王學(xué)倫 竇康樂 嚴仲明 王豫

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川成都 610031)

0 引言

IGBT結(jié)合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，即具有開關(guān)頻率高，驅(qū)動電路簡單，熱溫度性能好的特點，又具有高的阻斷電壓，低的飽和壓降，特別適合中高頻，中大功率的應(yīng)用［1～2］。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對IGBT的控制提出了更高的要求。如感應(yīng)疊加脈沖發(fā)生器中由于分布電容的影響，脈沖電壓會產(chǎn)生過沖，通過單元間精確延時觸發(fā)則可有效防止過沖［3］;又如現(xiàn)代脈沖功率系統(tǒng)中，即使選用最大容量的IGBT還可能不滿足通流要求，必須用IGBT并聯(lián)來增加通流能力。IGBT并聯(lián)使用時，會產(chǎn)生動態(tài)不均流問題，并聯(lián)器件的導(dǎo)通時序不一致正是導(dǎo)致此問題的原因之一。為解決此問題，觀察IGBT開關(guān)時間不一致時器件過流情況，需要高精度時序觸發(fā)系統(tǒng)。針對高精度時序要求的應(yīng)用，本文設(shè)計一個觸發(fā)系統(tǒng)，能使IGBT驅(qū)動在精確時間里導(dǎo)通，滿足對IGBT高精度控制的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，該觸發(fā)系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器，電氣隔離和IGBT驅(qū)動三部分組成。信號發(fā)生部分基于FPGA平臺實現(xiàn)，由FPGA主芯片和必要的外設(shè)組成，包括一個負責(zé)輸入延時數(shù)據(jù)的4×2行列式矩陣鍵盤;三個負責(zé)顯示延時信息的共陽極七段數(shù)碼管;存儲FPGA配置信息的芯片EPCS1，電源處理芯片，復(fù)位芯片，40M晶振，JTAG接口和AS接口［4］。電氣隔離部分采用高速光耦TLP521－2，保證FPGA與IGBT驅(qū)動之間不會產(chǎn)生干擾。IGBT驅(qū)動部分由以2SD315AL－33為核心的自制PCB板構(gòu)成，雙絞線導(dǎo)出驅(qū)動端口。系統(tǒng)工作過程為:通過鍵盤把延時信息輸入FPGA芯片，觸發(fā)FPGA內(nèi)部時序程序，同時驅(qū)動七段數(shù)碼管顯示相應(yīng)延時信息。產(chǎn)生信號輸出，經(jīng)過光耦隔離后IGBT驅(qū)動動作，精確控制IGBT的導(dǎo)通時序。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖

2 信號發(fā)生器的設(shè)計

信號發(fā)生器的主要作用是產(chǎn)生時序的脈沖波形，給IGBT驅(qū)動精確的觸發(fā)信號?？刂菩酒x用Altera公司Cyclone系列FPGA。由人機交互、控制信號產(chǎn)生和數(shù)據(jù)顯示三個模塊組成。信號發(fā)生器根據(jù)人機交互模塊產(chǎn)生的位置信號觸發(fā)控制信號產(chǎn)生模塊動作，并同時將相應(yīng)的延時信息顯示在七段管上，控制IGBT驅(qū)動的動作。信號發(fā)生器的頂層模塊如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的頂層模塊

2.1 人機交互部分

由一個4×2行列式矩陣鍵盤驅(qū)動和七段數(shù)碼管顯示驅(qū)動組成，鍵盤中的 8 個鍵分別定義為產(chǎn)生 0ns、500ns、1μs、5μs、10μs、20μs、40μs、80μs延時。按鍵的識別過程如下:采用行掃描法，首先判斷有無鍵按下，先將全部的行線置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下;所有列線為高，則鍵盤中無鍵按下。其次判斷閉合鍵所在位置，依次將行線置低，在確定某根行線為低電平之后，在逐行檢測各列線電平狀態(tài)，若某列為低，則行列交叉處即是按鍵的位置。編程時采用Verilog語言，對掃描信號分頻之后，用狀態(tài)機判斷按鍵位置(圖3)，并把按鍵位置信息分別送到控制信號產(chǎn)生部分。

圖3 鍵盤程序狀態(tài)機

2.2 控制信號產(chǎn)生部分

該部分輸入為鍵盤位置信息，并根據(jù)鍵盤的信息產(chǎn)生6路不同時序的觸發(fā)信號作為光耦的輸入。首先Delay_time模塊中Kbval一直等待鍵盤輸入的信息，當無按鍵按下時，系統(tǒng)輸出低電平信號，保證IGBT驅(qū)動的關(guān)斷狀態(tài);按鍵按下后，按鍵的位置信息編碼為控制模塊的輸入值，控制模塊把該值與存放在FPGA寄存器中的信息作比較，如果輸入值與寄存器的值不相等，則繼續(xù)輸出低電平信號，保證IGBT驅(qū)動不會被誤觸發(fā);如果輸入值與寄存器的值相等，則進一步判斷輸入值與幾號寄存器相等，判斷出寄存器位置后，根據(jù)寄存器信息使計數(shù)器開始計數(shù)并確定計數(shù)終止值，隨即產(chǎn)生相應(yīng)的延時，其中一路信號在判斷寄存器相等后即觸發(fā)為高電平，另一路信號在計數(shù)結(jié)束后觸發(fā)為高電平。6路觸發(fā)信號延時500ns時仿真如圖4所示:

圖4 延時500ns的Modelsim仿真結(jié)果

Kbval表示由鍵盤輸入的按鍵信息;Clk是周期為25ns的系統(tǒng)時鐘;Rst_n是系統(tǒng)同步復(fù)位的信號;Counten和FlagN是兩個內(nèi)部狀態(tài)信號，用于觀察調(diào)試控制系統(tǒng);SW1－SW6系統(tǒng)輸出的時序信號。從仿真結(jié)果可以看出:復(fù)位高電平狀態(tài)下，只要檢測到鍵盤輸入信號，SW1就導(dǎo)通產(chǎn)生觸發(fā)信號，導(dǎo)通IGBT驅(qū)動;在經(jīng)過500ns后，SW2導(dǎo)通產(chǎn)生觸發(fā)信號，導(dǎo)通另一路IGBT驅(qū)動，以此類推?？梢钥闯鱿到y(tǒng)運行精確可靠，達到了信號發(fā)生器精確信號輸出的要求。

3 電氣隔離部分

信號發(fā)生器中FPGA電壓為3.3V，而大功率IGBT通過的電壓高達數(shù)千伏，驅(qū)動板上的電壓也遠高于信號發(fā)生器運行電壓，如果未采取有效的措施保護，信號發(fā)生器會受到IGBT上感應(yīng)電壓和電流的干擾，甚至?xí)龤PGA芯片。為使系統(tǒng)可靠工作，在IGBT驅(qū)動與信號發(fā)生器之間加入了光耦隔離，使觸發(fā)信號通過光信號隔離后傳遞到IGBT驅(qū)動端，保證強弱電系統(tǒng)之間沒有直接的電接觸，保證系統(tǒng)安全可靠運行。本系統(tǒng)使用高速光耦TLP521－2，電路圖如圖5所示。

圖5 TLP521－2連接電路圖

4 IGBT驅(qū)動部分

IGBT驅(qū)動是以瑞士CONCEPT公司推出的集成驅(qū)動模塊2SD315AI－33為核心制作的。2SD315AI－33是專為3 300V高壓IGBT安全運行所設(shè)計的，具有集成度、隔離電壓高，驅(qū)動功率大等特點［5～6］?？晒ぷ髟诎霕蚰Ｊ交蛑苯幽Ｊ较?，只需要在芯片外圍搭接少量電路即可工作。根據(jù)整個系統(tǒng)的要求，在InA有信號輸入時，Ca、Ga、Ea產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動信號，采用的工作模式是直接模式。此模式下，各路IGBT獨立的工作，當有驅(qū)動信號輸入時，相應(yīng)的IGBT驅(qū)動端口開始工作;也可用于已產(chǎn)生死區(qū)時間的PWM信號的驅(qū)動。外圍電路如圖6所示:

圖6 IGBT驅(qū)動芯片應(yīng)用電路

引腳MOD接15V，引腳RC1、RC2接GND，引腳VL通過上拉電阻接VDC，驅(qū)動芯片的信號輸入端是InA和InB。柵極電阻Rg選用6.8Ω/5W，參考電阻R3為39KΩ，D1選用1N4007，D2選用1N4774，電容C1為100uF鋁電解電容，C2為15nf獨石電容，D3選用1N4732。R1、R2、R4 別為3KΩ、180Ω、4.7 KΩ。根據(jù)圖6 中的器件型號及要求，制作出以2SD315AI－33為核心的IGBT驅(qū)動工作電路。

4.1 布局布線中注意的問題

在電路的PCB設(shè)計中布局布線是最重要的環(huán)節(jié)，是整個印刷電路板制作中最耗時最難的部分，將直接影響電路板質(zhì)量的優(yōu)劣。驅(qū)動芯片本身的價格較高，而制作兩層板的費用相對較低，但不可以在PCB板上制作一個插接口直接把2SD315AI－33插到兩層板上，因為如果插槽間觸點間距過小，IGBT關(guān)斷時的高壓就可能感應(yīng)到觸點上燒毀驅(qū)動芯片。制測試板時，很多情況下是需要從驅(qū)動板上引出驅(qū)動線，而不是直接把驅(qū)動板安裝到IGBT上。當向外引出驅(qū)動線時，切忌為了接線直觀，把G、E、C三極制作到一起，三個極之間要有一定距離。本系統(tǒng)中就曾因為G、E、C三極距離過近，在實驗電流到100A時，產(chǎn)生打火現(xiàn)象，嚴重?zé)g了PCB板上的導(dǎo)線。此電路中有2個功率電阻，為發(fā)熱單元，本應(yīng)與其他器件保持距離，但電路要求其距離2SD315AI－33集成芯片較近，此時應(yīng)處理好功率單元與集成芯片間的距離關(guān)系，防止產(chǎn)生的熱影響芯片的工作。最后在保證質(zhì)量和可靠性的同時，兼顧整體美觀，進行合理的電路板規(guī)劃，元器件應(yīng)平行或垂直板面，并在板上盡量分布均勻，以便于焊接和檢查錯誤［7］。布線時保證電路板一面平行布線，一面垂直布線的原則，以減少電壓、電流突變時耦合干擾。

4.2 制板遵守原則

(1)驅(qū)動器輸出 G1(44、43腳)、G2(31、32腳)到 IGBT柵極電阻Rg之間的引線要盡可能短。

(2)由于驅(qū)動器的柵極驅(qū)動的輸出和關(guān)斷采用同一端子。為減少關(guān)斷時IGBT集電極的電壓過沖，可把柵極電阻分成2個電阻串聯(lián)。開通時柵極電阻為R1，關(guān)斷時柵極電阻為R1+R2［5］。

(3)PCB板導(dǎo)線間距離不能過近，否則IGBT的開通和關(guān)斷會使它們之間的電位發(fā)生改變，影響系統(tǒng)的動作。

(4)安裝時，應(yīng)把制作好的PCB板直接用螺絲擰在IGBT上。

(5)由于工藝上的原因，引腳LS1和LS2對干擾十分敏感。因此，應(yīng)該把二極管接到緊靠這兩個引腳的地方［5］。

5 試驗結(jié)果分析

由于示波器采集通道的限制，只選取2路信號進行比較。FPGA觸發(fā)系統(tǒng)輸出的波形如圖7所示，通過鍵盤向系統(tǒng)輸入延時數(shù)據(jù)5us，通道1表示Switch1端口輸出信號，通道2表示Switch2端口輸出信號，其信號為低電平0V、高電平3.3V。通道1的觸發(fā)信號比通道2的觸發(fā)信號提前5us，此延時是相當精確的。IGBT驅(qū)動的輸出信號如圖8所示，通道1、2的意義與FPGA觸發(fā)系統(tǒng)相同，其信號為低電平－15V、高電平+15V，滿足觸發(fā)IGBT的要求。通道1的觸發(fā)信號比通道2的信號提前大約6us，IGBT的觸發(fā)信號經(jīng)過光耦后，由于光耦器件規(guī)格的離散性，輸出的波形略微畸變，導(dǎo)致IGBT驅(qū)動觸發(fā)信號時序與FPGA觸發(fā)信號時序有略微不同。在500ns的延時中，IGBT驅(qū)動實際延時約為1.4μs。

6 結(jié)論

根據(jù)IGBT高精度觸發(fā)的需要，結(jié)合了FPGA靈活的編程方式，簡單易用的集成開發(fā)環(huán)境，設(shè)計了一個IGBT觸發(fā)系統(tǒng)。采用FPGA作為控制器件，提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率;FPGA高精度和抗干擾的的特點，進一步保證了IGBT開通時間，滿足了高精度的要求，并且方便在此基礎(chǔ)上做進一步的功能擴展。在高精度控制高壓大功率IGBT方面，此設(shè)計具有一定的實用性。

［1］ 王建民，閆強華，董亮等.大功率IGBT模塊并聯(lián)動態(tài)均流研究［J］.電氣自動化，2010，30(2):10－12.

［2］ 孫強，王雪茹，曹躍龍.大功率IGBT模塊并聯(lián)均流問題研究［J］.電力電子技術(shù)，2004，38(1):4－6.

［3］ 劉超，尚雷，郭亮，等.采用FPGA的多路高壓IGBT驅(qū)動觸發(fā)器研制［J］.高壓電技術(shù)，2009，35(2):350－354.

［4］ 于楓，張麗英，廖宗建.ALTERA可編程邏輯器件應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［5］ 姜奮平，尹向陽，張黎.大功率IGBT驅(qū)動器2SD315A的分析與測試［J］.變頻器世界，2009，3:51－53.

［6］ 張昱，邢鵬.大功率IGBT驅(qū)動模塊2SD315的應(yīng)用關(guān)鍵問題分析［J］.電子元器件應(yīng)用，2008，10(10):36－41.