車載變流器大功率IGBT 數字驅動方法研究

楊 寧

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；3 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京 100081）

功率模塊是牽引輔助變流器的核心部件，用于功率模塊的主要器件為IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）［1］。IGBT 的驅動技術是制約著功率模塊自主研制的一項關鍵技術。IGBT 驅動器作為功率電路和控制器之間的接口電路，對系統(tǒng)的損耗和可靠性有極大的影響，在整個功率傳輸變換系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。市場上大功率IGBT 驅動器種類較多，但在高電壓大功率的應用中，由于強干擾、高成本、高可靠性要求等因素，需要設計專用的驅動器，確保IGBT 驅動信號的可靠性，并且滿足用于大功率機車與動車牽引控制與輔助控制的特殊需求。傳統(tǒng)的驅動保護方式全部采用模擬電路的方法，然而數字控制方式以它控制精度高，可控性強，便于和控制器信息交互等優(yōu)點，廣泛被使用在邏輯保護電路中［2-3］，文中正是針對高速動車組變流器大功率IGBT 數字驅動方法進行研究。

1 驅動保護構架

對于低功率等級的IGBT 保護，傳統(tǒng)驅動保護方案的硬件結構多為“控制器+模擬驅動電路”的形式。IGBT 的底層保護主要通過“模擬驅動電路”完成，形式簡單，保護級別單一。對于大功率的IGBT 保護，傳統(tǒng)驅動保護方案的硬件結構多為“控制器+模擬脈沖分配電路+模擬驅動電路”的形式。相對于低功率等級IGBT 的驅動保護方案增加了“模擬脈沖分配電路”這一環(huán)節(jié)，然而這一環(huán)節(jié)的電路一般也不具備IGBT 的保護功能。因此，傳統(tǒng)IGBT 的保護主要通過“模擬驅動電路”完成。

針對變流器大功率的IGBT 驅動保護，文中引入了“數字保護”的概念，即在脈沖分配電路和驅動電路同時使用數字控制芯片實施動態(tài)的邏輯處理和保護，即“控制器+數字脈沖分配電路+數字驅動電路”的方案，使得從控制器到驅動器形成數字化控制的統(tǒng)一體，這種方式既提高了控制策略的靈活度和響應速度，同時又因為采用了數字芯片，通過軟件代碼加密的方式可實現知識產權的有效保護。

2 數字脈沖分配

大功率IGBT 的保護通常都具有完善的柵極脈沖信號在驅動器前端的預處理功能，其目的是從IGBT 單橋臂級保證柵極脈沖的準確與可靠。而驅動器則是提供柵極功率，軟開通、軟關斷的過電壓、過電流、短路保護功能［4-5］。車載大功率變流器使用的IGBT 具有較高的工作電壓或較大的工作電流，但開關頻率相對較低。在散熱條件允許的情況下，可通過開關頻率的提升盡可能地發(fā)揮出IGBT 的最佳性能。鑒于上述特點，IGBT 在驅動器前端脈沖的預處理變得非常重要。脈沖預處理功能主要包括：

（1）驅動信號濾波處理

在大功率強磁場的工作條件下，驅動器在接收到控制器的柵極脈沖之后，極易受干擾，使得柵極脈沖產生不同程度的畸變，降低正確度。為了解決這種畸變問題，可對輸入柵極脈沖進行數字濾波處理，包括波形的修形、波形的復原，確保電平和邏輯狀態(tài)的穩(wěn)定。

（2）驅動信號脈寬處理

鑒于大功率IGBT 對驅動脈沖的精細化要求，根據IGBT 器件的最佳開關頻率，牽引輔助控制硬件電路對柵極脈沖寬度的影響，需對脈沖的寬度進行相應的限制和處理。例如：依據脈沖最小脈寬進行剔除誤開通脈沖和誤關斷脈沖；依據控制策略的特點，識別有效窄脈寬并進行相應的拓展，保證IGBT 有足夠的開通時間與關斷時間；這種處理不但有效地解決了IGBT 在開關過程中因為脈沖的不合理造成IGBT 損壞，而且有效地還原了控制器發(fā)出的脈沖，使控制策略得到正確的輸出。

（3）驅動信號自鎖處理

根據大功率IGBT 開關頻率相對較低的特點，為了防止高頻干擾信號或更高開關頻率導致IGBT的損壞，在數字脈沖分配這一環(huán)節(jié)應對IGBT 的開通頻率和關斷頻率進行限制，實現IGBT 每次開通和關斷時長的自鎖功能。這種自鎖功能同時保證了IGBT 開通的最小時長和關斷的最小時長，不會對器件造成損傷。

（4）驅動信號互鎖處理

大功率IGBT 橋臂的上下直通會對器件造成嚴重的損毀，這種直通的一個可能性原因是IGBT接收到了錯誤的直通脈沖。在數字脈沖分配這一環(huán)節(jié)加入單橋臂上下2 個IGBT 器件的柵極脈沖的互鎖功能，目的是防止2 個管子的直通現象產生，即確保同橋臂任一個IGBT 可靠關斷后，同橋臂的另一個IGBT 再可靠開通。

（5）驅動信號狀態(tài)回傳

為了讓控制器及時知曉IGBT 實際執(zhí)行的脈沖狀態(tài)，通常數字脈沖分配這一環(huán)節(jié)需設置硬線通信信號，將驅動器實際執(zhí)行脈沖信息回送給控制器。

3 數字驅動保護

數字驅動保護是驅動電路的核心。IGBT 的開通和關斷過程控制是驅動和保護的關鍵。根據IGBT 開關的瞬態(tài)分析，不難發(fā)現IGBT 開關過程中存在兩個主要問題：一是在IGBT 開通的過程中，由于突然快速關斷續(xù)流二極管，造成電流過沖；二是在IGBT 關斷的過程中，由于寄生電感的存在和突然快速關斷IGBT，造成電壓的過沖［6］。這兩個問題是驅動保護的主要問題，IGBT 開關過程中其他的問題，例如振蕩、電磁干擾，都可以從這兩個主要的問題中推導出來。

由IGBT 的結構可知，其內部常常反并聯(lián)1 個功率二極管，實現電流的雙向流動，功率二極管的動態(tài)性能極大地影響著IGBT 的開關瞬態(tài)特性。功率二極管反向恢復電流的峰值為式（1）：

式中：diR/dt為反向恢復電流的變化率，由上式可以得到在反并聯(lián)二極管快速關斷的過程中，Irr正比于diR/dt，然而diR/dt與IGBT 集電極電流的變化率diC/dt又相一致，因此diC/dt影響著的Irr數值。

在IGBT 關斷的過程中，電壓過沖的大小正比于IGBT 集電極電流的變化率，比例關系為式（2）：

式中：LS為功率電子電路的雜散電感。由此可見，集電極電流變化率diC/dt可以影響IGBT 開通時的過電流、IGBT 關斷時的過電壓。根據IGBT 開通時diC/dt的表達式（3）、IGBT 關斷時diC/dt的表達式（4），又可以得出通過改變可變參數Rg與VT的值可以改變的diC/dt變化率，從而可以改變Irr與Vos的值。

式中：VGG為柵極驅動電壓；IL、Ip為負載電流；gm為IGBT 跨導；Rg為柵極驅動電阻；Cies為IGBT 的 輸入寄生電容；VT為IGBT 導通的閾值電壓；LS1為功率發(fā)射極與輔助發(fā)射極的雜散電感。

在實際的應用中，為了對Rg與VGG的控制進行解耦，可以固定VGG的參數，通過改變Rg參數的值，控制IGBT 開通關斷過程中的diC/dt。VGG的選取，如果過大，一旦IGBT 過流，會造成內部寄生晶閘管的靜態(tài)擎住效應，造成IGBT 失效。若選取過小，可能會使IGBT 工作在線性放大區(qū)，造成IGBT的發(fā)熱損壞。VGG可以根據IGBT 器件手冊，選取適當的參數。

由公式（1）、（2）可知，開通和關斷過程中diC/dt的變化對Rg數量級要求各不相同，傳統(tǒng)柵極驅動器配置2 個電阻Ron與Roff，通過模擬電路在IGBT 開通和關斷過程中分別選通Ron與Roff。在開通時，為了減少Irr的值，可以選擇較大一些的Ron，但是較大的Ron會延長開通時間，造成開通損耗的增加，影響了IGBT 的性能和工作狀態(tài)。在關斷時，為了減少Vos的值，選擇較大一些的Roff，同樣較大的Roff會造成關斷損耗的增加。然而IGBT 的開通和關斷分為多個過程［7］，單一的開通或關斷電阻無法使得損耗和過電流、過電壓達到最優(yōu)，選擇可變的電阻組合可以達到最優(yōu)的目的。在IGBT開通關斷瞬態(tài)過程中，根據開關過程的特性快速調節(jié)Rg的值，達到損耗和過電壓、過電流的合理化分配，優(yōu)化驅動器的目的。同時在故障時可以通過調節(jié)Rg的值，對IGBT 進行主動保護。

4 數字驅動硬件方案

為了達到IGBT 柵極驅動電阻快速可變的調節(jié)方案?？梢酝ㄟ^選用數字驅動器中的可編程邏輯器件進行調節(jié)，調節(jié)的分辨率最小可以達到納秒級別，性能完全滿足驅動器對電阻切換的要求。在IGBT 數字脈沖分配和驅動硬件電路中，均集成了可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）作為核心邏輯處理芯片，由于CPLD具有高速的時鐘步長，豐富的邏輯處理資源與嚴格的時序處理，適合運用在IGBT 脈沖的保護管理和柵極驅動電阻的數字調節(jié)上。驅動方案和方案原理如圖1 所示，驅動電路通過數字控制調節(jié)柵極電阻，控制IGBT 的開關特性。

圖1 數字驅動方案

其中CPLD 接收控制器的輸入脈沖信號和故障的觸發(fā)信號，并根據脈沖信號選擇適合的柵極電阻并通過選通開關接入對應的電阻陣列，然后開通或關斷IGBT，使開關過程中的diC/dt、du/dt和開關損耗在一個合理的范圍內。CPLD 根據輸入的故障信號選通開關接入對應的電阻陣列緩關IGBT 或提前關閉IGBT，達到有效保護IGBT 的目的。

5 試驗與分析

5.1 測試環(huán)境

為了對驅動器在大功率IGBT 開關過程中的性能進行測試，采用常用的雙脈沖測試方法［3］。雙脈沖的第1 個脈沖在電感負載上形成試驗電流，利用負載電感的電流連續(xù)特性，第2 個測試脈沖完成對被測試IGBT/FWD 的動態(tài)測試。測試電路采用單橋臂結構，負載選用電感，如圖2 所示。在本次測試試驗中，IGBT 選用英飛凌6 500 V/400 A 的開關器件，該器件續(xù)流二極管集成在IGBT 內部。根據器件手冊，柵極驅動開通和關斷電壓分別選取+15 V 和-15 V。雙脈沖測試電路的直流環(huán)節(jié)電壓為3 000 V，集電極穩(wěn)態(tài)電流為350 A。

圖2 雙脈沖試驗電路

5.2 試驗結果與分析

數字脈沖分配將雙脈沖傳遞給驅動，脈沖發(fā)送與反饋的二進制波形和雙脈沖到驅動電壓的波形如圖3 所示，從2 個圖中可以看出控制信號到驅動電壓信號得到了良好的傳遞。

圖3 數字脈沖分配的形成

為了對驅動在固定電阻和可變電阻下的性能進行測試，根據開通過程，選擇2 組固定電阻滿足條 件Rmin＜R1＜R2＜R3＜R4＜Rmax，Rmin是開通允許最小柵極電阻，Rmax是開通允許最大柵極電阻。對于R1、R2、R3和R4分別在雙脈沖的試驗臺上進行試驗，將第2 個開通脈沖的瞬態(tài)波形記錄，并分別對開通瞬間集電極電流、集電極發(fā)射極之間電壓、柵極電壓進行對比。柵極電阻為R1、R2、R3和R4的情況下的開通瞬間集電極電流波形如圖4（a）所示，圖中橫坐標為時間500 ns/div，縱坐標為電流幅值200 A/div。從圖中可以看出，柵極驅動電阻越小，開通時間越短，但是會使得開通電流產生較大的diC/dt和電流過沖。反之柵極驅動電阻越大，開通時間越長，開通電流產生的di/dt和電流過沖就越小，但造成開通損耗就越大。柵極電阻為R1、R2、R3和R4的情況下的開通瞬間集電極—發(fā)射極電壓波形如圖4（b）所示，圖中橫坐標為時間1 μs/div，縱坐標為電壓幅值500 V/div。從圖中可以看出柵極驅動電阻對開通電壓的影響，柵極驅動電阻越大開通時間越長，造成的開通損耗也越大。

圖4 開通瞬間電流電壓波形

造成電阻影響開通速度的原因，從柵極驅動電阻和柵極電壓的對比可以得到。柵極電阻為R1、R2、R3和R4的情況下的開通瞬間柵極驅動電壓波形如圖5 所示，圖中橫坐標為時間1 μs/div，縱坐標為電壓幅值5 V/div。從圖中可以看出柵極驅動電阻對柵極電壓的影響，驅動電阻越大充電時間越長，開通時間就越久。

圖5 開通瞬間柵極電壓波形對比

通過上面集電極電流、集電極—發(fā)射極電壓和柵極驅動電壓幾組波形的分析，可以得到，在IGBT 的開通過程中，柵極驅動電阻對開通瞬態(tài)有較大的影響。當柵極驅動電阻較小時，IGBT 的開通速度較快，損耗較小，但是造成開通較大的diC/dt和電流尖峰；當柵極驅動電阻較大時，IGBT 的開通速度較慢，損耗較大，但是diC/dt和電流尖峰較小。

依據IGBT 開通過程中的瞬態(tài)分析，開通可分為3 個時間段，分別為達到柵極門檻電壓值之前、達到柵極門檻電壓值之后、開通尾段。我們可以根據各自不同的特點來選擇柵極驅動電阻，達到對開通過程要求的控制。第一個階段，IGBT 的柵極驅動電壓還沒有到達門檻值之前，開通延遲時間td（on）應盡可能短，通過較大的柵極充電電流使柵極驅動電壓快速充電到門檻電壓值。

一旦柵極電壓到達門檻值之后，進入第二階段，集電極電流開始上升，通過改變柵極電流的充電速度，可以控制開通過程的diC/dt，同時還可以控制反并聯(lián)二極管的反向恢復電流峰值。較小的柵極驅動電流可以降低此過程的diC/dt，在降低diC/dt的同時，降低了反并聯(lián)二極管恢復電流的影響。在此過程中帶來的這個影響包括突然關斷二極管造成橋臂中互補IGBT 的過電壓和反向恢復過程中電磁干擾。

當集電極電流上升到峰值后，進入第三階段，在此時間段可通過較大的柵極驅動電流加快開通的速度，減小開通的拖尾電壓，降低開通過程中的功率損耗。同時也縮短了米勒平臺的時間。

經過分析，通過數字驅動方案，在開通的3 個時間段選擇合理的電阻進行試驗，開通瞬態(tài)波形如圖6 所示。圖中橫坐標為時間1 μs/div，縱坐標IC為電流幅值200 A/div，VGE為電壓幅值5 V/div。

圖6 優(yōu)化后開通瞬間電壓電流波形

圖中標出了柵極驅動電壓VGE、柵射極電壓VCE、集電極電流IC、開通損耗Eon。通過3 個時間段的切換電阻，將集電極電流diC/dt、峰值電流ICmax和開通損耗Eon進行對比，見表1。

表1 不同柵極驅動電阻下IGBT 開通瞬間參數

根據表格得出在變柵極驅動電阻的情況下，可以在獲得相對較小集電極電流和diC/dt的情況下，同時使得IGBT 的開通損耗控制在一個比較理想的范圍內。與固定電阻的驅動方式相比，有了很大的提升。

依據該方法，選擇固定電阻R4、R5、R6，滿足條件Rmin＜R4＜R5＜R6＜Rmax，Rmin是關斷允許最小柵極電阻，Rmax是IGBT 關斷允許最大柵極電阻。進行關斷瞬態(tài)的電參數分析，得到IGBT 關斷時的優(yōu)化波形，數字驅動方案關斷瞬間波形如圖7 所示，圖中橫坐標為時間1 μs/div，縱坐標VCE為電壓幅值200 V/div，VGE為電壓幅值5 V/div。并形成關斷瞬間集射極過電壓，du/dt和關斷損耗參數對比見表2。

表2 不同柵極驅動電阻下IGBT 關斷瞬間參數

圖7 數字驅動方案關斷瞬間波形

根據表2 的對比，得出在可變電阻的情況下，可以在獲得相對較小集電極過電壓和du/dt的情況下，同時使得IGBT 的關斷損耗控制在一個比較理想的范圍內。與固定電阻的驅動方式，有了很大的提升。

6 結論

文中針對車載大功率變流器在自主化設計過程中遇到的IGBT 驅動關鍵技術難題，開展了詳細的分析研究，通過對比不同的IGBT 驅動保護方式，提出了“數字驅動”的概念和“數字脈沖分配+數字驅動”的總體保護構架，并詳細闡述了數字脈沖分配的主要功能和數字驅動電路的基本原理和基本理論。在此基礎上設計了適合大功率IGBT保護的數字驅動方案，使得開關過程中驅動電阻動態(tài)可調，實現了IGBT 故障后的可靠關斷與開通關斷瞬間過電壓、過電流與損耗的最優(yōu)化分配。最后選取某高壓IGBT 器件通過雙脈沖試驗驗證了數字驅動方案的可行性。此設計方案已成功轉化為產品，批量運用在既有機車和動車組的變流器上。