基于跳变沿识别的IGBT驱动电路窄脉冲抑制方法

中车永济电机有限公司 杨春宇 马 瑞 陈 宏

基于跳变沿识别的IGBT驱动电路窄脉冲抑制方法

中车永济电机有限公司 杨春宇 马 瑞 陈 宏

复合全控型器件IGBT在现代电力电子系统中被广泛应用，在工程实践中，由于电源的不稳定以及控制信号受到干扰引起的窄脉冲会造成IGBT的损坏，常用的低通滤波的方式并不能完全消除窄脉冲。本文提出了一种基于跳变沿识别的窄脉冲抑制方法，可以有效的避免窄脉冲损坏IGBT。

IGBT；窄脉冲；跳变沿

0 引言

IGBT的驱动电路需要确保低压电路与高压电路的隔离、具有保护IGBT模块免受损坏的功能，同时还会影响IGBT的续流二极管的动态特性。若驱动板接收到窄脉冲的开关信号时，使器件未完全开通又发生关断动作，或是未完全关断又发生开通动作，对器件影响较大，本文将结合实践，提出一种基于跳变沿识别的窄脉冲抑制方法。

1 窄脉冲产生的原因

IGBT接收的窄脉冲分为两种情况，一种是系统控制单元发生的PWM波与半桥模式中上下桥臂的死区时间配合不当，使得IGBT或续流二级管在换流的过程中出现窄脉冲[1]，而在系统设计及调试过程中，对死区的设置以及PWM信号的监控和调试可以避免出现上述问题，并且在控制单元的软硬件设计中，通常都有最小脉宽的限制，因此，设计源头出现IGBT接收窄脉冲的情况并不多。

在工程实践中，由于电路器件的不稳定、电源的波动、以电或是光的形式传输的开关信号受到干扰等原因引起的窄脉冲现象时有发生，并且很难完全的消除。例如，在高压应用的设备中，需要尽可能保护硬件，而IGBT开关信号传输线中的磁耦合可能引起电压瞬变，如果这个电压达到了驱动器输入电路的阈值电压，则IGBT会异常开通或关断。

2 窄脉冲对IGBT的影响

若IGBT接收到了窄的开通或关断信号，导致其没有足够长时间的开通或关断，则这些窄的脉冲会造成耦合电容电荷的变化，增加IGBT的损耗及对周围环境的影响，一般不会对负载电流幅值有影响。当IGBT或续流二级管芯片刚开始开通时，载流子会以一定的速度在半导体内传输。当在载流子扩散时关断IGBT或二级管芯片，和在载流子完全充满后关断相比，由此产生的电流变化率DIC/DT或者DIF/DT可能会增加，由于IGBT的DI/DT升高，加上换流通路中的杂散电感的作用，会产生更高的关断电压过冲和增加二极管的反向恢复电流，并可能产生一个不可接受的电压变化率DU/DT，当开通时间较短时，常常伴有振荡，进而使IGBT或二极管受到损伤[2]。

3 窄脉冲抑制方法

3.1 常用的窄脉冲抑制方法

在对微控制器编程时就应考虑生成IGBT门极驱动的控制信号的最短开通时间，驱动信号的板卡也要有最窄脉冲的限制，这就从信号输出的层面最大程度避免了窄脉冲的产生，但由于硬件的不稳定、控制线中的磁耦合或是光纤信号受到干扰等原因产生的窄脉冲同样能传输到门极驱动电路，并触发IGBT或二极管不正常的开通或关断，门极驱动器最简单的窄脉冲抑制方法是在输入端增加具有低通滤波功能的施密特触发器（图1），将最小脉冲的时间设置在100-800ns之间，高压（3.3∽6.5KV）的器件，可以将最小脉冲时间适当的延长，但同时瞬变时间误差会增加[2]，由于该电路能过滤掉的窄脉冲宽度由RC以及施密特触发器的滞回时间决定，因此脉宽稍长于该时间的脉冲依然会以窄脉冲的形式传递到后级电路。

图1 低通滤波施密特触发器

3.2 基于跳变沿识别的窄脉冲抑制方法

为了从根本上识别并保护IGBT，本文提出了一种基于跳变沿识别的窄脉冲抑制方法（图2）。IGBT开关信号经低通滤波传输到驱动电路板后，在将该信号正常传达到IGBT的同时，由跳变沿识别电路对该信号是否存在跳变沿进行识别，如果输入信号存在一个由低到高或由高到低的跳变，跳变沿识别电路将触发计时器进行计时，当在预先设定的窄脉冲判定时间t内，如再次检测到一个跳变沿，则判定驱动板接收到了窄脉冲，将驱动板故障状态位置位，锁定IGBT的驱动输入通道，并向控制单元反馈故障状态信号, 同时判断如当前的IGBT为开通状态，则延时T时间后向IGBT发送关断信号，如当前IGBT为关断状断，则保持IGBT的关断。该功能与驱动板的其它保护功能互不影响。

图2 基于跳变沿识别的窄脉冲抑制逻辑图

4 结论

识别窄脉冲，然后对IGBT进行关断，并通知控制单元，可有效的防止各种原因导致的窄脉冲损伤IGBT。该方法已在大功率机车牵引功率模块IGBT驱动电路中成功应用，实践证明，在线路干扰引入窄脉冲的情况下，可有效的保护IGBT。

[1]陶灿辉,吴文婷,徐萌萌,丁力．IGBT模块窄脉冲解决方案[J]．电力电子技术,2015,49(2):47-48．

[2](德)安德烈亚斯．福尔克,麦克尔．郝康普著．IGBT模块:技术、驱动和应用(第2版)[M]．韩金刚译．北京:机械工业出版社,2016:213,225-227．