一种IGBT智能驱动装置的设计

吕金都　王东伟　全永强　黄麒元　王浩清　杜彬

摘 要：简要介绍了一种IGBT智能驱动装置的设计。该智能驱动器采用数字控制和数字信号识别提取抗干扰技术，将大规模 CPLD（可编程逻辑阵列芯片）作为控制核，集控制、保护、监测、分析、通讯于一体，大大提升了驱动器的集成度和智能处理能力；攻克了高压大功率 IGBT并联驱动技术、软关断技术、故障识别、损耗控制、与上位机信息交互等关键技术。它可广泛应用于智能电网、电动汽车、工业变频等可靠性高的信息化领域。

关键词：IGBT；智能驱动；数字控制；CPLD

中图分类号：TM46 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.101

目前，国内外IGBT 驱动器技术在中小功率领域的应用较为成熟，主要采用模拟控制方式实现驱动，功能比较单一。这些非即插即用的通用产品在新能源，柔性输电等高可靠、大功率变频领域的应用，不仅存在技术障碍，而且对客户而言，他们还有大量个性化需求和设备网络化管理的信息交互等高级应用能力需求。显然，传统的 IGBT 难以满足个性化定制需求。为此，特设计了一种“IGBT智能驱动装置”，采用数字芯片对 IGBT 实施智能化驱动管理，以满足当前市场的迫切需求，具有正确的市场定位。目前，新能源、智能电网、节能减排等行业处于蓬勃发展期，所以，为该产品提供了良好的发展契机。

1 系统总体设计方案

系统的设计流程如图1所示。选用Altera MAXII为主芯片的开发板，在设计硬件的同时进行软件设计，根据设定功能、性能、参数分配软件、硬件资源，设定各独立的功能模块。在具体工作中，分别采用电力电子和电力拖动控制系统 MATLAB 仿真，为每个模块电路建立仿真模型，设置模型的参数，进行模型仿真。在仿真结果与预想结果有出入时，可调整模型的相关参数；当得到了预想的仿真结果时，证明设计方案在理论上是可行的。然后再进一步进行电路原理设计和器件品牌、型号、规格、参数选型，完成原理设计后，进行实物的 PCB 绘制和 PCB 样品试制，并根据原理图完成PCB样品的焊接，焊接完成后的样品则根据测试手册和最初的功能、性能、参数进行调试、测试，进一步验证电路的原理和样品的性能。

2 主电路设计

2.1 CPLD逻辑控制器原理

CPLD逻辑控制器包括滤波模块、软短路保护模块、硬短路保护模块和电源欠压保护模块。其中，滤波模块的作用是对输入的PWM信号进行滤波，消除不合理的窄脉宽；软短路保护模块的作用是根据退饱和过流保护反馈电路的输入信号，选择合理的门极电阻进行关断；硬短路保护模块的作用是根据di/dt检测信号或者最高级退饱和电路反馈信号，实时改变门极电阻，实现多重软关断；电源欠压保护模块的作用是电源掉电保护，锁存输出并报警。其系统接口电路如图2所示。

2.2 驱动器主电路设计

2.2.1 技术原理

为了实现IGBT智能驱动装置集控制、保护、监测、分析、通讯于一体的功能，其中主要包括以下几种技术。

2.2.1.1 数字控制技术

现有驱动产品的控制技术主要为模拟控制方式，其结构方式采用核心板加转接板，而智能型大功率IGBT驱动则采用数字控制技术和数字滤波抗干扰技术，设计采用ALTERA MAXII系列芯片作为控制核，集控制、保护、监测、分析、通讯于一体，大大提高了驱动器的集成度，而且其简单、方便，能够实现驱动器即插即用的功能。数字滤波技术通过计算减少或削弱噪声的影响，其优势在于不需要硬件投入而且可靠性高、稳定性好，不存在阻抗匹配的问题。另外，还可以根据实际输入信号的不同，采用不同的滤波方式或滤波参数，具有灵活、方便、功能强等特性。

2.2.1.2 软关断技术和 di/dt 技术

当某些故障发生时，流过IGBT的电流很大，如果正常关断，由于主回路寄生电感的存在，使得 di/dt 增大，导致关断时IGBT的关断电压尖峰很大，超过IGBT的耐压值，使得IGBT被损坏。因此，在关断时，可以通过程序的控制，利用有源钳位、di/dt 控制和 dv/dt 反馈管理IGBT的开关特性，使IGBT缓慢关断。软件控制不仅可以降低驱动器的硬件成本，同时，由于系统复杂度的降低，还能使系统更稳定。

2.2.1.3 其他技术

可变门极电阻驱动技术、半导体开通和关断损耗控制技术能够有效控制IGBT的开关时间、开关损耗、死区时间的设置和关断过压等参数，保证IGBT工作的可靠、稳定开通和关断，降低IGBT的相关损耗。在驱动方案中，调整驱动电路的参数，比如门极电阻值、门极电容值、功率放大电路等方式优化开关损耗。针对不同型号的IGBT开关特有的差异，采用数字控制方案能针对不同的IGBT调整控制方法。

2.2.2 主电路模块设计

如图3所示，大功率数字化智能驱动装置包括DC/DC变换电路、CPLD逻辑控制块、有源嵌位反馈模块、退保护过流反馈模块和di/dt检测模块等。DC/DC变换电路用于控制输入的电压，其输出端连接有欠压保护模块。欠压保护模块用于电源掉电保护，其输出端与CPLD逻辑控制模块相连，CPLD逻辑控制模块的输入端连接PWM脉宽调制器和滤波模块，其作用是对输入的PWM信号进行滤波，消除不合理的窄脉宽。CPLD逻辑控制模块的输出端连接有可变门极电阻模块，其作用是根据退饱和过流保护反馈电路的输入信号和di/dt检测信号，选择合理的门极电阻进行关断。可变门极电阻模块的2个输出端分别连接有电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2分别连接IGBT的栅极G和发射极E。CPLD的输入端分别接有源嵌位反馈模块、退保护过流反馈模块、di/dt检测模块和过温保护模块，而有源嵌位反馈模块的作用是抑制浪涌电压，解决由于IGBT关断时发生短路而导致驱动器短路保护失效的问题。其输入端通过2个串联连接的二极管Dl和二极管D2分别连接到IGBT的集电极C和IGBT的栅极G。退保护过流反馈模块用于过电流保护，其输入端通过2个串联连接的二极管D3和二极管D4连接到IGBT的集电极C上。对于di/dt检测模块，di/dt 反馈用于管理IGBT的开关特性，使得IGBT缓慢关断，其输出端连接到发射极E。过温保护模块则用于解决由于长时间结温过高而引起的模块损坏问题，其输入端与热敏电阻NTC连接。

3 结束语

综上所述，驱动器相当于IGBT的大脑，智能型驱动器是IGBT与用户的友好接口，在保证其可靠运行的基础上，能够满足新能源、智能电网应用的个性化需求，值得推广使用。

参考文献

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〔编辑：白洁〕