楊 寧

（1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；3 動車組和機(jī)車牽引與控制國家重點實驗室，北京 100081）

功率模塊是牽引輔助變流器的核心部件，用于功率模塊的主要器件為IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）［1］。IGBT 的驅(qū)動技術(shù)是制約著功率模塊自主研制的一項關(guān)鍵技術(shù)。IGBT 驅(qū)動器作為功率電路和控制器之間的接口電路，對系統(tǒng)的損耗和可靠性有極大的影響，在整個功率傳輸變換系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。市場上大功率IGBT 驅(qū)動器種類較多，但在高電壓大功率的應(yīng)用中，由于強(qiáng)干擾、高成本、高可靠性要求等因素，需要設(shè)計專用的驅(qū)動器，確保IGBT 驅(qū)動信號的可靠性，并且滿足用于大功率機(jī)車與動車牽引控制與輔助控制的特殊需求。傳統(tǒng)的驅(qū)動保護(hù)方式全部采用模擬電路的方法，然而數(shù)字控制方式以它控制精度高，可控性強(qiáng)，便于和控制器信息交互等優(yōu)點，廣泛被使用在邏輯保護(hù)電路中［2-3］，文中正是針對高速動車組變流器大功率IGBT 數(shù)字驅(qū)動方法進(jìn)行研究。

1 驅(qū)動保護(hù)構(gòu)架

對于低功率等級的IGBT 保護(hù)，傳統(tǒng)驅(qū)動保護(hù)方案的硬件結(jié)構(gòu)多為“控制器+模擬驅(qū)動電路”的形式。IGBT 的底層保護(hù)主要通過“模擬驅(qū)動電路”完成，形式簡單，保護(hù)級別單一。對于大功率的IGBT 保護(hù)，傳統(tǒng)驅(qū)動保護(hù)方案的硬件結(jié)構(gòu)多為“控制器+模擬脈沖分配電路+模擬驅(qū)動電路”的形式。相對于低功率等級IGBT 的驅(qū)動保護(hù)方案增加了“模擬脈沖分配電路”這一環(huán)節(jié)，然而這一環(huán)節(jié)的電路一般也不具備IGBT 的保護(hù)功能。因此，傳統(tǒng)IGBT 的保護(hù)主要通過“模擬驅(qū)動電路”完成。

針對變流器大功率的IGBT 驅(qū)動保護(hù)，文中引入了“數(shù)字保護(hù)”的概念，即在脈沖分配電路和驅(qū)動電路同時使用數(shù)字控制芯片實施動態(tài)的邏輯處理和保護(hù)，即“控制器+數(shù)字脈沖分配電路+數(shù)字驅(qū)動電路”的方案，使得從控制器到驅(qū)動器形成數(shù)字化控制的統(tǒng)一體，這種方式既提高了控制策略的靈活度和響應(yīng)速度，同時又因為采用了數(shù)字芯片，通過軟件代碼加密的方式可實現(xiàn)知識產(chǎn)權(quán)的有效保護(hù)。

2 數(shù)字脈沖分配

大功率IGBT 的保護(hù)通常都具有完善的柵極脈沖信號在驅(qū)動器前端的預(yù)處理功能，其目的是從IGBT 單橋臂級保證柵極脈沖的準(zhǔn)確與可靠。而驅(qū)動器則是提供柵極功率，軟開通、軟關(guān)斷的過電壓、過電流、短路保護(hù)功能［4-5］。車載大功率變流器使用的IGBT 具有較高的工作電壓或較大的工作電流，但開關(guān)頻率相對較低。在散熱條件允許的情況下，可通過開關(guān)頻率的提升盡可能地發(fā)揮出IGBT 的最佳性能。鑒于上述特點，IGBT 在驅(qū)動器前端脈沖的預(yù)處理變得非常重要。脈沖預(yù)處理功能主要包括：

（1）驅(qū)動信號濾波處理

在大功率強(qiáng)磁場的工作條件下，驅(qū)動器在接收到控制器的柵極脈沖之后，極易受干擾，使得柵極脈沖產(chǎn)生不同程度的畸變，降低正確度。為了解決這種畸變問題，可對輸入柵極脈沖進(jìn)行數(shù)字濾波處理，包括波形的修形、波形的復(fù)原，確保電平和邏輯狀態(tài)的穩(wěn)定。

（2）驅(qū)動信號脈寬處理

鑒于大功率IGBT 對驅(qū)動脈沖的精細(xì)化要求，根據(jù)IGBT 器件的最佳開關(guān)頻率，牽引輔助控制硬件電路對柵極脈沖寬度的影響，需對脈沖的寬度進(jìn)行相應(yīng)的限制和處理。例如：依據(jù)脈沖最小脈寬進(jìn)行剔除誤開通脈沖和誤關(guān)斷脈沖；依據(jù)控制策略的特點，識別有效窄脈寬并進(jìn)行相應(yīng)的拓展，保證IGBT 有足夠的開通時間與關(guān)斷時間；這種處理不但有效地解決了IGBT 在開關(guān)過程中因為脈沖的不合理造成IGBT 損壞，而且有效地還原了控制器發(fā)出的脈沖，使控制策略得到正確的輸出。

（3）驅(qū)動信號自鎖處理

根據(jù)大功率IGBT 開關(guān)頻率相對較低的特點，為了防止高頻干擾信號或更高開關(guān)頻率導(dǎo)致IGBT的損壞，在數(shù)字脈沖分配這一環(huán)節(jié)應(yīng)對IGBT 的開通頻率和關(guān)斷頻率進(jìn)行限制，實現(xiàn)IGBT 每次開通和關(guān)斷時長的自鎖功能。這種自鎖功能同時保證了IGBT 開通的最小時長和關(guān)斷的最小時長，不會對器件造成損傷。

（4）驅(qū)動信號互鎖處理

大功率IGBT 橋臂的上下直通會對器件造成嚴(yán)重的損毀，這種直通的一個可能性原因是IGBT接收到了錯誤的直通脈沖。在數(shù)字脈沖分配這一環(huán)節(jié)加入單橋臂上下2 個IGBT 器件的柵極脈沖的互鎖功能，目的是防止2 個管子的直通現(xiàn)象產(chǎn)生，即確保同橋臂任一個IGBT 可靠關(guān)斷后，同橋臂的另一個IGBT 再可靠開通。

（5）驅(qū)動信號狀態(tài)回傳

為了讓控制器及時知曉IGBT 實際執(zhí)行的脈沖狀態(tài)，通常數(shù)字脈沖分配這一環(huán)節(jié)需設(shè)置硬線通信信號，將驅(qū)動器實際執(zhí)行脈沖信息回送給控制器。

3 數(shù)字驅(qū)動保護(hù)

數(shù)字驅(qū)動保護(hù)是驅(qū)動電路的核心。IGBT 的開通和關(guān)斷過程控制是驅(qū)動和保護(hù)的關(guān)鍵。根據(jù)IGBT 開關(guān)的瞬態(tài)分析，不難發(fā)現(xiàn)IGBT 開關(guān)過程中存在兩個主要問題：一是在IGBT 開通的過程中，由于突然快速關(guān)斷續(xù)流二極管，造成電流過沖；二是在IGBT 關(guān)斷的過程中，由于寄生電感的存在和突然快速關(guān)斷IGBT，造成電壓的過沖［6］。這兩個問題是驅(qū)動保護(hù)的主要問題，IGBT 開關(guān)過程中其他的問題，例如振蕩、電磁干擾，都可以從這兩個主要的問題中推導(dǎo)出來。

由IGBT 的結(jié)構(gòu)可知，其內(nèi)部常常反并聯(lián)1 個功率二極管，實現(xiàn)電流的雙向流動，功率二極管的動態(tài)性能極大地影響著IGBT 的開關(guān)瞬態(tài)特性。功率二極管反向恢復(fù)電流的峰值為式（1）：

式中：diR/dt為反向恢復(fù)電流的變化率，由上式可以得到在反并聯(lián)二極管快速關(guān)斷的過程中，Irr正比于diR/dt，然而diR/dt與IGBT 集電極電流的變化率diC/dt又相一致，因此diC/dt影響著的Irr數(shù)值。

在IGBT 關(guān)斷的過程中，電壓過沖的大小正比于IGBT 集電極電流的變化率，比例關(guān)系為式（2）：

式中：LS為功率電子電路的雜散電感。由此可見，集電極電流變化率diC/dt可以影響IGBT 開通時的過電流、IGBT 關(guān)斷時的過電壓。根據(jù)IGBT 開通時diC/dt的表達(dá)式（3）、IGBT 關(guān)斷時diC/dt的表達(dá)式（4），又可以得出通過改變可變參數(shù)Rg與VT的值可以改變的diC/dt變化率，從而可以改變Irr與Vos的值。

式中：VGG為柵極驅(qū)動電壓；IL、Ip為負(fù)載電流；gm為IGBT 跨導(dǎo)；Rg為柵極驅(qū)動電阻；Cies為IGBT 的 輸入寄生電容；VT為IGBT 導(dǎo)通的閾值電壓；LS1為功率發(fā)射極與輔助發(fā)射極的雜散電感。

在實際的應(yīng)用中，為了對Rg與VGG的控制進(jìn)行解耦，可以固定VGG的參數(shù)，通過改變Rg參數(shù)的值，控制IGBT 開通關(guān)斷過程中的diC/dt。VGG的選取，如果過大，一旦IGBT 過流，會造成內(nèi)部寄生晶閘管的靜態(tài)擎住效應(yīng)，造成IGBT 失效。若選取過小，可能會使IGBT 工作在線性放大區(qū)，造成IGBT的發(fā)熱損壞。VGG可以根據(jù)IGBT 器件手冊，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)。

由公式（1）、（2）可知，開通和關(guān)斷過程中diC/dt的變化對Rg數(shù)量級要求各不相同，傳統(tǒng)柵極驅(qū)動器配置2 個電阻Ron與Roff，通過模擬電路在IGBT 開通和關(guān)斷過程中分別選通Ron與Roff。在開通時，為了減少Irr的值，可以選擇較大一些的Ron，但是較大的Ron會延長開通時間，造成開通損耗的增加，影響了IGBT 的性能和工作狀態(tài)。在關(guān)斷時，為了減少Vos的值，選擇較大一些的Roff，同樣較大的Roff會造成關(guān)斷損耗的增加。然而IGBT 的開通和關(guān)斷分為多個過程［7］，單一的開通或關(guān)斷電阻無法使得損耗和過電流、過電壓達(dá)到最優(yōu)，選擇可變的電阻組合可以達(dá)到最優(yōu)的目的。在IGBT開通關(guān)斷瞬態(tài)過程中，根據(jù)開關(guān)過程的特性快速調(diào)節(jié)Rg的值，達(dá)到損耗和過電壓、過電流的合理化分配，優(yōu)化驅(qū)動器的目的。同時在故障時可以通過調(diào)節(jié)Rg的值，對IGBT 進(jìn)行主動保護(hù)。

4 數(shù)字驅(qū)動硬件方案

為了達(dá)到IGBT 柵極驅(qū)動電阻快速可變的調(diào)節(jié)方案?？梢酝ㄟ^選用數(shù)字驅(qū)動器中的可編程邏輯器件進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的分辨率最小可以達(dá)到納秒級別，性能完全滿足驅(qū)動器對電阻切換的要求。在IGBT 數(shù)字脈沖分配和驅(qū)動硬件電路中，均集成了可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）作為核心邏輯處理芯片，由于CPLD具有高速的時鐘步長，豐富的邏輯處理資源與嚴(yán)格的時序處理，適合運用在IGBT 脈沖的保護(hù)管理和柵極驅(qū)動電阻的數(shù)字調(diào)節(jié)上。驅(qū)動方案和方案原理如圖1 所示，驅(qū)動電路通過數(shù)字控制調(diào)節(jié)柵極電阻，控制IGBT 的開關(guān)特性。

圖1 數(shù)字驅(qū)動方案

其中CPLD 接收控制器的輸入脈沖信號和故障的觸發(fā)信號，并根據(jù)脈沖信號選擇適合的柵極電阻并通過選通開關(guān)接入對應(yīng)的電阻陣列，然后開通或關(guān)斷IGBT，使開關(guān)過程中的diC/dt、du/dt和開關(guān)損耗在一個合理的范圍內(nèi)。CPLD 根據(jù)輸入的故障信號選通開關(guān)接入對應(yīng)的電阻陣列緩關(guān)IGBT 或提前關(guān)閉IGBT，達(dá)到有效保護(hù)IGBT 的目的。

5 試驗與分析

5.1 測試環(huán)境

為了對驅(qū)動器在大功率IGBT 開關(guān)過程中的性能進(jìn)行測試，采用常用的雙脈沖測試方法［3］。雙脈沖的第1 個脈沖在電感負(fù)載上形成試驗電流，利用負(fù)載電感的電流連續(xù)特性，第2 個測試脈沖完成對被測試IGBT/FWD 的動態(tài)測試。測試電路采用單橋臂結(jié)構(gòu)，負(fù)載選用電感，如圖2 所示。在本次測試試驗中，IGBT 選用英飛凌6 500 V/400 A 的開關(guān)器件，該器件續(xù)流二極管集成在IGBT 內(nèi)部。根據(jù)器件手冊，柵極驅(qū)動開通和關(guān)斷電壓分別選取+15 V 和-15 V。雙脈沖測試電路的直流環(huán)節(jié)電壓為3 000 V，集電極穩(wěn)態(tài)電流為350 A。

圖2 雙脈沖試驗電路

5.2 試驗結(jié)果與分析

數(shù)字脈沖分配將雙脈沖傳遞給驅(qū)動，脈沖發(fā)送與反饋的二進(jìn)制波形和雙脈沖到驅(qū)動電壓的波形如圖3 所示，從2 個圖中可以看出控制信號到驅(qū)動電壓信號得到了良好的傳遞。

圖3 數(shù)字脈沖分配的形成

為了對驅(qū)動在固定電阻和可變電阻下的性能進(jìn)行測試，根據(jù)開通過程，選擇2 組固定電阻滿足條 件Rmin＜R1＜R2＜R3＜R4＜Rmax，Rmin是開通允許最小柵極電阻，Rmax是開通允許最大柵極電阻。對于R1、R2、R3和R4分別在雙脈沖的試驗臺上進(jìn)行試驗，將第2 個開通脈沖的瞬態(tài)波形記錄，并分別對開通瞬間集電極電流、集電極發(fā)射極之間電壓、柵極電壓進(jìn)行對比。柵極電阻為R1、R2、R3和R4的情況下的開通瞬間集電極電流波形如圖4（a）所示，圖中橫坐標(biāo)為時間500 ns/div，縱坐標(biāo)為電流幅值200 A/div。從圖中可以看出，柵極驅(qū)動電阻越小，開通時間越短，但是會使得開通電流產(chǎn)生較大的diC/dt和電流過沖。反之柵極驅(qū)動電阻越大，開通時間越長，開通電流產(chǎn)生的di/dt和電流過沖就越小，但造成開通損耗就越大。柵極電阻為R1、R2、R3和R4的情況下的開通瞬間集電極—發(fā)射極電壓波形如圖4（b）所示，圖中橫坐標(biāo)為時間1 μs/div，縱坐標(biāo)為電壓幅值500 V/div。從圖中可以看出柵極驅(qū)動電阻對開通電壓的影響，柵極驅(qū)動電阻越大開通時間越長，造成的開通損耗也越大。

圖4 開通瞬間電流電壓波形

造成電阻影響開通速度的原因，從柵極驅(qū)動電阻和柵極電壓的對比可以得到。柵極電阻為R1、R2、R3和R4的情況下的開通瞬間柵極驅(qū)動電壓波形如圖5 所示，圖中橫坐標(biāo)為時間1 μs/div，縱坐標(biāo)為電壓幅值5 V/div。從圖中可以看出柵極驅(qū)動電阻對柵極電壓的影響，驅(qū)動電阻越大充電時間越長，開通時間就越久。

圖5 開通瞬間柵極電壓波形對比

通過上面集電極電流、集電極—發(fā)射極電壓和柵極驅(qū)動電壓幾組波形的分析，可以得到，在IGBT 的開通過程中，柵極驅(qū)動電阻對開通瞬態(tài)有較大的影響。當(dāng)柵極驅(qū)動電阻較小時，IGBT 的開通速度較快，損耗較小，但是造成開通較大的diC/dt和電流尖峰；當(dāng)柵極驅(qū)動電阻較大時，IGBT 的開通速度較慢，損耗較大，但是diC/dt和電流尖峰較小。

依據(jù)IGBT 開通過程中的瞬態(tài)分析，開通可分為3 個時間段，分別為達(dá)到柵極門檻電壓值之前、達(dá)到柵極門檻電壓值之后、開通尾段。我們可以根據(jù)各自不同的特點來選擇柵極驅(qū)動電阻，達(dá)到對開通過程要求的控制。第一個階段，IGBT 的柵極驅(qū)動電壓還沒有到達(dá)門檻值之前，開通延遲時間td（on）應(yīng)盡可能短，通過較大的柵極充電電流使柵極驅(qū)動電壓快速充電到門檻電壓值。

一旦柵極電壓到達(dá)門檻值之后，進(jìn)入第二階段，集電極電流開始上升，通過改變柵極電流的充電速度，可以控制開通過程的diC/dt，同時還可以控制反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)電流峰值。較小的柵極驅(qū)動電流可以降低此過程的diC/dt，在降低diC/dt的同時，降低了反并聯(lián)二極管恢復(fù)電流的影響。在此過程中帶來的這個影響包括突然關(guān)斷二極管造成橋臂中互補(bǔ)IGBT 的過電壓和反向恢復(fù)過程中電磁干擾。

當(dāng)集電極電流上升到峰值后，進(jìn)入第三階段，在此時間段可通過較大的柵極驅(qū)動電流加快開通的速度，減小開通的拖尾電壓，降低開通過程中的功率損耗。同時也縮短了米勒平臺的時間。

經(jīng)過分析，通過數(shù)字驅(qū)動方案，在開通的3 個時間段選擇合理的電阻進(jìn)行試驗，開通瞬態(tài)波形如圖6 所示。圖中橫坐標(biāo)為時間1 μs/div，縱坐標(biāo)IC為電流幅值200 A/div，VGE為電壓幅值5 V/div。

圖6 優(yōu)化后開通瞬間電壓電流波形

圖中標(biāo)出了柵極驅(qū)動電壓VGE、柵射極電壓VCE、集電極電流IC、開通損耗Eon。通過3 個時間段的切換電阻，將集電極電流diC/dt、峰值電流ICmax和開通損耗Eon進(jìn)行對比，見表1。

表1 不同柵極驅(qū)動電阻下IGBT 開通瞬間參數(shù)

根據(jù)表格得出在變柵極驅(qū)動電阻的情況下，可以在獲得相對較小集電極電流和diC/dt的情況下，同時使得IGBT 的開通損耗控制在一個比較理想的范圍內(nèi)。與固定電阻的驅(qū)動方式相比，有了很大的提升。

依據(jù)該方法，選擇固定電阻R4、R5、R6，滿足條件Rmin＜R4＜R5＜R6＜Rmax，Rmin是關(guān)斷允許最小柵極電阻，Rmax是IGBT 關(guān)斷允許最大柵極電阻。進(jìn)行關(guān)斷瞬態(tài)的電參數(shù)分析，得到IGBT 關(guān)斷時的優(yōu)化波形，數(shù)字驅(qū)動方案關(guān)斷瞬間波形如圖7 所示，圖中橫坐標(biāo)為時間1 μs/div，縱坐標(biāo)VCE為電壓幅值200 V/div，VGE為電壓幅值5 V/div。并形成關(guān)斷瞬間集射極過電壓，du/dt和關(guān)斷損耗參數(shù)對比見表2。

表2 不同柵極驅(qū)動電阻下IGBT 關(guān)斷瞬間參數(shù)

圖7 數(shù)字驅(qū)動方案關(guān)斷瞬間波形

根據(jù)表2 的對比，得出在可變電阻的情況下，可以在獲得相對較小集電極過電壓和du/dt的情況下，同時使得IGBT 的關(guān)斷損耗控制在一個比較理想的范圍內(nèi)。與固定電阻的驅(qū)動方式，有了很大的提升。

6 結(jié)論

文中針對車載大功率變流器在自主化設(shè)計過程中遇到的IGBT 驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)難題，開展了詳細(xì)的分析研究，通過對比不同的IGBT 驅(qū)動保護(hù)方式，提出了“數(shù)字驅(qū)動”的概念和“數(shù)字脈沖分配+數(shù)字驅(qū)動”的總體保護(hù)構(gòu)架，并詳細(xì)闡述了數(shù)字脈沖分配的主要功能和數(shù)字驅(qū)動電路的基本原理和基本理論。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了適合大功率IGBT保護(hù)的數(shù)字驅(qū)動方案，使得開關(guān)過程中驅(qū)動電阻動態(tài)可調(diào)，實現(xiàn)了IGBT 故障后的可靠關(guān)斷與開通關(guān)斷瞬間過電壓、過電流與損耗的最優(yōu)化分配。最后選取某高壓IGBT 器件通過雙脈沖試驗驗證了數(shù)字驅(qū)動方案的可行性。此設(shè)計方案已成功轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，批量運用在既有機(jī)車和動車組的變流器上。