強大的數字型IGBT驅動器

1引言

隨著電力電子器件技術的發展，大功率器件在軌道交通、直流輸電、風力發電等領域的市場迅猛發展，其中以IGBT器件表現尤為突出，在具體的應用工況中，每一個IGBT模塊都需要一個專門的驅動器，IGBT驅動器對IGBT的運行性能有著重大影響[1-3]。

傳統利用模擬電路實現的IGBT驅動器技術較成熟，運行穩定，但是由于其驅動器各參數設置大都采用硬件實現，參數調整比較復雜，不同型號的IGBT必須設計不同的驅動器，本文利用數字控制器對柵極控制，可以靈活的修改驅動器的軟件參數設置，來調整IGBT工作的性能，對于不同的IGBT型號，只需要加載不同的驅動程序，即可以解決傳統驅動器產品的型號匹配問題。

如圖1示，驅動器主要包括：高等級隔離電源、光纖通信接口、功率放大電路、檢測保護電路、數字控制器等五部分。

2.1高等級隔離電源

高壓IGBT驅動器設計中，電源設計是關鍵部分之一，電源的輸出功率決定了IGBT在實際工作中能夠使用的工作頻率，如果電源輸出功率不足，可能會在IGBT器件高頻工作時，出現欠壓現象，導致IGBT損耗增加，甚至造成IGBT損壞。

本設計中采用Ti公司的LM5025芯片設計反激式DC-DC電路(電路圖見圖2)，電路中的初級具有電流檢測軟起動功能，當電流檢測電阻上的壓降達到0.25V時，對電源起到很好的過流保護作用。

2.2光纖通信接口

在用戶主控系統通信的接口設計上，選擇抗干擾能力強的光纖通信，防止控制信號被干擾出現誤觸發。光纖選用HFBR-1522、HFBR-2522，光纖電路如圖3。

2.3功率放大電路

選擇導通阻抗非常低的mosFET作為開關器件，構成IGBT柵極功率輸出電路，如圖4，同時，采用多個柵極電阻切換的方式，實現不同條件下對IGBT性能的調整。在IGBT正常開關時，可以通過調整柵極電阻來控制器件的開關速度，達到優化器件效率的目的。在IGBT出現工作異常時(例如短路)，可以通過調整柵極電阻來控制器件的工作狀態，防止器件損壞達到保護器件的目的。

2.4檢測保護電路

為防止IGBT器件工作中出現任何異常故障，驅動器需要對IGBT的狀態參數進行檢測，如果發現異常，驅動器自動采取保護動作，并通知主控器。

欠壓檢測：目前各個IGBT廠商推薦IGBT器件工作時的柵極電壓為±15V(柵極最大承受電壓為±20V)，如果IGBT器件在工作中出現低于15V的情況，根據IGBT器件飽和壓降VCE與柵極電壓的關系(如圖5示)，隨著柵極電壓的下降，IGBT飽和壓降會增加，造成IGBT器件損耗增加，有可能會損壞器件，所以，必須對驅動器輸出柵極的電壓進行檢測，如果出現欠壓開通情況，驅動器要立即進行保護。同時需要注意，IGBT的短路電流與柵極電壓成正比，所以當器件開通時柵極出現高于+15V電壓，器件如果出現故障會出現比正常工況更大的短路電流，所以驅動器必須確保柵極開通電壓處于合理的范圍內。

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