楊春宇 鄭松

關鍵詞：存儲;數(shù)字化;IGBT;驅動器

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、充電機等核心設備中得到了廣泛的應用。IGBT驅動器是控制裝置與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)行控制算法的關鍵部件。為了實現(xiàn)對IGBT更加精準、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)字化驅動器已得到了越來越多的應用。

IGBT部件的可靠性嚴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載來維持運用，嚴重影響車輛運行與乘客乘坐。目前的IGBT驅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，有必要設計帶有故障存儲功能的IGBT驅動器，為故障的定位與分析提供有利的數(shù)據(jù)支撐。

1數(shù)字化驅動器總體方案設計

數(shù)字化驅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)、門極開關電路以及故障存儲等組成。其整體設計方案如圖1所示。

外部直流電壓經(jīng)高頻變壓器隔離轉換成供可編程邏輯器件、光纖信號系統(tǒng)、門極驅動電路等使用的電壓。可編程邏輯器件為控制中樞，首先對由光纖輸入的脈沖寬度調制（pulsewidthmodulation，PWM）驅動信號進行短脈沖抑制、超頻保護等處理，之后通過門極開關矩陣對IGBT的開通與關斷過程實施多級分段控制[1][3]。Vce電路對IGBT開關狀態(tài)進行檢測，當發(fā)生短路時可編程邏輯器件控制門極開關矩陣對IGBT實施關斷保護，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)字化驅動器電源設計

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

3數(shù)字化驅動器信號處理與故障保護

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

3.1驅動信號處理

3.1.1短脈沖抑制

IGBT驅動信號通常由數(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動器。因軟件算法錯誤或者信號傳輸干擾可能會造成驅動信號的暫態(tài)變化，這些較短的脈沖信號會導致IGBT異?？焖俚亻_關，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驅動信號PWM_IN經(jīng)轉換后入可編程邏輯器件，當出現(xiàn)電平高低狀態(tài)轉換時，由軟件對轉換的電平狀態(tài)進行計時判斷。當電平維持時間短于軟件設定的閾值時間tSPS，則輸出脈沖PWM_IN_FLT保持轉換前的狀態(tài)不變;當電平維持時間長于設定的閾值時間，則脈沖信號輸出狀態(tài)進行轉換。短脈沖抑制功能可濾除較窄的開通或關斷信號。

3.1.2超頻保護

超過設定工作頻率的開關信號可能會導致IGBT熱損壞，超頻保護能避免軟件錯誤造成的嚴重后果，如圖4所示，數(shù)字化驅動器超頻保護閾值頻率設置為1.3Fsw，當輸入的PWM開關信號頻率超過設置的閾值并超過三個周期后，如圖5所示保護時序，驅動器會封鎖門極開關脈沖，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。當門極驅動正電壓+VS較低時，會導致IGBT的開通不充分，產(chǎn)生較大損耗。當門極驅動負電壓-VS較高時會導致驅動器維持關斷、抗dv/dt的能力變差。因此需要對驅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重故障，因此短路保護也是驅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IGBT處于關斷狀態(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施加軟關斷，并將故障情況反饋至上位機。

4數(shù)字化驅動器門極開關控制

大部分IGBT驅動器使用單電阻或兩電阻對IGBT的開通與關斷進行控制，最終的取值是在開關延遲、開關損耗、電磁干擾、關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模塊的開關性能。如圖9所示，門極開關矩陣由MOSFET組成，T1-Tn是負責開通的MOSFET，而B1-Bn是負責關斷的MOSFET。開通門極電阻可由Ron1～Ronn任意組合并聯(lián)取得，同樣關斷門極電阻可由Roff1～Roffn任意組合并聯(lián)取得，因此開通或關斷都可以獲得2n?1種門極電阻取值。

圖10為IGBT模塊的開通和關斷過程[2]，門極驅動電阻多等級切換工作原理如下：

開通過程：

T0～T1：驅動器接收到PWM開通信號，開關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)二極管的反向恢復過程。門極電阻越小，IC上升速度越快，二極管反向恢復尖峰電流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大小不會導致同橋臂IGBT有發(fā)生串擾導通的風險;

T3～T4：T3時刻IC升至目標值，Vce也下降至接近飽和電壓Vceast，IGBT基本導通。此時可投入最小的門極開通電阻，使Vge快速跳轉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)。

關斷過程：

T5～T6：T5時刻，驅動器接收到PWM關斷信號，即刻進入關斷時序。投入最小的關斷電阻（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)生關斷損耗，為了減小損耗，可投入較小的門極關斷電阻縮短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)生較高的關斷過電壓（LS×dtdi）。此過程可投入較大的門極關斷電阻，減小電流變化率di/dt和關斷過壓尖峰;

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

T9-：IGBT進入關斷狀態(tài)，使用最小關斷電阻保持。

5數(shù)字化驅動器故障存儲

大部分驅動器在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或驅動器發(fā)生特別嚴重故障（IGBT燒損、驅動器燒損斷電等）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。

因此本設計在驅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)字化驅動器故障存儲電路。當故障觸發(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RAM進行緩存，當故障發(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，負載電流I=200A，電感負載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控制顯著縮短了開通與關斷延遲時間，其中關斷延遲大幅縮短46%。通過降低電流關斷的速度，使雜散電感引起的關斷過電壓減小約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)生器生成超過設定頻率的PWM波形輸入驅動器以模擬故障。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確有效。另外，標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動器上的真實波形式，可以看出當輸入脈沖超過設置的短路檢測時間（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，反映了存儲功能準確有效。

7結語

針對軌道交通系統(tǒng)中IGBT的使用特點，設計了基于可編程邏輯器件的數(shù)字化驅動器。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電路可有效減小開關損耗，優(yōu)化了IGBT開關性能。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)。