等故障檢測(cè)電路輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行信息緩存。當(dāng)發(fā)生某種故障時(shí)，可編程邏輯器件通過SPI總線與外接的存儲(chǔ)芯片通信，將故障前后的異常信號(hào)與波形信息寫入存儲(chǔ)芯片以供故障分析使用。

2數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器電源設(shè)計(jì)

由于采用了可編程邏輯器件，因此數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器相較于模擬化的驅(qū)動(dòng)器，其電源系統(tǒng)更加復(fù)雜，整個(gè)電源系統(tǒng)包含門極驅(qū)動(dòng)電源±15V、可編程邏輯器件電源+3.3V與+1.2V、光纖電源+5V。其設(shè)計(jì)方案如下圖2：

3數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器信號(hào)處理與故障保護(hù)

驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制著IGBT的開關(guān)，“純凈”或準(zhǔn)確的信號(hào)決定IGBT能否安全工作，因此對(duì)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行了短脈沖抑制與超頻保護(hù)。

3.1驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理

3.1.1短脈沖抑制

IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)通常由數(shù)字信號(hào)處理（digitalsignalprocessing，DSP）或其他微控制器產(chǎn)生，通過電信號(hào)或者光信號(hào)傳輸至驅(qū)動(dòng)器。因軟件算法錯(cuò)誤或者信號(hào)傳輸干擾可能會(huì)造成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的暫態(tài)變化，這些較短的脈沖信號(hào)會(huì)導(dǎo)致IGBT異?？焖俚亻_關(guān)，容易引起短路或其他故障，同時(shí)也會(huì)對(duì)反并聯(lián)二極管造成損害，因此必須濾除。

如圖3所示，為了抑制短脈沖，IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM_IN經(jīng)轉(zhuǎn)換后入可編程邏輯器件，當(dāng)出現(xiàn)電平高低狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，由軟件對(duì)轉(zhuǎn)換的電平狀態(tài)進(jìn)行計(jì)時(shí)判斷。當(dāng)電平維持時(shí)間短于軟件設(shè)定的閾值時(shí)間tSPS，則輸出脈沖PWM_IN_FLT保持轉(zhuǎn)換前的狀態(tài)不變;當(dāng)電平維持時(shí)間長(zhǎng)于設(shè)定的閾值時(shí)間，則脈沖信號(hào)輸出狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。短脈沖抑制功能可濾除較窄的開通或關(guān)斷信號(hào)。

3.1.2超頻保護(hù)

超過設(shè)定工作頻率的開關(guān)信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致IGBT熱損壞，超頻保護(hù)能避免軟件錯(cuò)誤造成的嚴(yán)重后果，如圖4所示，數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器超頻保護(hù)閾值頻率設(shè)置為1.3Fsw，當(dāng)輸入的PWM開關(guān)信號(hào)頻率超過設(shè)置的閾值并超過三個(gè)周期后，如圖5所示保護(hù)時(shí)序，驅(qū)動(dòng)器會(huì)封鎖門極開關(guān)脈沖，同時(shí)將故障反饋給上位機(jī)。

3.2故障保護(hù)

3.2.1欠壓保護(hù)

IGBT驅(qū)動(dòng)器板載隔離電源采用開環(huán)控制形式，后級(jí)電壓穩(wěn)定性較差，抗過載能力弱。當(dāng)門極驅(qū)動(dòng)正電壓+VS較低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致IGBT的開通不充分，產(chǎn)生較大損耗。當(dāng)門極驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓-VS較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器維持關(guān)斷、抗dv/dt的能力變差。因此需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的欠壓情況進(jìn)行監(jiān)控。圖6為使用TI公司電壓檢測(cè)芯片的欠壓檢測(cè)電路，由于門極電壓Vs遠(yuǎn)高于檢測(cè)芯片V+端口電壓，因此使用電阻分壓的方式降低電壓后進(jìn)入芯片，此時(shí)V+=V×S

圖7為欠壓保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的過程與時(shí)序，當(dāng)進(jìn)入電壓檢測(cè)芯片V+管腳的電壓低于2.63V閾值電壓Vth時(shí)，芯片/REST管腳置低，可編程邏輯芯片檢測(cè)到輸入欠壓信號(hào)變低后立即封鎖門極脈沖，同時(shí)將故障反饋給上位機(jī);當(dāng)V+高于閾值電壓Vth，且維持時(shí)間超過200ms時(shí)，/REST管腳置高。

3.2.2短路保護(hù)

IGBT短路是變流器模塊最嚴(yán)重故障，因此短路保護(hù)也是驅(qū)動(dòng)器最重要的保護(hù)功能[4]。圖8為二極管式退飽和檢測(cè)電路，依靠檢測(cè)IGBT短路時(shí)的退飽和現(xiàn)象，配合軟件時(shí)序邏輯，可實(shí)現(xiàn)對(duì)SC1（開通前處于短路狀態(tài)）、SC2（導(dǎo)通過程中短路）兩種類型短路的可靠保護(hù)。

二極管式退飽和檢測(cè)電路工作原理：

（1）當(dāng)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，二極管D1～Dn在高壓母線作用下反向阻斷，比較器IC1A同相端電壓為Vs，大于反相端閾值電壓UVref=s×RR12R+2，比較器輸出為高。但此時(shí)軟件邏輯不檢測(cè)短路故障，因此不報(bào)短路故障;

（2）當(dāng)正常工作時(shí)，可編程程邏輯器件接收到開通信號(hào)后，軟件開始進(jìn)行短路檢測(cè)倒計(jì)時(shí)，以規(guī)避正常開通耗時(shí)。IGBT開通過程中集電極與發(fā)射極電壓Vce會(huì)從母線電壓逐漸下降至Ucesat飽和壓降3V左右，此時(shí)比較器同相端電壓為Ucesat+nVF（R3<

（3）當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí)，集電極電流快速上升，Vce電壓會(huì)快速退飽和返回至母線電壓，此時(shí)Vce電壓會(huì)使二極管D1～Dn反向截至，比較器輸出為高，待短路檢測(cè)倒計(jì)時(shí)結(jié)束會(huì)立即報(bào)出短路故障。此后，可編程邏輯器件會(huì)封鎖脈沖，為IGBT施加軟關(guān)斷，并將故障情況反饋至上位機(jī)。

4數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器門極開關(guān)控制

大部分IGBT驅(qū)動(dòng)器使用單電阻或兩電阻對(duì)IGBT的開通與關(guān)斷進(jìn)行控制，最終的取值是在開關(guān)延遲、開關(guān)損耗、電磁干擾、關(guān)斷過電壓等因素綜合限制下折中取得。事實(shí)上，IGBT模塊在開通或關(guān)斷中呈現(xiàn)階段性特性，每個(gè)階段對(duì)門極電阻值都有特定要求。

使用可編程邏輯器件選擇在開通或關(guān)斷的不同階段投入最優(yōu)阻值的門極電阻，可大大優(yōu)化IGBT模塊的開關(guān)性能。如圖9所示，門極開關(guān)矩陣由MOSFET組成，T1-Tn是負(fù)責(zé)開通的MOSFET，而B1-Bn是負(fù)責(zé)關(guān)斷的MOSFET。開通門極電阻可由Ron1～Ronn任意組合并聯(lián)取得，同樣關(guān)斷門極電阻可由Roff1～Roffn任意組合并聯(lián)取得，因此開通或關(guān)斷都可以獲得2n?1種門極電阻取值。

圖10為IGBT模塊的開通和關(guān)斷過程[2]，門極驅(qū)動(dòng)電阻多等級(jí)切換工作原理如下：

開通過程：

T0～T1：驅(qū)動(dòng)器接收到PWM開通信號(hào)，開關(guān)矩陣切換至開通時(shí)序。此時(shí)間段為IGBT的開通延遲階段，IGBT集電極與發(fā)射極間電壓Vce及IGBT集電極電流IC無變化，因此在該階段投入最小阻值（Ron1||Ron2||...Ronn）的開通電阻，使IGBT門極與發(fā)射極間電壓Vge快速上升至開通閾值Vge，th，縮短開通延遲時(shí)間;

T1～T2：Vge已上升至開通閾值，IGBT電流IC開始上升，此時(shí)投入較小的門極電阻會(huì)加速電流上升的速度，但此階段同時(shí)也是反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)過程。門極電阻越小，IC上升速度越快，二極管反向恢復(fù)尖峰電流Irr越大。為了減小對(duì)反并聯(lián)二極管的電流沖擊以及減小較大di/dt造成的電磁干擾，可在此階段投入相對(duì)較大的門極開通電阻值;

T2～T3：此時(shí)IC電流已升至目標(biāo)值，開通過程進(jìn)入米勒平臺(tái)階段，為了減小米勒平臺(tái)時(shí)間，加速Vce下降速度以此減少開通損耗，此時(shí)可投入較小的門極開通電阻值。但阻值的大小還要考慮dv/dt大小不會(huì)導(dǎo)致同橋臂IGBT有發(fā)生串?dāng)_導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn);

T3～T4：T3時(shí)刻IC升至目標(biāo)值，Vce也下降至接近飽和電壓Vceast，IGBT基本導(dǎo)通。此時(shí)可投入最小的門極開通電阻，使Vge快速跳轉(zhuǎn)至門極開通終值電壓+15V，Vce快速降至飽和電壓Vceast;

T4～T5：T4時(shí)刻IGBT已經(jīng)完全開通，使用最小門極開通電阻維持開通狀態(tài)。

關(guān)斷過程：

T5～T6：T5時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)器接收到PWM關(guān)斷信號(hào)，即刻進(jìn)入關(guān)斷時(shí)序。投入最小的關(guān)斷電阻（Roff1||Roff2||...Roffn），使門極電壓快速降至米勒平臺(tái)，減小開通延時(shí);

T6～T7：Vge保持在米勒平臺(tái)電壓，Vce從飽和電壓Vceast快速上升至母線電壓，IC保持不變，此階段會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷損耗，為了減小損耗，可投入較小的門極關(guān)斷電阻縮短Vce上升至母線電壓的時(shí)間;

T7～T8：Vge從米勒平臺(tái)電壓降低至閾值電壓Vge，th，IGBT處于放大區(qū)，IC隨著Vge的降低而減小。由于換流回路不可避免存在雜散電感，會(huì)產(chǎn)生較高的關(guān)斷過電壓（LS×dtdi）。此過程可投入較大的門極關(guān)斷電阻，減小電流變化率di/dt和關(guān)斷過壓尖峰;

T8～T9：Vge低于閾值電壓Vge，th，存在的拖尾電流IC不受Vge控制，由器件結(jié)構(gòu)特性決定，此時(shí)投入小的關(guān)斷電阻可使Vge快速降至關(guān)斷終值電壓-15V，進(jìn)而完全關(guān)斷;

T9-：IGBT進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，使用最小關(guān)斷電阻保持。

5數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器故障存儲(chǔ)

大部分驅(qū)動(dòng)器在IGBT發(fā)生故障時(shí)通過反饋信號(hào)與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速保護(hù)。但這種方式無法甄別故障類型、不能指示重要節(jié)點(diǎn)信號(hào)（輸入PWM、輸出反饋等）發(fā)生故障時(shí)刻的狀態(tài)、不能在IGBT或驅(qū)動(dòng)器發(fā)生特別嚴(yán)重故障（IGBT燒損、驅(qū)動(dòng)器燒損斷電等）時(shí)記錄最初狀態(tài)，因此雖然報(bào)告了故障，但分析原因時(shí)仍然非常困難。

因此本設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)器上添加了高速存儲(chǔ)芯片，通過SPI總線與可編程邏輯器件連接[5]，圖11為數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器故障存儲(chǔ)電路。當(dāng)故障觸發(fā)時(shí)，可編程邏輯器件將故障位及其他數(shù)據(jù)信息快速寫入高速存儲(chǔ)芯片。之后，上位機(jī)電腦通過串口通訊線與可編程邏輯器件連接，通過可編程邏輯器件讀取，將高速存儲(chǔ)芯片上記錄的故障信息發(fā)送至上位機(jī)電腦進(jìn)行分析。

正常工作時(shí)，可編程邏輯芯片連續(xù)采樣故障檢測(cè)電路及節(jié)點(diǎn)信號(hào)，并在芯片內(nèi)RAM進(jìn)行緩存，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可編程邏輯芯片立即向存儲(chǔ)芯片發(fā)送請(qǐng)求存儲(chǔ)指令，將故障前后2ms時(shí)長(zhǎng)的采樣到的數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲(chǔ)芯片進(jìn)行記錄。表1為需要存儲(chǔ)的故障與節(jié)點(diǎn)信號(hào)：

6試驗(yàn)

6.1開關(guān)測(cè)試

使用地鐵高頻輔助變流器DC/DC模塊作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行雙脈沖試驗(yàn)，測(cè)試條件為：IGBT型號(hào)FF400R17KE4，母線電壓Udc=1300V，負(fù)載電流I=200A，電感負(fù)載L=400μH，脈沖寬度為Ton=60μs。

通過表2測(cè)試參數(shù)對(duì)比，門極電路采用多等級(jí)電阻開關(guān)控制顯著縮短了開通與關(guān)斷延遲時(shí)間，其中關(guān)斷延遲大幅縮短46%。通過降低電流關(guān)斷的速度，使雜散電感引起的關(guān)斷過電壓減小約50V?？傮w來看，因影響損耗的參數(shù)得到了優(yōu)化，使得開通損耗減小60%，而關(guān)斷損耗則減少了近59%，這將降低IGBT運(yùn)行時(shí)的溫升，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命。多等級(jí)控制電路明顯優(yōu)化了IGBT的開關(guān)性能。

6.2故障存儲(chǔ)測(cè)試

6.2.1超頻保護(hù)

使用波形發(fā)生器生成超過設(shè)定頻率的PWM波形輸入驅(qū)動(dòng)器以模擬故障。從圖14示波器測(cè)量到的真實(shí)波形可以看出，當(dāng)輸入的超頻PWM信號(hào)超過3個(gè)周期時(shí)，門極輸出Vge被軟件封鎖，IGBT被關(guān)斷，不再執(zhí)行輸入脈沖動(dòng)作，同時(shí)反饋置低向上位機(jī)報(bào)告了故障，實(shí)現(xiàn)了超頻保護(hù)。圖15為故障存儲(chǔ)芯片在超頻故障觸發(fā)時(shí)存儲(chǔ)到的各節(jié)點(diǎn)信號(hào)，與示波器測(cè)試到的波形信息相同，體現(xiàn)了故障存儲(chǔ)功能的準(zhǔn)確有效。另外，標(biāo)志位也指出了故障的類型，為原因分析提供了有力證據(jù)。

6.2.2短路保護(hù)

將驅(qū)動(dòng)器裝在功率模塊上，并對(duì)IGBT做短路連接。圖16為示波器測(cè)量到的驅(qū)動(dòng)器上的真實(shí)波形式，可以看出當(dāng)輸入脈沖超過設(shè)置的短路檢測(cè)時(shí)間（約8μs）時(shí)，退飽和電路檢測(cè)到了短路，軟件立即封鎖Vge脈沖，關(guān)斷IGBT，同時(shí)向上位機(jī)反饋了故障，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT的短路保護(hù)。圖17為芯片存儲(chǔ)解析后的波形，與實(shí)際短路保護(hù)時(shí)的波形時(shí)序相同，反映了存儲(chǔ)功能準(zhǔn)確有效。

7結(jié)語

針對(duì)軌道交通系統(tǒng)中IGBT的使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯器件的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器。測(cè)試表明，由可編程邏輯器件控制的可變電阻的多級(jí)門極開關(guān)電路可有效減小開關(guān)損耗，優(yōu)化了IGBT開關(guān)性能。另外，創(chuàng)新性的加入了故障高速存儲(chǔ)功能，可為系統(tǒng)故障分析提供可靠依據(jù)。