高壓大電流絕緣柵驅動器驗證平臺

唐 寧，初振東

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032）

1 引 言

在對高壓大電流絕緣柵驅動器進行應用驗證的過程中，通常需要驗證不同的母線電壓、不同的負載電阻以及不同頻率下驅動器的工作特性。高壓大電流絕緣柵驅動器通常應用在母線電壓較高、負載電流較大的場合，應用驗證過程中，必須確保系統的安全穩定性[1]。

因此，設計一種高壓大電流絕緣柵驅動器驗證平臺，使具有一定的保護機制，確保應用驗證過程中系統的安全穩定性[2]。同時，驗證平臺具有一定的靈活性，可以驗證不同頻率、不同母線電壓和不同負載電流下絕緣柵驅動器的工作特性。

2 功能概述

高壓大電流絕緣柵驅動器驗證平臺的功能框圖如圖1所示。系統由上位機和下位機共同組成。下位機主要以Cortex-M4 系列的ARM 為核心，完成整個驗證平臺的信號采集和時序控制等功能；上位機主要具有參數配置和報表存儲等功能。

圖1 高壓大電流絕緣柵驅動器驗證平臺功能框圖

通過按鍵輸入可以調節頻率，控制器可根據當前按鍵調節的頻率，產生PWM 信號，控制絕緣柵驅動器。絕緣柵驅動器的后級接有MOSFET 和IGBT，以形成負載驅動電路。可調高壓電源經過流保護器后，為系統提供母線電壓[3]。通常通過阻性負載來驗證絕緣柵驅動器在高壓大電流情況下的工作情況，因此，針對不同負載進行應用驗證時，可以通過繼電器切換負載阻值。為實時監控系統的工作狀態，通過數據采集器對系統的工作電壓和工作電流進行實時采集，當電壓或者電流超標時，及時進行錯誤處理，以保證系統的安全穩定性[4]。系統配有液晶顯示器，可以實時顯示系統的基本配置及工作狀態。控制器通過通信接口電路，可以與上位機進行實時通信。上位機可以對系統的工作模式和參數進行配置，同時存儲相應的工作報表等。上位機具有自動驗證模式，可以根據配置對不同頻率、不同母線電壓、不同負載電阻情況下驅動器的工作狀態進行自動驗證，并存儲驗證結果，從而提高驗證效率。

3 硬件電路設計

3.1 控制器最小系統設計

在高壓大電流絕緣柵驅動器應用驗證系統中，需要產生高速的PWM 脈沖[5]，控制絕緣柵驅動器，因此選用ST 公司的STM32F407 嵌入式處理器。該處理器具有多路硬件PWM 控制器，可以通過硬件方式產生PWM 脈沖，速度快，穩定性較高。另外，STM32F407 處理器具有一定的抗干擾性能，能夠穩定工作在復雜的應用環境中。

STM32F407 嵌入式處理器內置高速AD 轉換器，在高壓大電流絕緣柵驅動器驗證平臺中可以用于數據采集，主要采集母線電壓和負載電流信息，以便在系統過壓和過流時及時采取保護措施，提高系統的穩定性。該嵌入式處理器還內置CAN 控制器，可以用于搭建通信接口電路，使得下位機系統可以穩定地與上位機建立通信。CAN 總線的物理層芯片選用TI 公司的 SN65HVD251，該芯片兼容 ISO 11898 標準，通信速率可達到1Mbps，端口的ESD 防護電壓大于9kV。STM32F407 嵌入式處理器內置獨立看門狗單元，可以有效地提高系統的抗干擾性能。

3.2 顯示電路設計

在平臺設計過程中，顯示電路主要用于系統的工作狀態監視，以及當前配置的顯示等，使得系統具有良好的人機交互性能。顯示器選用12864 液晶顯示器，顯示器的電壓等級選用3.3V，以便兼容STM32F407 處理器的IO 電平范圍。選用內置字庫的12864 液晶顯示器，可以較為方便地顯示漢字信息。液晶顯示電路的電路圖如圖2所示，其中RB0～RB7 為數據端，主要用于讀寫寄存器時的數據操作。E 為使能控制端，RW 為讀寫操作選擇端，BLK 和BLA 為背光調節端。

圖2 顯示電路原理圖

3.3 死區電路設計

絕緣柵驅動器通常用于半橋、全橋或三相橋系統中，因此絕緣柵驅動器的控制信號通常為帶有死區的互補PWM 信號。為保證死區信號的穩定性，設計硬件死區電路[6]。死區電路的原理圖如圖3所示，輸入信號經過施密特觸發器和阻容二極管網絡后，在電路的輸出端產生帶有死區時間的、互補的OUTA 和OUTB 信號，該兩路信號可以控制絕緣柵驅動器進行工作。通過調節阻容網絡中的電阻值或電容值，可調節電容的充放電時間，進而調節OUTA和 OUTB 之間的死區時間[7]。OUTA 和 OUTB 的仿真結果如圖4所示。該硬件死區電路結構簡單，死區時間調節方便，具有較好的穩定性。

圖3 死區電路原理圖

圖4 死區電路仿真結果圖

3.4 負載驅動電路設計

系統搭建的全橋驅動電路如圖5所示，它通過四個大功率MOSFET 搭建全橋驅動電路[8]。電路中MOSFET 的柵極分別接有二極管和阻值較小的電阻。電阻可以在MOSFET 開啟的瞬間起到限流的作用，其阻值不宜太大，否則會影響系統的工作速度；合理設計二極管則可有效減少整個電路的噪聲[9]。通常通過阻性負載來驗證絕緣柵驅動器在高壓大電流情況下的工作情況，因此，電路中的VS1 和VS2可接外部負載電阻，根據負載電阻的不同，可以驗證不同負載電流下驅動器的工作情況[10]。R5 和R6 為采樣電阻，可以實時采集橋路的工作電流，當系統的工作電流超標時，控制器可以迅速切斷系統動力電源，以保證整個系統的穩定性。

圖5 全橋電路原理圖

4 系統軟件設計

系統的軟件設計分為上位機軟件設計和下位機軟件設計。上位機軟件流程圖如圖6所示，下位機軟件流程圖如圖7所示。

圖6 上位機軟件流程圖

圖7 下位機軟件流程圖

上位機軟件工作后，首先讀取軟件配置，如果驗證開始按鈕觸發，則將配置信息發送給下位機。驗證開始后，上位機軟件實時讀取下位機工作參數，并將工作參數實時顯示在上位機界面上。下位機軟件工作后，首先讀取上位機軟件的配置，然后配置相關外設，啟動驗證后，實時將下位機軟件的工作狀態反饋給上位機，若驗證過程中有錯誤，則立即結束驗證。

5 系統驗證

根據以上描述，搭建的高壓大電流絕緣柵驅動器驗證平臺如圖8所示。上位機軟件的實際工作界面如圖9所示。

圖8 高壓大電流絕緣柵驅動器驗證平臺實物圖

圖9 上位機軟件界面效果圖

當輸入信號為互補驅動信號時，絕緣柵驅動器可以產生互補的高壓驅動信號，控制后級MOSFET工作，使整個系統工作穩定，滿足驗證需要。

6 結 束 語

依據高壓大電流絕緣柵驅動器的驗證需求設計的該款驗證平臺，可驗證不同頻率、不同母線電壓、不同負載電流情況下絕緣柵驅動器的工作性能。整個系統的上位機/下位機配置構成，支持了自動驗證工作模式，根據配置自動完成全參數驗證也得以順利實現。經實際驗證，此高壓大電流絕緣柵驅動器驗證平臺效率較高，工作穩定，有很高的實用價值。