基于模拟电路的无源电阻性门极控制

基于模拟电路的无源电阻性门极控制

0igbt控制器igt在工业、能源、交通运输、传感器和其他能源电子领域得到了广泛的应用。通常中大功率的IGBT需要一个单独的驱动器,驱动器的性能对IGBT运行状态的有重大影响。传统的IGBT驱动器利用模拟电路实现的无源电阻性驱动技术,由于驱动参数大多采用硬件实现,参数调整复杂,因此缺乏通用性。本文设计的数字IGBT驱动器以FPGA控制门极,使用较简洁的电路实现有源门极驱动的控制功能,并可根据不同的IGBT加载不同的驱动程序就能解决适配问题。高性能的数字IGBT驱动电路能减小开关延时,降低开关损耗,使IGBT获得很好的开通关断性能,在发生过流或短路故障时,迅速做出保护动作,保证IGBT安全可靠关断。1数字化igdt电源的原理1.1光纤通讯接口图1为驱动电路总结构图,包括高等级的隔离电源、光纤通讯接口、LED状态显示灯、控制信号放大部分、必要的运行状态检测电路和保护电路。电源部分为FPGA、驱动级和检测电路的高速比较器提供隔离的直流偏置电压。光纤通讯接口用于接收上位机发出的PWM,并将IGBT的运行状态实时的发送给上位机。LED状态显示灯可以实时显示IGBT是否处于故障状态,并可根据不同的LED了解IGBT处于何种故障。驱动级将PWM信号放大到足够驱动IGBT的驱动脉冲,并可根据不同的IGBT调节不同的开通和关断电阻,从而降低IGBT的开关损耗。四段退饱和检测电路、两段di/dt检测和保护电路和有源箝位电路共同完成对IGBT状态和故障检测和保护。1.2igbt控制相对于传统的驱动器,本文设计的数字IGBT驱动电路可以在IGBT开通和关断过程中调节门极电阻的大小,理想的控制IGBT模块,使损耗减小,从而改善IGBT开关损耗性能。门极的开通和关断各有7个不同的值,根据不同的IGBT模块下载不同的驱动程序,即可理想的控制IGBT模块。FPGA根据一定的算法向驱动级发送PWM控制信号,这些信号进过幅值和功率的两极放大,最终具有足够驱动功率、能够达到预期峰值电流的驱动脉冲。FPGA将控制信号发送到MOSFET驱动芯片,当IGBT开通时,打开连接门极的N-MOSFET,打开连接发射极的P-MOSFET,此时加载到IGBT门-射极两端的电压为正向驱动电压;当IGBT关断时,打开连接门极的P-MOSFET,打开连接发射极的N-MOSFET,此时加载到IGBT门-射极两端的电压为正反向关断电压。在IGBT模块处于故障状态时,调节门极电阻的开通关断组合即可实现IGBT的降栅压和软关断。1.3igbt开通电路设计设计的驱动器包含四段退饱和检测电路、两段di/dt检测电路和有源箝位电路。四段退饱和检测电路和两段di/dt检测电路用于IGBT短路和过流保护,有源箝位电路用于抑制IGBT短路关断时候产生的浪涌电压。各类IGBT器件手册都标明了具有适当基准时间的四段退饱和电平,如图2所示为西门康SKM100Gb128DIGBT模块对应的四段退饱和电平。当IGBT开通过程中,若基准时间中Uce两端的电压超出设定范围,则将故障信号发送至FPGA,并且每段故障信号对应一个LED状态灯,当发生退饱和时,LED灯亮,直到电源电压重启。四段退饱和电平前三段电压值较高、延迟时间较短,主要用于检测IGBT开通时段的硬短路,第四段退饱和电压值较小、延迟较长,主要用于检测软短路或开通后的过流。di/dt检测电路是基于功率发射极和辅助发射极之间的电压进行检测。由于功率发射极和辅助发射极之间存在杂散电感,当di/dt较大时,会在杂散电感上产生较大的电压,若超过一定的范围则向FPGA发送故障信号。第一段di/dt设定值较小,用于检测软短路;第二段di/dt设定值较大,用于检测硬短路。有源箝位电路是将一组TVS(瞬态电压二极管)从集电极连接到门极形成回路。当IGBT正常关断时,回路不导通;当IGBT处于短路状态,此时关断IGBTUce两端将产生一个很高的浪涌电压超过回路的箝位值,有源箝位回路导通,电流流向门极,抑制IGBT关断速度,当Uce两端电压小于箝位值,回路退出。2驱动电路检测uge波形为验证数字IGBT驱动器的有效性,IGBT模块采用西门康SKM100Gb128D,其额定电流为100A,最大阻断电压为1200V。使用双脉冲测试法验证驱动器的驱动和保护性能。首先为验证驱动器是否能输出正确的驱动波形,外部信号发生器给驱动器发送频率为10kHz的开关信号,用示波器检测Uge两端的电压。图3为检测的Uge波形。从图中可得驱动器能够输出频率为10kHz,开通电压为+15V,关断电压为-15V的驱动脉冲。图4为FPGA向MOSFET驱动芯片发送信号的仿真波形。检测驱动器软关断波形,在开通过程中,用一个粗短的铜管代替上桥臂的IGBT,使下桥臂的IGBT处于短路状态,用示波器检测Uge的波形。图5为驱动器实行降栅压和软关断的波形。当IGBT发生故障时,如图6中des_flag为故障信号,当IGBT在开通时段发生退饱和时,des_flag向FPGA发送故障信号,驱动器对IGBT进行软关断。从仿真图中可看出在实行软关断过程中对输入的驱动信号实现了闭锁。3