数字型IGBT的设计与实现，IGBT过流的检测方法

　　数字型IGBT的设计与实现：

　　1引言

　　随着电力电子器件技术的发展，大功率器件在轨道交通、直流输电、风力发电等领域的市场迅猛发展，其中以IGBT器件表现尤为突出，在具体的应用工况中，每一个IGBT模块都需要一个专门的驱动器，IGBT驱动器对IGBT的运行性能有着重大影响。

　　传统利用模拟电路实现的IGBT驱动器技术较成熟，运行稳定，但是由于其驱动器各参数设置大都采用硬件实现，参数调整比较复杂，不同型号的IGBT必须设计不同的驱动器，本文利用数字控制器对栅极控制，可以灵活的修改驱动器的软件参数设置，来调整IGBT工作的性能，对于不同的IGBT型号，只需要加载不同的驱动程序，即可以解决传统驱动器产品的型号匹配问题。

　　如图1示，驱动器主要包括：高等级隔离电源、光纤通信接口、功率放大电路、检测保护电路、数字控制器等五部分。

　　2.1高等级隔离电源

　　高压IGBT驱动器设计中，电源设计是关键部分之一，电源的输出功率决定了IGBT在实际工作中能够使用的工作频率，如果电源输出功率不足，可能会在IGBT器件高频工作时，出现欠压现象，导致IGBT损耗增加，甚至造成IGBT损坏。

　　本设计中采用Ti公司的LM5025芯片设计反激式DC-DC电路（电路图见图2），电路中的初级具有电流检测软起动功能，当电流检测电阻上的压降达到0.25V时，对电源起到很好的过流保护作用。

　　2.2光纤通信接口

　　在用户主控系统通信的接口设计上，选择抗干扰能力强的光纤通信，防止控制信号被干扰出现误触发。光纤选用HFBR-1522、HFBR-2522，光纤电路如图3。

　　2.3功率放大电路

　　选择导通阻抗非常低的mosFET作为开关器件，构成IGBT栅极功率输出电路，如图4，同时，采用多个栅极电阻切换的方式，实现不同条件下对IGBT性能的调整。在IGBT正常开关时，可以通过调整栅极电阻来控制器件的开关速度，达到优化器件效率的目的。在IGBT出现工作异常时（例如短路），可以通过调整栅极电阻来控制器件的工作状态，防止器件损坏达到保护器件的目的。

　　2.4检测保护电路

　　为防止IGBT器件工作中出现任何异常故障，驱动器需要对IGBT的状态参数进行检测，如果发现异常，驱动器自动采取保护动作，并通知主控器。

　　欠压检测：目前各个IGBT厂商推荐IGBT器件工作时的栅极电压为±15V（栅极最大承受电压为±20V），如果IGBT器件在工作中出现低于15V的情况，根据IGBT器件饱和压降VCE与栅极电压的关系（如图5示），随着栅极电压的下降，IGBT饱和压降会增加，造成IGBT器件损耗增加，有可能会损坏器件，所以，必须对驱动器输出栅极的电压进行检测，如果出现欠压开通情况，驱动器要立即进行保护。同时需要注意，IGBT的短路电流与栅极电压成正比，所以当器件开通时栅极出现高于+15V电压，器件如果出现故障会出现比正常工况更大的短路电流，所以驱动器必须确保栅极开通电压处于合理的范围内。

　　Vce电压检测：Vce电压检测可以为数字控制器提供IGBT器件参数，控制器通过Vce电压可以判断IGBT的工作状态，从而采取对应的策略对IGBT进行不同的控制方式。

　　过压保护：在IGBT器件关断过程中，由于母线回路寄生电感的存在，关断电压会产生一个电压过冲尖峰，过冲幅值为△V=Ls*di/dt，如果尖峰电压超过IGBT器件的额定电压，IGBT器件会被击穿，造成器件损坏。

　　过压保护电路采用的是TVS管与限流电阻串联的方式，由集电极接入栅极（如图6示），当关断过程中集电极出现超过设定值（设定值小于IGBT额定值）的电压尖峰时，TVS管反向导通，通过限流电阻向栅极注入电流，减慢IGBT关断速度（减小di/dt），从而达到限制电压尖峰的目的。用户根据具体的应用工况，选择适合的TVS管的数量和单个TVS击穿电压参数。

　　di/dt检测：（如图示7），IGBT模块内部等效图可以看到，由于IGBT模块内部链接的主电极回路与辅助电极回路之间存在寄生电感，在IGBT模块工作时，主电流IC从主电极流入，经过寄生电感L流出，依据电感感生电压V=-L*di/dt，从公式可以看出，感生电压V值与di/dt值成正比关系，通过检测L上产生的感生电压可以获得主电流Ic的di/dt值。在IGBT模块工作的过程中，如果感生电压高于或低于设定值都认为器件di/dt出现异常状态，需要进行保护，并向主控系统报告出现di/dt故障。

　　数字控制器功能

　　数字控制器主要完成根据输入信号控制功率放大电路，驱动IGBT器件。同时，根据检测电路的反馈信号判定IGBT器件的工作状态，如果出现异常状况，立即按照设定策略对IGBT器件进行保护。

　　4 驱动级测试

　　为初步确定驱动级基本功能的正确性和可行性，利用图8样品板进行测试，测试样品为3300V-1500A IGBT模块，采用通用型双脉冲测试方法，测试波形如图9。

　　从上图测试结果可以看出，驱动板可以在测试条件下安全的开通和关断IGBT模块。

　　5 改进方向

　　本论文提出的数字型IGBT驱动器在过压保护检测上采用的TVS管串联的方式，只可以对IGBT器件关断中di/dt产生的寄生过压有较好的效果，但是这种方法也存在弊端，如果用户对于过压保护的阈值设定不合理，及系统在运行中会出现较多的过压，或较长时间过压，此时IGBT器件会出现栅极被高压损坏，或本应关断的IGBT被动强行开通，出现上下管短路的状态，损坏上下管IGBT。所以可以加入Vce检测电路，实时检测集电极电压，制定保护策略。

　　IGBT过流的检测方法：

　　IGBT（绝缘栅双极型晶体管）兼有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点，是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子开关器件。 IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几μs至几十μs。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率 过大，由于漏感及引线电感的存在，导致IGBT集电极过电压，该过电压可使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使IGBT击穿。因此，当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。

　　为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降Vce，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vce增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。

　　在短路电流出现时，为了避免关断电流的 过大形成过电压，导致IGBT锁定无效和损坏，以及为了降低电磁干扰，通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。

　　在设计降栅压保护电路时，要正确选择降栅压幅度和速度，如果降栅压幅度大（比如7。5V），降栅压速度不要太快，一般可采用2μs下降时间的软降栅压，由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，在故障状态封锁栅极可快些，不必采用软关断；如果降栅压幅度较小（比如5V以下），降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免过电压发生。

　　为了使电源在短路故障状态不中断工作，又能避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏，采用降栅压保护即可不必在一次短路保护立即封锁电路，而使工作频率降低（比如1Hz左右），形成间歇“打嗝”的保护方法，故障消除后即恢复正常工作。

　　下面是几种IGBT短路保护的实用电路及工作原理。

　　（1）利用IGBT的Vce设计过流保护电路

　　图1是利用IGBT过流时Vce增大的原理进行保护的电路，用于专用驱动器EXB841。EXB841内部电路能很好地完成降栅及软关断，并具有内部延迟功能，以消除干扰产生的误动作。含有IGBT过流信息的Vce不直接送至EXB841的集电极电压监视脚6，而是经快速恢复二极管VD1，通过比较器IC1输出接至EXB841的脚6，其目的是为了消除VD1正向压降随电流不同而异，采用阈值比较器，提高电流检测的准确性。如果发生过流，驱动器EXB841的低速切断电路慢速关断IGBT，以避免集电极电流尖峰。

　　（2）　利用电流传感器设计过流保护电路

　　图2（a）是利用电流传感器进行过流检测的IGBT保护电路，电流传感器（SC）初级（1匝）串接在IGBT的集电极电路中，次级感应的过流信号经整流后送至比较器IC1的同相输入端，与反相端的基准电压进行比较，IC1的输出送至具有正反馈的比较器IC2，其输出接至PWM控制器UC3525的输出控制脚10。不过流时，VAVref，VB为高电平，C3充电使VC》Vref，IC2输出高电平（大于1.4V），关闭PWM控制电路。因无驱动信号，IGBT关闭，而电源停止工作，电流传感器无电流流过，使VA参数，使PWM驱动信号关闭时间t2》》t1，可保证电源进入睡眠状态。正反馈电阻R7保证IC2只有高、低电平两种状态，D5，R1，C3充放电电路，保证IC2输出不致在高、低电平之间频繁变化，即IGBT不致频繁开通、关断而损坏。

　　（3）　综合过流保护电路

　　图3是利用IGBT（V1）过流集电极电压检测和电流传感器检测的综合保护电路，电路工作原理是：负载短路（或IGBT因其它故障过流）时，V1的Vce增大，V3门极驱动电流经R2，R3分压器使V3导通，IGBT栅极电压由VD3所限制而降压，限制IGBT峰值电流幅度，同时经R5C3延迟使V2导通，送去软关断信号。另一方面，在短路时经电流传感器检测短路电流，经比较器IC1输出的高电平使V3导通进行降栅压，V2导通进行软关断。

　　此外，还可以应用检测IGBT集电极电压的过流保护原理，采用软降栅压、软关断及降低工作频率保护技术的短路保护电路］。开关电源保护功能虽属电源装置电气性能要求的附加功能，但在恶劣环境及意外事故条件下，保护电路是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。验收技术指标时，应对保护功能进行验证。

　　开关电源的保护方案和电路结构具有多样性，但对具体电源装置而言，应选择合理的保护方案和电路结构，以使得在故障条件下真正有效地实现保护。