驅(qū)動(dòng)模塊的整體拓?fù)淙鐖D1 所示。驅(qū)動(dòng)信號經(jīng)過脈沖采集電路后被送入邏輯處理單元，若沒有故障發(fā)生，脈沖序列也正常無誤，驅(qū)動(dòng)信號將經(jīng)過隔離后送到輸出側(cè)，再由放大電路將功率放大后輸出驅(qū)動(dòng)IGBT。

圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　供電部分由AC/ DC 電源完成，1 路+ 5 V 供給弱電側(cè)信號采集和邏輯模塊使用，2 路隔離的+ 18V 和- 5 V 電源分別為輸出通道A 和輸出通道B供電。

　　1. 3  輸入接口及邏輯處理電路的設(shè)計(jì)

　　1. 3. 1  輸入接口電路

　　設(shè)計(jì)中利用集成了雙光耦的HCPL 2630 作為驅(qū)動(dòng)信號的采集器件，如圖2 所示， R1 和R4 用作輸入限流，光耦的輸入處并入R2 , R3 , C1 , C2 以提高抗干擾能力。由于光耦二極管只需要通過一定的正向電流I F 就可以使輸出三極管導(dǎo)通，所以這種輸入接口事實(shí)上采集的是一個(gè)電流信號。這種輸入接口的優(yōu)點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)板不用與上層的控制電路共地， 且電流信號比電壓信號抗干擾性更強(qiáng)， 從而提高了可靠性，只要調(diào)整RF 即可調(diào)整I F ,所以輸入信號電平也不再受限制，更具兼容性。

圖2  信號輸入接口電路

　　1. 3. 2  邏輯控制電路

　　邏輯控制電路用于處理來自脈沖采集單元的驅(qū)動(dòng)信號，同時(shí)接收來自輸出側(cè)的短路信號及欠壓信號，若未出現(xiàn)故障，則脈沖將被送入差分邏輯電路進(jìn)行可靠互鎖，驅(qū)動(dòng)光耦；若接收到了故障信號，邏輯控制電路將立即封鎖脈沖，使輸出脈沖維持在低電平，與此同時(shí)將故障信號輸出到上控制電路，這個(gè)封鎖的過程將維持20 ms （可調(diào)） ,之后復(fù)位，又可恢復(fù)正常工作。

　　1. 3. 3  脈沖輸出電路

　　脈沖輸出部分包括脈沖整定部分和功率放大部分，在接收到光耦傳送的信號后，由脈沖整定部分對脈沖信號進(jìn)行處理。一般情況下， IGBT 的開通與關(guān)斷速度由門極電阻RG 來決定和調(diào)整，但RG 的存在會使輸出脈沖對門極電壓的嵌位作用降低，當(dāng)IGBT 集電極電壓發(fā)生突變時(shí)，將會有電流通過彌勒電容耦合到柵極，使柵極電壓隨之變化，影響IG2B T 的正常工作，改變IGBT 輸出電流的波形，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致IGBT 的誤導(dǎo)通或誤關(guān)斷。若將門極電阻去掉又會使IGBT 開通和關(guān)斷速度不可控，造成過大的dv / dt 和di / dt .

　　為解決這個(gè)問題，提出了一種將驅(qū)動(dòng)電阻前移的方法，即減小或去掉門極電阻RG ,通過控制功率放大電路中三極管的開通速度來限制注入柵極電流的速度，從而達(dá)到控制IGBT 柵極電壓變化速率的目的，如圖3 所示，通過調(diào)整脈沖整定部分三極管的基極電阻R′G 即可獲得和調(diào)整R G 一樣的效果。

圖3  功率放大電路

　　開通時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖信號經(jīng)過功率放大電路放大后，柵極電壓將根據(jù)設(shè)定速度上升到V CC ,由于隔離器件采用的是PC923 ,而PC923 只有在V CC = 18 V時(shí)才能輸出15 V 的脈沖信號，所以柵極電壓會先上升到18 V ,此時(shí)三極管基極和射極間承受反壓關(guān)斷，柵極電容再經(jīng)過RGE 放電而逐漸降落到15 V。關(guān)斷原理與開通基本相同。

　　1. 4  故障檢測電路

　　故障檢測部分主要功能是對IGBT 進(jìn)行退保和檢測并實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出側(cè)電壓值，再經(jīng)故障判定后控制軟關(guān)斷電路（ SSD） 的工作，并通過光耦實(shí)時(shí)向輸入側(cè)反應(yīng)輸出側(cè)工況。

　　退保和檢測電路用于判定IGBT 是否短路。即在IGBT 開通狀態(tài)下實(shí)時(shí)檢測其集射極電壓，一旦超過設(shè)定閾值，則認(rèn)為IGBT 發(fā)生短路，并立即觸發(fā)SSD 對IGBT 實(shí)行軟關(guān)斷。由于從開通脈沖給出到IGBT 開通，并且集射極電壓V CE下降到保護(hù)閾值以下存在一定的延遲時(shí)間，而開通脈沖的給出和退保與檢測電路開始工作幾乎是同時(shí)的，所以檢測電路必須有開通盲區(qū)時(shí)間，但盲區(qū)時(shí)間的設(shè)定不宜過長，否則在開通前IGBT 兩端已經(jīng)處于短路狀態(tài)的情況下，過長的盲區(qū)時(shí)間會導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作過于遲緩，造成保護(hù)失敗。盲區(qū)時(shí)間tdelay的設(shè)定應(yīng)滿足公式：

　　tSSD是軟關(guān)斷所需時(shí)間， 為4~5 μs , tsys 是整個(gè)電路的延遲時(shí)間，一般不超過1μs ,再加上盲區(qū)時(shí)間tdelay ,總的關(guān)斷時(shí)間toff 不能超過IGBT 的短路電流承受時(shí)間ttol≈10μs.此外，實(shí)際工作中V CE常常會出現(xiàn)一些尖峰，檢測電路也必須能排出這些尖峰帶來的干擾。保護(hù)監(jiān)測波形示意如圖4 所示。其中V 2 是閾值電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿來到時(shí)由電源電壓逐漸下降到比較閾值；當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖下降沿來到時(shí)又立即上升到電源電壓。V 3 是V CE（ sat） 檢測到的IG2B T 集電極電壓，變化范圍為IGBT 的導(dǎo)通壓降到設(shè)定的嵌位電壓之間，嵌位的電壓值必須高于保護(hù)閾值，否則將不能觸發(fā)短路保護(hù)； 在嵌位電壓以下，V CE（ sat） 隨IGBT 兩端電壓變化， 超過嵌位電壓后V CE（ sat） 將不再上升。

圖4  保護(hù)監(jiān)測波形示意

　　欠壓檢測部分由MB3771 完成。由驅(qū)動(dòng)脈沖輸出峰值電流公式：

　　可知，對驅(qū)動(dòng)電阻很小、門極電容較大的大功率IGBT 來說，在驅(qū)動(dòng)脈沖輸出的上升沿和下降沿，驅(qū)動(dòng)板輸出電流非常大，即使開關(guān)電源用比較大的電容進(jìn)行支撐也會造成短時(shí)間的電壓凹陷，所以欠壓檢測的保護(hù)輸出也要有一定的延遲時(shí)間，避開這個(gè)凹陷。如果在可容忍的時(shí)間內(nèi)輸出電壓依然低于設(shè)定值，則欠壓檢測電路將認(rèn)為輸出欠壓，并立即向輸入側(cè)傳送故障信號，但不會觸發(fā)軟關(guān)斷。

　　1. 5  軟關(guān)斷電路

　　在收到故障檢測單元送來的信號后，軟關(guān)斷電路將被觸發(fā)，對IGBT 實(shí)施軟關(guān)斷。由于短路電流非常大，直接關(guān)斷必然會造成過大的di / dt ,在IG2B T 兩端出現(xiàn)電壓尖峰，此電壓尖峰不僅可能直接擊穿IGBT ,還會通過彌勒電容耦合到柵極造成IG2B T 再次開通，又進(jìn)入短路狀態(tài)，進(jìn)而燒毀。而采用軟關(guān)斷方式則可以限制住di / dt ,使IGBT 安全關(guān)斷。本文采用的方式是在收到故障信號后直接進(jìn)行軟關(guān)斷，斜率約為4 V/μs ,當(dāng)柵極電壓降落到0 V后立即拉低到V EE ,完成軟關(guān)斷。此外，一旦軟關(guān)斷電路被觸發(fā)工作，輸入信號對關(guān)斷波形將沒有任何影響，這主要是防止在軟關(guān)斷過程中，若控制板還未收到短路信號而給出了關(guān)斷IGBT 的信號，造成IGBT 短路硬關(guān)斷[ 10 ] .

　　2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　圖5 是為測試驅(qū)動(dòng)板的短路保護(hù)能力而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路。

圖5  短路實(shí)驗(yàn)電路

　　為保證電流的上升速率，直流母線均采用了銅排進(jìn)行連接。實(shí)驗(yàn)電路連接好后，調(diào)節(jié)變壓器直至母線電壓達(dá)到600 V ,然后通過控制板給驅(qū)動(dòng)板發(fā)出一個(gè)寬度為10 μs 的脈沖，實(shí)驗(yàn)波形如圖6a 所示，其中V GE波形為5 V/ p ,V CE波形為200 V/ p ,時(shí)間為2. 5μs/ p.再將直流電壓降低到200 V ,并且將退保和檢測所用的二極管陰極接地，以屏蔽掉短路保護(hù)功能，然后進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，得到圖6b 的實(shí)驗(yàn)波形，V GE 波形為5 V/ p ,V CE 波形為100 V/p ,時(shí)間為2. 5μs/ p.

圖6  實(shí)驗(yàn)波形

　　從波形可以看出，在有短路保護(hù)功能的情況下，600 V 的直流電壓短路保護(hù)后過電壓不過100 V ,而在沒有短路保護(hù)功能的情況下，關(guān)斷短路電流后產(chǎn)生的過壓達(dá)到了400 V ,并且引起V CE和V GE的強(qiáng)烈振蕩。

　　3  結(jié)束語

　　設(shè)計(jì)了一種具有脈沖封鎖、橋臂互鎖、脈沖死區(qū)、短路保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電壓欠壓保護(hù)等功能的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)性能，且通過短路實(shí)驗(yàn)的比較，充分證明了IGBT 驅(qū)動(dòng)電路加入短路保護(hù)功能的必要性和有效性。