關(guān)于地鐵列車用IGBT柵極驅(qū)動器的研究

商俊雄

摘 要：PWM整流器的研究始于20世紀80年代，這一時期由于自關(guān)斷器件的日趨成熟及應用，推動了PWM控制技術(shù)的應用與研究。[1]隨著PWM整流器技術(shù)的日趨成熟，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）得到了廣泛的應用。如電力行業(yè)、地鐵行業(yè)、高速鐵路、礦產(chǎn)行業(yè)等。IGBT是一種新型的電力半導體器件，現(xiàn)已成為電力電子領(lǐng)域的新一代主流產(chǎn)品。[2]IGBT具有正常工作時，導通電阻低，器件的電流容量大，耐高壓，驅(qū)動速度快，驅(qū)動功率低，輸入阻抗高，輸入電容小等特點。大功率IGBT在地鐵列車上也有廣泛的應用，主要用于地鐵列車的輔助逆變器和牽引逆變器，實現(xiàn)地鐵車輛三相交流380 V供電和地鐵車輛牽引電機的供電。輔助逆變器和牽引逆變器的控制器輸出的PWM控制信號，經(jīng)過IGBT柵極驅(qū)動器功率放大后，輸出給IGBT的柵極，以控制IGBT的開關(guān)動作。

關(guān)鍵詞：地鐵列車;IGBT;緣柵雙極型晶體管;柵極驅(qū)動器

中圖分類號：TN322.8 文獻標識碼：A

IGBT柵極驅(qū)動器通常分為數(shù)字電路柵極驅(qū)動器和模擬電路柵極驅(qū)動器兩種。本文介紹一種模擬電路柵極驅(qū)動器。數(shù)字電路柵極驅(qū)動器的特點在于結(jié)構(gòu)簡單，通過集成芯片+外圍電路的模式來實現(xiàn)IGBT柵極驅(qū)動，并且可以通過軟件對驅(qū)動器輸出的曲線進行調(diào)節(jié)，例如延時時間、上升斜率、下降斜率等。模擬電路柵極驅(qū)動器通過分立元件、比較器、運算放大器等元器件搭建驅(qū)動電路，集成度要低于數(shù)字電路柵極驅(qū)動器，但模擬電路柵極驅(qū)動器的優(yōu)勢在于成本低，靈活性高，抗干擾和抗沖擊能力強，適用于復雜電磁環(huán)境下的大功率IGBT驅(qū)動控制，能夠根據(jù)具體的應用環(huán)境進行調(diào)整。而數(shù)字電路則受限于驅(qū)動芯片的性能，則無法進行靈活的調(diào)整，主要應用于工頻條件下工作的設備。

1 IGBT柵極驅(qū)動器原理圖

如下圖所示本IGBT柵極驅(qū)動器為模擬電路柵極驅(qū)動器，通過三極管和阻容元件構(gòu)建成IGBT柵極驅(qū)動電路。左側(cè)為輸入的PWM控制信號，右側(cè)與受控IGBT的柵極引腳G、E相連接。將PWM控制信號進行功率放大，并對輸出信號進行速率調(diào)節(jié)。使PWM控制信號滿足逆變器對IGBT開關(guān)速率的要求，進而保障了逆變器的整體工作性能，及穩(wěn)定性和可靠性。

2 工作原理介紹

本IGBT柵極驅(qū)動器主要包括PWM信號接收電路，達林頓電路、一級放大電路，二級放大電路，輸出電路。

本IGBT柵極驅(qū)動器采用±15 V、+5 V和GND（0 V）電源供電。PWM輸入信號為5 V/0 V電平。輸出為±15 V IGBT柵極驅(qū)動信號。

2.1 PWM信號接收電路

PWM信號接收電路接收5 V/0 V輸入的PWM驅(qū)動信號，并將驅(qū)動信號通過三極管Q4反相，以驅(qū)動三極管Q9動作。Q9的輸出控制達林頓電路和一級放大電路動作。

通過PWM信號接收電路能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓小功率信號的接收和采集，經(jīng)過接收電路的初步處理后，轉(zhuǎn)換為達林頓電路和一級放大電路所需的控制信號。實現(xiàn)對上位機PWM控制信號的接收和調(diào)理，信號的電平等級由5 V/0 V，調(diào)整為±15 V。調(diào)整電路的參數(shù)，能夠適配不同上位機輸出PWM控制信號，因此該部分電路具有廣泛的靈活性和適應性。

2.2 達林頓電路

達林頓電路接收PWM信號接收電路的控制信號，設計達林頓電路的目的在于提高驅(qū)動器的反應速度，降低驅(qū)動器的信號傳輸延時。

達林頓電路由三極管Q1和三極管Q3組成。當三極管Q9關(guān)閉時，達林頓電路Q1和Q3導通，加速一級放大電路的場效應管Q2關(guān)閉，同時使場效應管Q8導通。通過達林頓電路能夠?qū)⑤斎氲腜WM控制信號和輸出的驅(qū)動信號間的延時降低到50ns以內(nèi)。因此，本IGBT柵極驅(qū)動器能夠適應高頻率載波的要求，適用于高頻IGBT控制。

2.3 一級放大電路

一級放大電路主要由場效應管Q2和場效應管Q8組成。通過一級放大電路，對PWM控制信號進行功率放大。場效應管Q2和場效應管Q8構(gòu)成推挽電路結(jié)構(gòu)，輸出信號為±15 V。

通過一級放大電路，對PWM控制信號進行初步功率放大。使PWM控制信號的功率達到驅(qū)動二級放大電路的要求。此外一級放大電路，還能夠?qū)GBT柵極驅(qū)動器的輸出波形進行初步的速率調(diào)節(jié)，并且能夠分別調(diào)節(jié)IGBT柵極驅(qū)動器輸出波形的上升速率和下降速率，因此具有較高的靈活性。

2.4 二級放大電路

二級放大電路主要由功率三極管Q5、Q6、Q7和功率三極管Q10、Q11、Q12組成。通過二級放大電路，對PWM控制信號進行二次功率放大。功率三極管Q5、Q6、Q7和功率三極管Q10、Q11、Q12構(gòu)成推挽電路結(jié)構(gòu)，輸出信號為±15 V。當一級放大電路輸出為+15 V時，功率三極管Q5、Q6、Q7導通，驅(qū)動器輸出+15 V驅(qū)動信號。當一級放大電路輸出為-15 V時，功率三極管Q5、Q6、Q7導通，驅(qū)動器輸出-15 V驅(qū)動信號。

通過三個功率三極管的并聯(lián)，進一步增強IGBT柵極驅(qū)動器的驅(qū)動能力，以滿足不同型號IGBT驅(qū)動的要求，進一步提高驅(qū)動器的適用性。

2.5 輸出電路

輸出電路主要有限流電阻和二極管組成。開通限流電阻為R4、R5、R16、R20、R21、R24，關(guān)斷限流電阻為R4、R5、R16、R20、R21、R24、R7、R9、R13。通過二極管D1和D6調(diào)整限流電阻的個數(shù)，進而調(diào)整IGBT柵極驅(qū)動器的輸出波形的上升速率和下降速率。通過多電阻并聯(lián)的形式，可以滿足驅(qū)動不同型號IGBT柵極的功率需求。

當二級放大電路輸出+15 V 時，開通限流電阻R4、R5、R16、R20、R21、R24工作，電流流經(jīng)開通限流電阻后，到達IGBT柵極G E端子，此時IGBT柵極G E端子的電壓為+15 V，驅(qū)動IGBT開通。當二級放大電路輸出-15 V時，開通限流電阻R4、R5、R16、R20、R21、R24、R7、R9、R13工作，電流流經(jīng)關(guān)斷限流電阻后，到達IGBT柵極G E端子，此時IGBT柵極G E端子的電壓為-15 V，驅(qū)動IGBT關(guān)斷。

3 結(jié)束語

隨著絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的廣泛應用，對于IGBT柵極驅(qū)動器的性能也提出了更高的要求。

本文論述IGBT柵極驅(qū)動器能夠通過對器件參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)對驅(qū)動器輸出波形的調(diào)節(jié)。既可以調(diào)節(jié)驅(qū)動器信號的延時，也可以調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出波形的上升速率和下降速率。本IGBT柵極驅(qū)動器能夠適應不同的PWM驅(qū)動信號電平等級，以及不同型號的IGBT柵極驅(qū)動要求，具有巨大的實用價值。

參考文獻：

[1]張興.PWM整流器及其控制[M].機械工業(yè)出版社，2012.

[2]張國俊.IGBT發(fā)展情況及特點分析[J].微處理機，2003（06）.