楊春宇 鄭松

關(guān)鍵詞：存儲;數(shù)字化;IGBT;驅(qū)動器

大功率絕緣柵雙極型晶體管（insulatedgatebipolartransistor，IGBT）在軌道交通牽引變流器、輔助變流器、充電機等核心設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。IGBT驅(qū)動器是控制裝置與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。為了實現(xiàn)對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)動器已得到了越來越多的應(yīng)用。

IGBT部件的可靠性嚴(yán)重影響著車輛的運行秩序。變流器中IGBT故障后車輛只能通過切除部分動力或部分負(fù)載來維持運用，嚴(yán)重影響車輛運行與乘客乘坐。目前的IGBT驅(qū)動器雖然具有故障檢測保護與故障反饋功能，但通過故障反饋卻無法甄別故障類型，亦不能指示IGBT故障前后驅(qū)動器各部分信號或邏輯，造成故障的根本原因很難分析。因此，有必要設(shè)計帶有故障存儲功能的IGBT驅(qū)動器，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)動器總體方案設(shè)計

數(shù)字化驅(qū)動器以可編程邏輯器件為核心，包括電源系統(tǒng)、信號處理與故障保護系統(tǒng)、門極開關(guān)電路以及故障存儲等組成。其整體設(shè)計方案如圖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、光纖信號系統(tǒng)、門極驅(qū)動電路等使用的電壓?？删幊踢壿嬈骷榭刂浦袠?，首先對由光纖輸入的脈沖寬度調(diào)制（pulsewidthmodulation，PWM）驅(qū)動信號進行短脈沖抑制、超頻保護等處理，之后通過門極開關(guān)矩陣對IGBT的開通與關(guān)斷過程實施多級分段控制[1][3]。Vce電路對IGBT開關(guān)狀態(tài)進行檢測，當(dāng)發(fā)生短路時可編程邏輯器件控制門極開關(guān)矩陣對IGBT實施關(guān)斷保護，并將故障信息反饋至上位機?？删幊踢壿嬈骷谡９ぷ鲿r會對欠壓檢測、短路檢測等故障檢測電路輸出狀態(tài)進行實時采集并進行信息緩存。當(dāng)發(fā)生某種故障時，可編程邏輯器件通過SPI總線與外接的存儲芯片通信，將故障前后的異常信號與波形信息寫入存儲芯片以供故障分析使用。

2數(shù)字化驅(qū)動器電源設(shè)計

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

3數(shù)字化驅(qū)動器信號處理與故障保護

驅(qū)動信號控制著IGBT的開關(guān)，“純凈”或準(zhǔn)確的信號決定IGBT能否安全工作，因此對進入驅(qū)動器的開關(guān)信號進行了短脈沖抑制與超頻保護。

3.1驅(qū)動信號處理

3.1.1短脈沖抑制

IGBT驅(qū)動信號通常由數(shù)字信號處理（digitalsignalprocessing，DSP）或其他微控制器產(chǎn)生，通過電信號或者光信號傳輸至驅(qū)動器。因軟件算法錯誤或者信號傳輸干擾可能會造成驅(qū)動信號的暫態(tài)變化，這些較短的脈沖信號會導(dǎo)致IGBT異常快速地開關(guān)，容易引起短路或其他故障，同時也會對反并聯(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)動信號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，由軟件對轉(zhuǎn)換的電平狀態(tài)進行計時判斷。當(dāng)電平維持時間短于軟件設(shè)定的閾值時間tSPS，則輸出脈沖PWM_IN_FLT保持轉(zhuǎn)換前的狀態(tài)不變;當(dāng)電平維持時間長于設(shè)定的閾值時間，則脈沖信號輸出狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換。短脈沖抑制功能可濾除較窄的開通或關(guān)斷信號。

3.1.2超頻保護

超過設(shè)定工作頻率的開關(guān)信號可能會導(dǎo)致IGBT熱損壞，超頻保護能避免軟件錯誤造成的嚴(yán)重后果，如圖4所示，數(shù)字化驅(qū)動器超頻保護閾值頻率設(shè)置為1.3Fsw，當(dāng)輸入的PWM開關(guān)信號頻率超過設(shè)置的閾值并超過三個周期后，如圖5所示保護時序，驅(qū)動器會封鎖門極開關(guān)脈沖，同時將故障反饋給上位機。

3.2故障保護

3.2.1欠壓保護

IGBT驅(qū)動器板載隔離電源采用開環(huán)控制形式，后級電壓穩(wěn)定性較差，抗過載能力弱。當(dāng)門極驅(qū)動正電壓+VS較低時，會導(dǎo)致IGBT的開通不充分，產(chǎn)生較大損耗。當(dāng)門極驅(qū)動負(fù)電壓-VS較高時會導(dǎo)致驅(qū)動器維持關(guān)斷、抗dv/dt的能力變差。因此需要對驅(qū)動電壓的欠壓情況進行監(jiān)控。圖6為使用TI公司電壓檢測芯片的欠壓檢測電路，由于門極電壓Vs遠(yuǎn)高于檢測芯片V+端口電壓，因此使用電阻分壓的方式降低電壓后進入芯片，此時V+=V×S

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

3.2.2短路保護

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

二極管式退飽和檢測電路工作原理：

（1）當(dāng)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時，二極管D1～Dn在高壓母線作用下反向阻斷，比較器IC1A同相端電壓為Vs，大于反相端閾值電壓UVref=s×RR12R+2，比較器輸出為高。但此時軟件邏輯不檢測短路故障，因此不報短路故障;

（2）當(dāng)正常工作時，可編程程邏輯器件接收到開通信號后，軟件開始進行短路檢測倒計時，以規(guī)避正常開通耗時。IGBT開通過程中集電極與發(fā)射極電壓Vce會從母線電壓逐漸下降至Ucesat飽和壓降3V左右，此時比較器同相端電壓為Ucesat+nVF（R3<

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

4數(shù)字化驅(qū)動器門極開關(guān)控制

大部分IGBT驅(qū)動器使用單電阻或兩電阻對IGBT的開通與關(guān)斷進行控制，最終的取值是在開關(guān)延遲、開關(guān)損耗、電磁干擾、關(guān)斷過電壓等因素綜合限制下折中取得。事實上，IGBT模塊在開通或關(guān)斷中呈現(xiàn)階段性特性，每個階段對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)斷過程[2]，門極驅(qū)動電阻多等級切換工作原理如下：

開通過程：

T0～T1：驅(qū)動器接收到PWM開通信號，開關(guān)矩陣切換至開通時序。此時間段為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IC無變化，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Vge快速上升至開通閾值Vge，th，縮短開通延遲時間;

T1～T2：Vge已上升至開通閾值，IGBT電流IC開始上升，此時投入較小的門極電阻會加速電流上升的速度，但此階段同時也是反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)過程。門極電阻越小，IC上升速度越快，二極管反向恢復(fù)尖峰電流Irr越大。為了減小對反并聯(lián)二極管的電流沖擊以及減小較大di/dt造成的電磁干擾，可在此階段投入相對較大的門極開通電阻值;

T2～T3：此時IC電流已升至目標(biāo)值，開通過程進入米勒平臺階段，為了減小米勒平臺時間，加速Vce下降速度以此減少開通損耗，此時可投入較小的門極開通電阻值。但阻值的大小還要考慮dv/dt大小不會導(dǎo)致同橋臂IGBT有發(fā)生串?dāng)_導(dǎo)通的風(fēng)險;

T3～T4：T3時刻IC升至目標(biāo)值，Vce也下降至接近飽和電壓Vceast，IGBT基本導(dǎo)通。此時可投入最小的門極開通電阻，使Vge快速跳轉(zhuǎn)至門極開通終值電壓+15V，Vce快速降至飽和電壓Vceast;

T4～T5：T4時刻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)斷過程：

T5～T6：T5時刻，驅(qū)動器接收到PWM關(guān)斷信號，即刻進入關(guān)斷時序。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，減小開通延時;

T6～T7：Vge保持在米勒平臺電壓，Vce從飽和電壓Vceast快速上升至母線電壓，IC保持不變，此階段會產(chǎn)生關(guān)斷損耗，為了減小損耗，可投入較小的門極關(guān)斷電阻縮短Vce上升至母線電壓的時間;

T7～T8：Vge從米勒平臺電壓降低至閾值電壓Vge，th，IGBT處于放大區(qū)，IC隨著Vge的降低而減小。由于換流回路不可避免存在雜散電感，會產(chǎn)生較高的關(guān)斷過電壓（LS×dtdi）。此過程可投入較大的門極關(guān)斷電阻，減小電流變化率di/dt和關(guān)斷過壓尖峰;

T8～T9：Vge低于閾值電壓Vge，th，存在的拖尾電流IC不受Vge控制，由器件結(jié)構(gòu)特性決定，此時投入小的關(guān)斷電阻可使Vge快速降至關(guān)斷終值電壓-15V，進而完全關(guān)斷;

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

5數(shù)字化驅(qū)動器故障存儲

大部分驅(qū)動器在IGBT發(fā)生故障時通過反饋信號與上位機通訊，實現(xiàn)系統(tǒng)快速保護。但這種方式無法甄別故障類型、不能指示重要節(jié)點信號（輸入PWM、輸出反饋等）發(fā)生故障時刻的狀態(tài)、不能在IGBT或驅(qū)動器發(fā)生特別嚴(yán)重故障（IGBT燒損、驅(qū)動器燒損斷電等）時記錄最初狀態(tài)，因此雖然報告了故障，但分析原因時仍然非常困難。

因此本設(shè)計在驅(qū)動器上添加了高速存儲芯片，通過SPI總線與可編程邏輯器件連接[5]，圖11為數(shù)字化驅(qū)動器故障存儲電路。當(dāng)故障觸發(fā)時，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芯片。之后，上位機電腦通過串口通訊線與可編程邏輯器件連接，通過可編程邏輯器件讀取，將高速存儲芯片上記錄的故障信息發(fā)送至上位機電腦進行分析。

正常工作時，可編程邏輯芯片連續(xù)采樣故障檢測電路及節(jié)點信號，并在芯片內(nèi)RAM進行緩存，當(dāng)故障發(fā)生時，可編程邏輯芯片立即向存儲芯片發(fā)送請求存儲指令，將故障前后2ms時長的采樣到的數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲芯片進行記錄。表1為需要存儲的故障與節(jié)點信號：

6試驗

6.1開關(guān)測試

使用地鐵高頻輔助變流器DC/DC模塊作為測試對象進行雙脈沖試驗，測試條件為：IGBT型號FF400R17KE4，母線電壓Udc=1300V，負(fù)載電流I=200A，電感負(fù)載L=400μH，脈沖寬度為Ton=60μs。

通過表2測試參數(shù)對比，門極電路采用多等級電阻開關(guān)控制顯著縮短了開通與關(guān)斷延遲時間，其中關(guān)斷延遲大幅縮短46%。通過降低電流關(guān)斷的速度，使雜散電感引起的關(guān)斷過電壓減小約50V?？傮w來看，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運行時的溫升，進而延長其使用壽命。多等級控制電路明顯優(yōu)化了IGBT的開關(guān)性能。

6.2故障存儲測試

6.2.1超頻保護

使用波形發(fā)生器生成超過設(shè)定頻率的PWM波形輸入驅(qū)動器以模擬故障。從圖14示波器測量到的真實波形可以看出，當(dāng)輸入的超頻PWM信號超過3個周期時，門極輸出Vge被軟件封鎖，IGBT被關(guān)斷，不再執(zhí)行輸入脈沖動作，同時反饋置低向上位機報告了故障，實現(xiàn)了超頻保護。圖15為故障存儲芯片在超頻故障觸發(fā)時存儲到的各節(jié)點信號，與示波器測試到的波形信息相同，體現(xiàn)了故障存儲功能的準(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

將驅(qū)動器裝在功率模塊上，并對IGBT做短路連接。圖16為示波器測量到的驅(qū)動器上的真實波形式，可以看出當(dāng)輸入脈沖超過設(shè)置的短路檢測時間（約8μs）時，退飽和電路檢測到了短路，軟件立即封鎖Vge脈沖，關(guān)斷IGBT，同時向上位機反饋了故障，實現(xiàn)了對IGBT的短路保護。圖17為芯片存儲解析后的波形，與實際短路保護時的波形時序相同，反映了存儲功能準(zhǔn)確有效。

7結(jié)語

針對軌道交通系統(tǒng)中IGBT的使用特點，設(shè)計了基于可編程邏輯器件的數(shù)字化驅(qū)動器。測試表明，由可編程邏輯器件控制的可變電阻的多級門極開關(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功能，可為系統(tǒng)故障分析提供可靠依據(jù)。