基于跳變沿識別的IGBT驅動電路窄脈沖抑制方法

中車永濟電機有限公司 楊春宇 馬 瑞 陳 宏

基于跳變沿識別的IGBT驅動電路窄脈沖抑制方法

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復合全控型器件IGBT在現代電力電子系統中被廣泛應用，在工程實踐中，由于電源的不穩定以及控制信號受到干擾引起的窄脈沖會造成IGBT的損壞，常用的低通濾波的方式并不能完全消除窄脈沖。本文提出了一種基于跳變沿識別的窄脈沖抑制方法，可以有效的避免窄脈沖損壞IGBT。

IGBT；窄脈沖；跳變沿

0 引言

IGBT的驅動電路需要確保低壓電路與高壓電路的隔離、具有保護IGBT模塊免受損壞的功能，同時還會影響IGBT的續流二極管的動態特性。若驅動板接收到窄脈沖的開關信號時，使器件未完全開通又發生關斷動作，或是未完全關斷又發生開通動作，對器件影響較大，本文將結合實踐，提出一種基于跳變沿識別的窄脈沖抑制方法。

1 窄脈沖產生的原因

IGBT接收的窄脈沖分為兩種情況，一種是系統控制單元發生的PWM波與半橋模式中上下橋臂的死區時間配合不當，使得IGBT或續流二級管在換流的過程中出現窄脈沖[1]，而在系統設計及調試過程中，對死區的設置以及PWM信號的監控和調試可以避免出現上述問題，并且在控制單元的軟硬件設計中，通常都有最小脈寬的限制，因此，設計源頭出現IGBT接收窄脈沖的情況并不多。

在工程實踐中，由于電路器件的不穩定、電源的波動、以電或是光的形式傳輸的開關信號受到干擾等原因引起的窄脈沖現象時有發生，并且很難完全的消除。例如，在高壓應用的設備中，需要盡可能保護硬件，而IGBT開關信號傳輸線中的磁耦合可能引起電壓瞬變，如果這個電壓達到了驅動器輸入電路的閾值電壓，則IGBT會異常開通或關斷。

2 窄脈沖對IGBT的影響

若IGBT接收到了窄的開通或關斷信號，導致其沒有足夠長時間的開通或關斷，則這些窄的脈沖會造成耦合電容電荷的變化，增加IGBT的損耗及對周圍環境的影響，一般不會對負載電流幅值有影響。當IGBT或續流二級管芯片剛開始開通時，載流子會以一定的速度在半導體內傳輸。當在載流子擴散時關斷IGBT或二級管芯片，和在載流子完全充滿后關斷相比，由此產生的電流變化率DIC/DT或者DIF/DT可能會增加，由于IGBT的DI/DT升高，加上換流通路中的雜散電感的作用，會產生更高的關斷電壓過沖和增加二極管的反向恢復電流，并可能產生一個不可接受的電壓變化率DU/DT，當開通時間較短時，常常伴有振蕩，進而使IGBT或二極管受到損傷[2]。

3 窄脈沖抑制方法

3.1 常用的窄脈沖抑制方法

在對微控制器編程時就應考慮生成IGBT門極驅動的控制信號的最短開通時間，驅動信號的板卡也要有最窄脈沖的限制，這就從信號輸出的層面最大程度避免了窄脈沖的產生，但由于硬件的不穩定、控制線中的磁耦合或是光纖信號受到干擾等原因產生的窄脈沖同樣能傳輸到門極驅動電路，并觸發IGBT或二極管不正常的開通或關斷，門極驅動器最簡單的窄脈沖抑制方法是在輸入端增加具有低通濾波功能的施密特觸發器（圖1），將最小脈沖的時間設置在100-800ns之間，高壓（3.3∽6.5KV）的器件，可以將最小脈沖時間適當的延長，但同時瞬變時間誤差會增加[2]，由于該電路能過濾掉的窄脈沖寬度由RC以及施密特觸發器的滯回時間決定，因此脈寬稍長于該時間的脈沖依然會以窄脈沖的形式傳遞到后級電路。

圖1 低通濾波施密特觸發器

3.2 基于跳變沿識別的窄脈沖抑制方法

為了從根本上識別并保護IGBT，本文提出了一種基于跳變沿識別的窄脈沖抑制方法（圖2）。IGBT開關信號經低通濾波傳輸到驅動電路板后，在將該信號正常傳達到IGBT的同時，由跳變沿識別電路對該信號是否存在跳變沿進行識別，如果輸入信號存在一個由低到高或由高到低的跳變，跳變沿識別電路將觸發計時器進行計時，當在預先設定的窄脈沖判定時間t內，如再次檢測到一個跳變沿，則判定驅動板接收到了窄脈沖，將驅動板故障狀態位置位，鎖定IGBT的驅動輸入通道，并向控制單元反饋故障狀態信號, 同時判斷如當前的IGBT為開通狀態，則延時T時間后向IGBT發送關斷信號，如當前IGBT為關斷狀斷，則保持IGBT的關斷。該功能與驅動板的其它保護功能互不影響。

圖2 基于跳變沿識別的窄脈沖抑制邏輯圖

4 結論

識別窄脈沖，然后對IGBT進行關斷，并通知控制單元，可有效的防止各種原因導致的窄脈沖損傷IGBT。該方法已在大功率機車牽引功率模塊IGBT驅動電路中成功應用，實踐證明，在線路干擾引入窄脈沖的情況下，可有效的保護IGBT。

[1]陶燦輝,吳文婷,徐萌萌,丁力．IGBT模塊窄脈沖解決方案[J]．電力電子技術,2015,49(2):47-48．

[2](德)安德烈亞斯．福爾克,麥克爾．郝康普著．IGBT模塊:技術、驅動和應用(第2版)[M]．韓金剛譯．北京:機械工業出版社,2016:213,225-227．