具有故障存儲(chǔ)功能的數(shù)字化IGBT驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)軌道交通領(lǐng)域IGBT的使用要求，設(shè)計(jì)了一款基于可編程邏輯器件并具有故障存儲(chǔ)功能的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器。文章介紹了驅(qū)動(dòng)器總體方案，設(shè)計(jì)了多電壓軌電源系統(tǒng)；分析了異常驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)IGBT正常工作的危害，并通過(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)了短脈沖抑制與超頻保護(hù)；電源欠壓會(huì)導(dǎo)致IGBT開關(guān)異常，使用欠壓檢測(cè)芯片進(jìn)行檢測(cè)并在發(fā)生欠壓故障時(shí)進(jìn)行脈沖封鎖；針對(duì)短路故障，使用退飽和電路檢測(cè)并結(jié)合軟件時(shí)序進(jìn)行保護(hù)；詳細(xì)分析了IGBT開關(guān)過(guò)程各階段的不同特性，設(shè)計(jì)了可優(yōu)化開關(guān)性能的多等級(jí)開關(guān)電路；通過(guò)存儲(chǔ)芯片與可編程邏輯器件的SPI通信，在發(fā)生故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)信號(hào)波形的存儲(chǔ)。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器可顯著改善 IGBT的開關(guān)性能，并能準(zhǔn)確存儲(chǔ)故障信息。

關(guān)鍵詞：存儲(chǔ)；數(shù)字化；IGBT；驅(qū)動(dòng)器

大功率絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）在軌道交通牽引變流器、輔助變流器、充電機(jī)等核心設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

IGBT 驅(qū)動(dòng)器是控制裝置與 IGBT 模塊之間的橋梁，決定著 IGBT 能否正常、安全、可靠的工作，是執(zhí)行控制算法的關(guān)鍵部 件。為了實(shí)現(xiàn)對(duì) IGBT 更加精準(zhǔn)、智能的控制以提高系統(tǒng)的效率以及可靠性，帶有可編程邏輯器件的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器已得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。IGBT 部件的可靠性嚴(yán)重影響著車輛的運(yùn)行秩序。變流器中 IGBT 故障后車輛只能通過(guò)切除部分動(dòng)力或部分負(fù)載來(lái)維持運(yùn)用，嚴(yán)重影響車輛運(yùn)行與乘客乘坐。目前的 IGBT 驅(qū)動(dòng)器雖然具有故障檢測(cè)保護(hù)與故障反饋功能，但通過(guò)故障反饋卻無(wú)法甄別故障類型，亦不能指示 IGBT 故障前后驅(qū)動(dòng)器各部分信號(hào)或邏輯，造成故障的根本原因很難分析。因此，有必要設(shè)計(jì)帶有故障存儲(chǔ)功能的 IGBT 驅(qū)動(dòng)器，為故障的定位與分析提供有利的數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器總體方案設(shè)計(jì)

數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器以可編程邏輯器件為核心，包括電源系統(tǒng)、信號(hào)處理與故障保護(hù)系統(tǒng)、門極開關(guān)電路以及故障存儲(chǔ)等組成。其整體設(shè)計(jì)方案如圖 1 所示。

外部直流電壓經(jīng)高頻變壓器隔離轉(zhuǎn)換成供可編程邏輯器件、光纖信號(hào)系統(tǒng)、門極驅(qū)動(dòng)電路等使用的電壓?？删幊踢壿嬈骷榭刂浦袠校紫葘?duì)由光纖輸入的脈沖寬度調(diào)制 (pulse width modulation, PWM) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行短脈沖抑制、超頻保護(hù)等處理，之后通過(guò)門極開關(guān)矩陣對(duì) IGBT 的開通與關(guān)斷過(guò)程實(shí)施多級(jí)分段控制 ^[1,3]。Vce 電路對(duì) IGBT 開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)可編程邏輯器件控制門極開關(guān)矩陣對(duì) IGBT 實(shí)施關(guān)斷保護(hù)，并將故障信息反饋至上位機(jī)?？删幊踢壿嬈骷谡９ぷ鲿r(shí)會(huì)對(duì)欠壓檢測(cè)、短路檢測(cè)等故障檢測(cè)電路輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行信息緩存。當(dāng)發(fā)生某種故障時(shí)，可編程邏輯器件通過(guò) SPI 總線與外接的存儲(chǔ)芯片通信，將故障前后的異常信號(hào)與波形信息寫入存儲(chǔ)芯片以供故障分析使用。

2 數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器電源設(shè)計(jì)

由于采用了可編程邏輯器件，因此數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器相較于模擬化的驅(qū)動(dòng)器，其電源系統(tǒng)更加復(fù)雜，整個(gè)電源系統(tǒng)包含門極驅(qū)動(dòng)電源 ±15 V、可編程邏輯器件電源 +3.3 V 與 +1.2 V、光纖電源 +5 V。其設(shè)計(jì)方案如下圖 2：

3 數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器信號(hào)處理與故障保護(hù)

驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制著 IGBT 的開關(guān)，“純凈”或準(zhǔn)確的信號(hào)決定 IGBT 能否安全工作，因此對(duì)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行了短脈沖抑制與超頻保護(hù)。

3.1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理

3.1.1 短脈沖抑制

IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)通常由數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processing，DSP）或其他微控制器產(chǎn)生，通過(guò)電信號(hào)或者光信號(hào)傳輸至驅(qū)動(dòng)器。因軟件算法錯(cuò)誤或者信號(hào)傳輸干擾可能會(huì)造成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的暫態(tài)變化，這些較短的脈沖信號(hào)會(huì)導(dǎo)致 IGBT 異?？焖俚亻_關(guān)，容易引起短路或其他故障，同時(shí)也會(huì)對(duì)反并聯(lián)二極管造成損害，因此必須濾除。

如圖 3 所示，為了抑制短脈沖，IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào) PWM_IN 經(jīng)轉(zhuǎn)換后入可編程邏輯器件，當(dāng)出現(xiàn)電平高低狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，由軟件對(duì)轉(zhuǎn)換的電平狀態(tài)進(jìn)行計(jì)時(shí)判斷。當(dāng)電平維持時(shí)間短于軟件設(shè)定的閾值時(shí)間 t_SPS，則輸出脈沖 PWM_IN_FLT 保持轉(zhuǎn)換前的狀態(tài)不變；當(dāng)電平維持時(shí)間長(zhǎng)于設(shè)定的閾值時(shí)間，則脈沖信號(hào)輸出狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。短脈沖抑制功能可濾除較窄的開通或關(guān)斷信號(hào)。

3.1.2 超頻保護(hù)

超過(guò)設(shè)定工作頻率的開關(guān)信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致 IGBT 熱損壞，超頻保護(hù)能避免軟件錯(cuò)誤造成的嚴(yán)重后果，如圖 4 所示，數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器超頻保護(hù)閾值頻率設(shè)置為 1.3 Fsw，當(dāng)輸入的 PWM 開關(guān)信號(hào)頻率超過(guò)設(shè)置的閾值并超過(guò)三個(gè)周期后，如圖 5 所示保護(hù)時(shí)序，驅(qū)動(dòng)器會(huì)封鎖門極開關(guān)脈沖，同時(shí)將故障反饋給上位機(jī)。

3.2 故障保護(hù)

3.2.1 欠壓保護(hù)

圖 7 為欠壓保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程與時(shí)序，當(dāng)進(jìn)入電壓檢測(cè)芯片 V+ 管腳的電壓低于 2.63 V 閾值電壓 Vth 時(shí)，芯片 /REST 管腳置低，可編程邏輯芯片檢測(cè)到輸入欠壓信號(hào)變低后立即封鎖門極脈沖，同時(shí)將故障反饋給上位機(jī)；當(dāng) V+ 高于閾值電壓 Vth，且維持時(shí)間超過(guò) 200 ms 時(shí)，/REST 管腳置高。

3.2.2 短路保護(hù)

IGBT 短路是變流器模塊最嚴(yán)重故障，因此短路保護(hù)也是驅(qū)動(dòng)器最重要的保護(hù)功能 ^[4]。圖 8 為二極管式退飽和檢測(cè)電路，依靠檢測(cè) IGBT 短路時(shí)的退飽和現(xiàn)象，配合軟件時(shí)序邏輯，可實(shí)現(xiàn)對(duì) SC1（開通前處于短路狀態(tài)）、SC2（導(dǎo)通過(guò)程中短路）兩種類型短路的可靠保護(hù)。

圖8 退飽和檢測(cè)電路

二極管式退飽和檢測(cè)電路工作原理：

（3）當(dāng) IGBT 發(fā)生短路時(shí)，集電極電流快速上升，Vce 電壓會(huì)快速退飽和返回至母線電壓，此時(shí) Vce 電壓 會(huì)使二極管 D1~Dn 反向截至，比較器輸出為高，待短路檢測(cè)倒計(jì)時(shí)結(jié)束會(huì)立即報(bào)出短路故障。此后，可編程邏輯器件會(huì)封鎖脈沖，為 IGBT 施加軟關(guān)斷，并將故障情況反饋至上位機(jī)。

4 數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器門極開關(guān)控制

大部分 IGBT 驅(qū)動(dòng)器使用單電阻或兩電阻對(duì) IGBT 的開通與關(guān)斷進(jìn)行控制，最終的取值是在開關(guān)延遲、開關(guān)損耗、電磁干擾、關(guān)斷過(guò)電壓等因素綜合限制下折中取得。事實(shí)上，IGBT 模塊在開通或關(guān)斷中呈現(xiàn)階段性特性，每個(gè)階段對(duì)門極電阻值都有特定要求。

使用可編程邏輯器件選擇在開通或關(guān)斷的不同階段投入最優(yōu)阻值的門極電阻，可大大優(yōu)化 IGBT 模塊的開關(guān)性能。如圖 9 所示，門極開關(guān)矩陣由 MOSFET 組成，T1-Tn 是負(fù)責(zé)開通的 MOSFET，而 B1-Bn 是負(fù)責(zé)關(guān)斷的 MOSFET。開通門極電阻可由 Ron1~Ronn 任意組合并聯(lián)取得，同樣關(guān)斷門極電阻可由 Roff1~Roffn 任意組合并聯(lián)取得，因此開通或關(guān)斷都可以獲得 2ⁿ ? 1種門極電阻取值。

圖 10 為 IGBT 模塊的開通和關(guān)斷過(guò)程 ^[2]，門極驅(qū)動(dòng) 電阻多等級(jí)切換工作原理如下：開通過(guò)程：T0~T1：驅(qū)動(dòng)器接收到 PWM 開通信號(hào)，開關(guān)矩陣切換至開通時(shí)序。此時(shí)間段為 IGBT 的開通延遲階段，IGBT 集電極與發(fā)射極間電壓 Vce 及 IGBT 集電極電流 I_C 無(wú)變化，因此在該階段投入最小阻值（Ron1||Ron2||...Ronn）的開通電阻，使 IGBT 門極與發(fā)射極間電壓 V_ge 快速上升至開通閾值 V_ge,th，縮短開通延遲時(shí)間；

T4~T5：T4 時(shí)刻 IGBT 已經(jīng)完全開通，使用最小門極開通電阻維持開通狀態(tài)

關(guān)斷過(guò)程：

T5~T6：T5 時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)器接收到 PWM 關(guān)斷信號(hào)，即刻進(jìn)入關(guān)斷時(shí)序。投入最小的關(guān)斷電阻（Roff1||Roff2||...Roffn）， 使門極電壓快速降至米勒平臺(tái)，減小開通延時(shí)；

T9-：IGBT 進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，使用最小關(guān)斷電阻保持。

5 數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器故障存儲(chǔ)

大部分驅(qū)動(dòng)器在 IGBT 發(fā)生故障時(shí)通過(guò)反饋信號(hào)與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速保護(hù)。但這種方式無(wú)法甄別故障類型、不能指示重要節(jié)點(diǎn)信號(hào)（輸入 PWM、輸出反饋等）發(fā)生故障時(shí)刻的狀態(tài)、不能在 IGBT 或驅(qū)動(dòng)器發(fā)生特別嚴(yán)重故障（IGBT 燒損、驅(qū)動(dòng)器燒損斷電等）時(shí)記錄最初狀態(tài)，因此雖然報(bào)告了故障，但分析原因時(shí)仍然非常困難。

因此本設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)器上添加了高速存儲(chǔ)芯片，通過(guò) SPI 總線與可編程邏輯器件連接 ^[5]，圖 11 為數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器故障存儲(chǔ)電路。當(dāng)故障觸發(fā)時(shí)，可編程邏輯器件將故障位及其他數(shù)據(jù)信息快速寫入高速存儲(chǔ)芯片。之后，上位機(jī)電腦通過(guò)串口通訊線與可編程邏輯器件連接，通過(guò)可編程邏輯器件讀取，將高速存儲(chǔ)芯片上記錄的故障信息發(fā)送至上位機(jī)電腦進(jìn)行分析。

正常工作時(shí)，可編程邏輯芯片連續(xù)采樣故障檢測(cè)電路及節(jié)點(diǎn)信號(hào)，并在芯片內(nèi) RAM 進(jìn)行緩存，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可編程邏輯芯片立即向存儲(chǔ)芯片發(fā)送請(qǐng)求存儲(chǔ)指令，將故障前后 2 ms 時(shí)長(zhǎng)的采樣到的數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲(chǔ)芯片進(jìn)行記錄。表 1 為需要存儲(chǔ)的故障與節(jié)點(diǎn)信號(hào)：

6 試驗(yàn)

6.1 開關(guān)測(cè)試

使用地鐵高頻輔助變流器 DC/DC 模塊作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行雙脈沖試驗(yàn)，測(cè)試條件為：IGBT 型號(hào) FF400R17KE4，母線電壓 Udc = 1 300 V，負(fù)載電流I = 200 A，電感負(fù)載 L = 400 μH，脈沖寬度為 Ton = 60 μs。

圖12為傳統(tǒng)單電阻驅(qū)動(dòng)器高壓開關(guān)時(shí)的測(cè)試波形，圖13為本文設(shè)計(jì)的多電阻驅(qū)動(dòng)器高壓開關(guān)的測(cè)試波形。

通過(guò)表 2 測(cè)試參數(shù)對(duì)比，門極電路采用多等級(jí)電阻開關(guān)控制顯著縮短了開通與關(guān)斷延遲時(shí)間，其中關(guān)斷延遲大幅縮短 46%。通過(guò)降低電流關(guān)斷的速度，使雜散電感引起的關(guān)斷過(guò)電壓減小約 50 V?？傮w來(lái)看，因影響損耗的參數(shù)得到了優(yōu)化，使得開通損耗減小 60%，而關(guān)斷損耗則減少了近 59%，這將降低 IGBT 運(yùn)行時(shí)的溫升，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命。多等級(jí)控制電路明顯優(yōu)化了 IGBT 的開關(guān)性能。

6.2 故障存儲(chǔ)測(cè)試

6.2.1 超頻保護(hù)

使用波形發(fā)生器生成超過(guò)設(shè)定頻率的 PWM 波形輸入驅(qū)動(dòng)器以模擬故障。從圖 14 示波器測(cè)量到的真實(shí)波形可以看出，當(dāng)輸入的超頻 PWM 信號(hào)超過(guò) 3 個(gè)周期時(shí)，門極輸出 Vge 被軟件封鎖，IGBT 被關(guān)斷，不再執(zhí)行輸入脈沖動(dòng)作，同時(shí)反饋置低向上位機(jī)報(bào)告了故障，實(shí)現(xiàn)了超頻保護(hù)。圖 15 為故障存儲(chǔ)芯片在超頻故障觸發(fā)時(shí)存儲(chǔ)到的各節(jié)點(diǎn)信號(hào)，與示波器測(cè)試到的波形信息相同，體現(xiàn)了故障存儲(chǔ)功能的準(zhǔn)確有效。另外，標(biāo)志位也指出了故障的類型，為原因分析提供了有力證據(jù)。

6.2.2 短路保護(hù)

將驅(qū)動(dòng)器裝在功率模塊上，并對(duì) IGBT 做短路連接。圖 16 為示波器測(cè)量到的驅(qū)動(dòng)器上的真實(shí)波形式，可以看出當(dāng)輸入脈沖超過(guò)設(shè)置的短路檢測(cè)時(shí)間（約 8 μs）時(shí)，退飽和電路檢測(cè)到了短路，軟件立即封鎖 Vge 脈沖，關(guān)斷 IGBT，同時(shí)向上位機(jī)反饋了故障，實(shí)現(xiàn)了對(duì) IGBT的短路保護(hù)。圖 17 為芯片存儲(chǔ)解析后的波形，與實(shí)際短路保護(hù)時(shí)的波形時(shí)序相同，反映了存儲(chǔ)功能準(zhǔn)確有效。

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)軌道交通系統(tǒng)中 IGBT 的使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯器件的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器。測(cè)試表明，由可編程邏輯器件控制的可變電阻的多級(jí)門極開關(guān)電路可有效減小開關(guān)損耗，優(yōu)化了 IGBT 開關(guān)性能。另外，創(chuàng)新性的加入了故障高速存儲(chǔ)功能，可為系統(tǒng)故障分析提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 福爾克,郝康普.IGBT模塊:技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用[M].韓金剛,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.

[2] LOBSIGER Y, KOLAR J W.Closed-Loop di/dt and dv/dt IGBT Gate Driver[J].IEEE Transactions on power electronics, 2015,30(6):3402-3417.

[3] 楊媛,文陽(yáng).大功率IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2018.

[4] CHOKHAWALA R, CATT J, KIRALY L. A discussion onIGBT short-circuit behavior and fault protection schemes[J]. IEEE Transactions on industry applications,1995,31(2):256-263.

[5] 徐文波, 田耘. Xilinx FPGA 開發(fā)實(shí)用教程[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2012.

（注：本文轉(zhuǎn)自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）