一種IGBT智能驅動裝置的設計

呂金都　王東偉　全永強　黃麒元　王浩清　杜彬

摘 要：簡要介紹了一種IGBT智能驅動裝置的設計。該智能驅動器采用數字控制和數字信號識別提取抗干擾技術，將大規模 CPLD（可編程邏輯陣列芯片）作為控制核，集控制、保護、監測、分析、通訊于一體，大大提升了驅動器的集成度和智能處理能力；攻克了高壓大功率 IGBT并聯驅動技術、軟關斷技術、故障識別、損耗控制、與上位機信息交互等關鍵技術。它可廣泛應用于智能電網、電動汽車、工業變頻等可靠性高的信息化領域。

關鍵詞：IGBT；智能驅動；數字控制；CPLD

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.101

目前，國內外IGBT 驅動器技術在中小功率領域的應用較為成熟，主要采用模擬控制方式實現驅動，功能比較單一。這些非即插即用的通用產品在新能源，柔性輸電等高可靠、大功率變頻領域的應用，不僅存在技術障礙，而且對客戶而言，他們還有大量個性化需求和設備網絡化管理的信息交互等高級應用能力需求。顯然，傳統的 IGBT 難以滿足個性化定制需求。為此，特設計了一種“IGBT智能驅動裝置”，采用數字芯片對 IGBT 實施智能化驅動管理，以滿足當前市場的迫切需求，具有正確的市場定位。目前，新能源、智能電網、節能減排等行業處于蓬勃發展期，所以，為該產品提供了良好的發展契機。

1 系統總體設計方案

系統的設計流程如圖1所示。選用Altera MAXII為主芯片的開發板，在設計硬件的同時進行軟件設計，根據設定功能、性能、參數分配軟件、硬件資源，設定各獨立的功能模塊。在具體工作中，分別采用電力電子和電力拖動控制系統 MATLAB 仿真，為每個模塊電路建立仿真模型，設置模型的參數，進行模型仿真。在仿真結果與預想結果有出入時，可調整模型的相關參數；當得到了預想的仿真結果時，證明設計方案在理論上是可行的。然后再進一步進行電路原理設計和器件品牌、型號、規格、參數選型，完成原理設計后，進行實物的 PCB 繪制和 PCB 樣品試制，并根據原理圖完成PCB樣品的焊接，焊接完成后的樣品則根據測試手冊和最初的功能、性能、參數進行調試、測試，進一步驗證電路的原理和樣品的性能。

2 主電路設計

2.1 CPLD邏輯控制器原理

CPLD邏輯控制器包括濾波模塊、軟短路保護模塊、硬短路保護模塊和電源欠壓保護模塊。其中，濾波模塊的作用是對輸入的PWM信號進行濾波，消除不合理的窄脈寬；軟短路保護模塊的作用是根據退飽和過流保護反饋電路的輸入信號，選擇合理的門極電阻進行關斷；硬短路保護模塊的作用是根據di/dt檢測信號或者最高級退飽和電路反饋信號，實時改變門極電阻，實現多重軟關斷；電源欠壓保護模塊的作用是電源掉電保護，鎖存輸出并報警。其系統接口電路如圖2所示。

2.2 驅動器主電路設計

2.2.1 技術原理

為了實現IGBT智能驅動裝置集控制、保護、監測、分析、通訊于一體的功能，其中主要包括以下幾種技術。

2.2.1.1 數字控制技術

現有驅動產品的控制技術主要為模擬控制方式，其結構方式采用核心板加轉接板，而智能型大功率IGBT驅動則采用數字控制技術和數字濾波抗干擾技術，設計采用ALTERA MAXII系列芯片作為控制核，集控制、保護、監測、分析、通訊于一體，大大提高了驅動器的集成度，而且其簡單、方便，能夠實現驅動器即插即用的功能。數字濾波技術通過計算減少或削弱噪聲的影響，其優勢在于不需要硬件投入而且可靠性高、穩定性好，不存在阻抗匹配的問題。另外，還可以根據實際輸入信號的不同，采用不同的濾波方式或濾波參數，具有靈活、方便、功能強等特性。

2.2.1.2 軟關斷技術和 di/dt 技術

當某些故障發生時，流過IGBT的電流很大，如果正常關斷，由于主回路寄生電感的存在，使得 di/dt 增大，導致關斷時IGBT的關斷電壓尖峰很大，超過IGBT的耐壓值，使得IGBT被損壞。因此，在關斷時，可以通過程序的控制，利用有源鉗位、di/dt 控制和 dv/dt 反饋管理IGBT的開關特性，使IGBT緩慢關斷。軟件控制不僅可以降低驅動器的硬件成本，同時，由于系統復雜度的降低，還能使系統更穩定。

2.2.1.3 其他技術

可變門極電阻驅動技術、半導體開通和關斷損耗控制技術能夠有效控制IGBT的開關時間、開關損耗、死區時間的設置和關斷過壓等參數，保證IGBT工作的可靠、穩定開通和關斷，降低IGBT的相關損耗。在驅動方案中，調整驅動電路的參數，比如門極電阻值、門極電容值、功率放大電路等方式優化開關損耗。針對不同型號的IGBT開關特有的差異，采用數字控制方案能針對不同的IGBT調整控制方法。

2.2.2 主電路模塊設計

如圖3所示，大功率數字化智能驅動裝置包括DC/DC變換電路、CPLD邏輯控制塊、有源嵌位反饋模塊、退保護過流反饋模塊和di/dt檢測模塊等。DC/DC變換電路用于控制輸入的電壓，其輸出端連接有欠壓保護模塊。欠壓保護模塊用于電源掉電保護，其輸出端與CPLD邏輯控制模塊相連，CPLD邏輯控制模塊的輸入端連接PWM脈寬調制器和濾波模塊，其作用是對輸入的PWM信號進行濾波，消除不合理的窄脈寬。CPLD邏輯控制模塊的輸出端連接有可變門極電阻模塊，其作用是根據退飽和過流保護反饋電路的輸入信號和di/dt檢測信號，選擇合理的門極電阻進行關斷?？勺冮T極電阻模塊的2個輸出端分別連接有電阻R1和電阻R2，電阻R1和電阻R2分別連接IGBT的柵極G和發射極E。CPLD的輸入端分別接有源嵌位反饋模塊、退保護過流反饋模塊、di/dt檢測模塊和過溫保護模塊，而有源嵌位反饋模塊的作用是抑制浪涌電壓，解決由于IGBT關斷時發生短路而導致驅動器短路保護失效的問題。其輸入端通過2個串聯連接的二極管Dl和二極管D2分別連接到IGBT的集電極C和IGBT的柵極G。退保護過流反饋模塊用于過電流保護，其輸入端通過2個串聯連接的二極管D3和二極管D4連接到IGBT的集電極C上。對于di/dt檢測模塊，di/dt 反饋用于管理IGBT的開關特性，使得IGBT緩慢關斷，其輸出端連接到發射極E。過溫保護模塊則用于解決由于長時間結溫過高而引起的模塊損壞問題，其輸入端與熱敏電阻NTC連接。

3 結束語

綜上所述，驅動器相當于IGBT的大腦，智能型驅動器是IGBT與用戶的友好接口，在保證其可靠運行的基礎上，能夠滿足新能源、智能電網應用的個性化需求，值得推廣使用。

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〔編輯：白潔〕