驅(qū)動(dòng)模塊的整體拓?fù)淙鐖D1 所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖采集電路后被送入邏輯處理單元，若沒(méi)有故障發(fā)生，脈沖序列也正常無(wú)誤，驅(qū)動(dòng)信號(hào)將經(jīng)過(guò)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(hào)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(hào)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(guò)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(hào)。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(hào)比電壓信號(hào)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(hào)電平也不再受限制，更具兼容性。

圖2  信號(hào)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(lái)自脈沖采集單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)接收來(lái)自輸出側(cè)的短路信號(hào)及欠壓信號(hào)，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(hào)，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(hào)輸出到上控制電路，這個(gè)封鎖的過(guò)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(hào)后，由脈沖整定部分對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理。一般情況下， IGBT 的開(kāi)通與關(guān)斷速度由門(mén)極電阻RG 來(lái)決定和調(diào)整，但RG 的存在會(huì)使輸出脈沖對(duì)門(mén)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(huì)有電流通過(guò)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(huì)導(dǎo)致IGBT 的誤導(dǎo)通或誤關(guān)斷。若將門(mén)極電阻去掉又會(huì)使IGBT 開(kāi)通和關(guān)斷速度不可控，造成過(guò)大的dv / dt 和di / dt .

　　為解決這個(gè)問(wèn)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(mén)極電阻RG ,通過(guò)控制功率放大電路中三極管的開(kāi)通速度來(lái)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(guò)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(kāi)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，所以柵極電壓會(huì)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(guò)RGE 放電而逐漸降落到15 V。關(guān)斷原理與開(kāi)通基本相同。

　　1. 4  故障檢測(cè)電路

　　故障檢測(cè)部分主要功能是對(duì)IGBT 進(jìn)行退保和檢測(cè)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guò)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(cè)電路用于判定IGBT 是否短路。即在IGBT 開(kāi)通狀態(tài)下實(shí)時(shí)檢測(cè)其集射極電壓，一旦超過(guò)設(shè)定閾值，則認(rèn)為IGBT 發(fā)生短路，并立即觸發(fā)SSD 對(duì)IGBT 實(shí)行軟關(guān)斷。由于從開(kāi)通脈沖給出到IGBT 開(kāi)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(kāi)通脈沖的給出和退保與檢測(cè)電路開(kāi)始工作幾乎是同時(shí)的，所以檢測(cè)電路必須有開(kāi)通盲區(qū)時(shí)間，但盲區(qū)時(shí)間的設(shè)定不宜過(guò)長(zhǎng)，否則在開(kāi)通前IGBT 兩端已經(jīng)處于短路狀態(tài)的情況下，過(guò)長(zhǎng)的盲區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作過(guò)于遲緩，造成保護(hù)失敗。盲區(qū)時(shí)間tdelay的設(shè)定應(yīng)滿(mǎn)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(guò)1μs ,再加上盲區(qū)時(shí)間tdelay ,總的關(guān)斷時(shí)間toff 不能超過(guò)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(huì)出現(xiàn)一些尖峰，檢測(cè)電路也必須能排出這些尖峰帶來(lái)的干擾。保護(hù)監(jiān)測(cè)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(lái)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(lái)到時(shí)又立即上升到電源電壓。V 3 是V CE（ sat） 檢測(cè)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(guò)嵌位電壓后V CE（ sat） 將不再上升。

圖4  保護(hù)監(jiān)測(cè)波形示意

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

　　可知，對(duì)驅(qū)動(dòng)電阻很小、門(mén)極電容較大的大功率IGBT 來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)電源用比較大的電容進(jìn)行支撐也會(huì)造成短時(shí)間的電壓凹陷，所以欠壓檢測(cè)的保護(hù)輸出也要有一定的延遲時(shí)間，避開(kāi)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(cè)電路將認(rèn)為輸出欠壓，并立即向輸入側(cè)傳送故障信號(hào)，但不會(huì)觸發(fā)軟關(guān)斷。

　　1. 5  軟關(guān)斷電路

　　在收到故障檢測(cè)單元送來(lái)的信號(hào)后，軟關(guān)斷電路將被觸發(fā)，對(duì)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(huì)造成過(guò)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(huì)通過(guò)彌勒電容耦合到柵極造成IG2B T 再次開(kāi)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(hào)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(hào)對(duì)關(guān)斷波形將沒(méi)有任何影響，這主要是防止在軟關(guān)斷過(guò)程中，若控制板還未收到短路信號(hào)而給出了關(guān)斷IGBT 的信號(hào)，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(cè)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(xiàn)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(xiàn)電壓達(dá)到600 V ,然后通過(guò)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(cè)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(guò)電壓不過(guò)100 V ,而在沒(méi)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(guò)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(yǔ)

　　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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)性能，且通過(guò)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。