呂金都　王東偉　全永強　黃麒元　王浩清　杜彬

摘 要：簡要介紹了一種IGBT智能驅(qū)動裝置的設(shè)計。該智能驅(qū)動器采用數(shù)字控制和數(shù)字信號識別提取抗干擾技術(shù)，將大規(guī)模 CPLD（可編程邏輯陣列芯片）作為控制核，集控制、保護、監(jiān)測、分析、通訊于一體，大大提升了驅(qū)動器的集成度和智能處理能力；攻克了高壓大功率 IGBT并聯(lián)驅(qū)動技術(shù)、軟關(guān)斷技術(shù)、故障識別、損耗控制、與上位機信息交互等關(guān)鍵技術(shù)。它可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、電動汽車、工業(yè)變頻等可靠性高的信息化領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：IGBT；智能驅(qū)動；數(shù)字控制；CPLD

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.101

目前，國內(nèi)外IGBT 驅(qū)動器技術(shù)在中小功率領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟，主要采用模擬控制方式實現(xiàn)驅(qū)動，功能比較單一。這些非即插即用的通用產(chǎn)品在新能源，柔性輸電等高可靠、大功率變頻領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅存在技術(shù)障礙，而且對客戶而言，他們還有大量個性化需求和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化管理的信息交互等高級應(yīng)用能力需求。顯然，傳統(tǒng)的 IGBT 難以滿足個性化定制需求。為此，特設(shè)計了一種“IGBT智能驅(qū)動裝置”，采用數(shù)字芯片對 IGBT 實施智能化驅(qū)動管理，以滿足當前市場的迫切需求，具有正確的市場定位。目前，新能源、智能電網(wǎng)、節(jié)能減排等行業(yè)處于蓬勃發(fā)展期，所以，為該產(chǎn)品提供了良好的發(fā)展契機。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖1所示。選用Altera MAXII為主芯片的開發(fā)板，在設(shè)計硬件的同時進行軟件設(shè)計，根據(jù)設(shè)定功能、性能、參數(shù)分配軟件、硬件資源，設(shè)定各獨立的功能模塊。在具體工作中，分別采用電力電子和電力拖動控制系統(tǒng) MATLAB 仿真，為每個模塊電路建立仿真模型，設(shè)置模型的參數(shù)，進行模型仿真。在仿真結(jié)果與預想結(jié)果有出入時，可調(diào)整模型的相關(guān)參數(shù)；當?shù)玫搅祟A想的仿真結(jié)果時，證明設(shè)計方案在理論上是可行的。然后再進一步進行電路原理設(shè)計和器件品牌、型號、規(guī)格、參數(shù)選型，完成原理設(shè)計后，進行實物的 PCB 繪制和 PCB 樣品試制，并根據(jù)原理圖完成PCB樣品的焊接，焊接完成后的樣品則根據(jù)測試手冊和最初的功能、性能、參數(shù)進行調(diào)試、測試，進一步驗證電路的原理和樣品的性能。

2 主電路設(shè)計

2.1 CPLD邏輯控制器原理

CPLD邏輯控制器包括濾波模塊、軟短路保護模塊、硬短路保護模塊和電源欠壓保護模塊。其中，濾波模塊的作用是對輸入的PWM信號進行濾波，消除不合理的窄脈寬；軟短路保護模塊的作用是根據(jù)退飽和過流保護反饋電路的輸入信號，選擇合理的門極電阻進行關(guān)斷；硬短路保護模塊的作用是根據(jù)di/dt檢測信號或者最高級退飽和電路反饋信號，實時改變門極電阻，實現(xiàn)多重軟關(guān)斷；電源欠壓保護模塊的作用是電源掉電保護，鎖存輸出并報警。其系統(tǒng)接口電路如圖2所示。

2.2 驅(qū)動器主電路設(shè)計

2.2.1 技術(shù)原理

為了實現(xiàn)IGBT智能驅(qū)動裝置集控制、保護、監(jiān)測、分析、通訊于一體的功能，其中主要包括以下幾種技術(shù)。

2.2.1.1 數(shù)字控制技術(shù)

現(xiàn)有驅(qū)動產(chǎn)品的控制技術(shù)主要為模擬控制方式，其結(jié)構(gòu)方式采用核心板加轉(zhuǎn)接板，而智能型大功率IGBT驅(qū)動則采用數(shù)字控制技術(shù)和數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)，設(shè)計采用ALTERA MAXII系列芯片作為控制核，集控制、保護、監(jiān)測、分析、通訊于一體，大大提高了驅(qū)動器的集成度，而且其簡單、方便，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動器即插即用的功能。數(shù)字濾波技術(shù)通過計算減少或削弱噪聲的影響，其優(yōu)勢在于不需要硬件投入而且可靠性高、穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配的問題。另外，還可以根據(jù)實際輸入信號的不同，采用不同的濾波方式或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強等特性。

2.2.1.2 軟關(guān)斷技術(shù)和 di/dt 技術(shù)

當某些故障發(fā)生時，流過IGBT的電流很大，如果正常關(guān)斷，由于主回路寄生電感的存在，使得 di/dt 增大，導致關(guān)斷時IGBT的關(guān)斷電壓尖峰很大，超過IGBT的耐壓值，使得IGBT被損壞。因此，在關(guān)斷時，可以通過程序的控制，利用有源鉗位、di/dt 控制和 dv/dt 反饋管理IGBT的開關(guān)特性，使IGBT緩慢關(guān)斷。軟件控制不僅可以降低驅(qū)動器的硬件成本，同時，由于系統(tǒng)復雜度的降低，還能使系統(tǒng)更穩(wěn)定。

2.2.1.3 其他技術(shù)

可變門極電阻驅(qū)動技術(shù)、半導體開通和關(guān)斷損耗控制技術(shù)能夠有效控制IGBT的開關(guān)時間、開關(guān)損耗、死區(qū)時間的設(shè)置和關(guān)斷過壓等參數(shù)，保證IGBT工作的可靠、穩(wěn)定開通和關(guān)斷，降低IGBT的相關(guān)損耗。在驅(qū)動方案中，調(diào)整驅(qū)動電路的參數(shù)，比如門極電阻值、門極電容值、功率放大電路等方式優(yōu)化開關(guān)損耗。針對不同型號的IGBT開關(guān)特有的差異，采用數(shù)字控制方案能針對不同的IGBT調(diào)整控制方法。

2.2.2 主電路模塊設(shè)計

如圖3所示，大功率數(shù)字化智能驅(qū)動裝置包括DC/DC變換電路、CPLD邏輯控制塊、有源嵌位反饋模塊、退保護過流反饋模塊和di/dt檢測模塊等。DC/DC變換電路用于控制輸入的電壓，其輸出端連接有欠壓保護模塊。欠壓保護模塊用于電源掉電保護，其輸出端與CPLD邏輯控制模塊相連，CPLD邏輯控制模塊的輸入端連接PWM脈寬調(diào)制器和濾波模塊，其作用是對輸入的PWM信號進行濾波，消除不合理的窄脈寬。CPLD邏輯控制模塊的輸出端連接有可變門極電阻模塊，其作用是根據(jù)退飽和過流保護反饋電路的輸入信號和di/dt檢測信號，選擇合理的門極電阻進行關(guān)斷?？勺冮T極電阻模塊的2個輸出端分別連接有電阻R1和電阻R2，電阻R1和電阻R2分別連接IGBT的柵極G和發(fā)射極E。CPLD的輸入端分別接有源嵌位反饋模塊、退保護過流反饋模塊、di/dt檢測模塊和過溫保護模塊，而有源嵌位反饋模塊的作用是抑制浪涌電壓，解決由于IGBT關(guān)斷時發(fā)生短路而導致驅(qū)動器短路保護失效的問題。其輸入端通過2個串聯(lián)連接的二極管Dl和二極管D2分別連接到IGBT的集電極C和IGBT的柵極G。退保護過流反饋模塊用于過電流保護，其輸入端通過2個串聯(lián)連接的二極管D3和二極管D4連接到IGBT的集電極C上。對于di/dt檢測模塊，di/dt 反饋用于管理IGBT的開關(guān)特性，使得IGBT緩慢關(guān)斷，其輸出端連接到發(fā)射極E。過溫保護模塊則用于解決由于長時間結(jié)溫過高而引起的模塊損壞問題，其輸入端與熱敏電阻NTC連接。

3 結(jié)束語

綜上所述，驅(qū)動器相當于IGBT的大腦，智能型驅(qū)動器是IGBT與用戶的友好接口，在保證其可靠運行的基礎(chǔ)上，能夠滿足新能源、智能電網(wǎng)應(yīng)用的個性化需求，值得推廣使用。

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〔編輯：白潔〕