车载变流器大功率IGBT 数字驱动方法研究

杨 宁

（1 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；3 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室，北京 100081）

功率模块是牵引辅助变流器的核心部件，用于功率模块的主要器件为IGBT（绝缘栅双极型晶体管）［1］。IGBT 的驱动技术是制约着功率模块自主研制的一项关键技术。IGBT 驱动器作为功率电路和控制器之间的接口电路，对系统的损耗和可靠性有极大的影响，在整个功率传输变换系统中起着举足轻重的作用。市场上大功率IGBT 驱动器种类较多，但在高电压大功率的应用中，由于强干扰、高成本、高可靠性要求等因素，需要设计专用的驱动器，确保IGBT 驱动信号的可靠性，并且满足用于大功率机车与动车牵引控制与辅助控制的特殊需求。传统的驱动保护方式全部采用模拟电路的方法，然而数字控制方式以它控制精度高，可控性强，便于和控制器信息交互等优点，广泛被使用在逻辑保护电路中［2-3］，文中正是针对高速动车组变流器大功率IGBT 数字驱动方法进行研究。

1 驱动保护构架

对于低功率等级的IGBT 保护，传统驱动保护方案的硬件结构多为“控制器+模拟驱动电路”的形式。IGBT 的底层保护主要通过“模拟驱动电路”完成，形式简单，保护级别单一。对于大功率的IGBT 保护，传统驱动保护方案的硬件结构多为“控制器+模拟脉冲分配电路+模拟驱动电路”的形式。相对于低功率等级IGBT 的驱动保护方案增加了“模拟脉冲分配电路”这一环节，然而这一环节的电路一般也不具备IGBT 的保护功能。因此，传统IGBT 的保护主要通过“模拟驱动电路”完成。

针对变流器大功率的IGBT 驱动保护，文中引入了“数字保护”的概念，即在脉冲分配电路和驱动电路同时使用数字控制芯片实施动态的逻辑处理和保护，即“控制器+数字脉冲分配电路+数字驱动电路”的方案，使得从控制器到驱动器形成数字化控制的统一体，这种方式既提高了控制策略的灵活度和响应速度，同时又因为采用了数字芯片，通过软件代码加密的方式可实现知识产权的有效保护。

2 数字脉冲分配

大功率IGBT 的保护通常都具有完善的栅极脉冲信号在驱动器前端的预处理功能，其目的是从IGBT 单桥臂级保证栅极脉冲的准确与可靠。而驱动器则是提供栅极功率，软开通、软关断的过电压、过电流、短路保护功能［4-5］。车载大功率变流器使用的IGBT 具有较高的工作电压或较大的工作电流，但开关频率相对较低。在散热条件允许的情况下，可通过开关频率的提升尽可能地发挥出IGBT 的最佳性能。鉴于上述特点，IGBT 在驱动器前端脉冲的预处理变得非常重要。脉冲预处理功能主要包括：

（1）驱动信号滤波处理

在大功率强磁场的工作条件下，驱动器在接收到控制器的栅极脉冲之后，极易受干扰，使得栅极脉冲产生不同程度的畸变，降低正确度。为了解决这种畸变问题，可对输入栅极脉冲进行数字滤波处理，包括波形的修形、波形的复原，确保电平和逻辑状态的稳定。

（2）驱动信号脉宽处理

鉴于大功率IGBT 对驱动脉冲的精细化要求，根据IGBT 器件的最佳开关频率，牵引辅助控制硬件电路对栅极脉冲宽度的影响，需对脉冲的宽度进行相应的限制和处理。例如：依据脉冲最小脉宽进行剔除误开通脉冲和误关断脉冲；依据控制策略的特点，识别有效窄脉宽并进行相应的拓展，保证IGBT 有足够的开通时间与关断时间；这种处理不但有效地解决了IGBT 在开关过程中因为脉冲的不合理造成IGBT 损坏，而且有效地还原了控制器发出的脉冲，使控制策略得到正确的输出。

（3）驱动信号自锁处理

根据大功率IGBT 开关频率相对较低的特点，为了防止高频干扰信号或更高开关频率导致IGBT的损坏，在数字脉冲分配这一环节应对IGBT 的开通频率和关断频率进行限制，实现IGBT 每次开通和关断时长的自锁功能。这种自锁功能同时保证了IGBT 开通的最小时长和关断的最小时长，不会对器件造成损伤。

（4）驱动信号互锁处理

大功率IGBT 桥臂的上下直通会对器件造成严重的损毁，这种直通的一个可能性原因是IGBT接收到了错误的直通脉冲。在数字脉冲分配这一环节加入单桥臂上下2 个IGBT 器件的栅极脉冲的互锁功能，目的是防止2 个管子的直通现象产生，即确保同桥臂任一个IGBT 可靠关断后，同桥臂的另一个IGBT 再可靠开通。

（5）驱动信号状态回传

为了让控制器及时知晓IGBT 实际执行的脉冲状态，通常数字脉冲分配这一环节需设置硬线通信信号，将驱动器实际执行脉冲信息回送给控制器。

3 数字驱动保护

数字驱动保护是驱动电路的核心。IGBT 的开通和关断过程控制是驱动和保护的关键。根据IGBT 开关的瞬态分析，不难发现IGBT 开关过程中存在两个主要问题：一是在IGBT 开通的过程中，由于突然快速关断续流二极管，造成电流过冲；二是在IGBT 关断的过程中，由于寄生电感的存在和突然快速关断IGBT，造成电压的过冲［6］。这两个问题是驱动保护的主要问题，IGBT 开关过程中其他的问题，例如振荡、电磁干扰，都可以从这两个主要的问题中推导出来。

由IGBT 的结构可知，其内部常常反并联1 个功率二极管，实现电流的双向流动，功率二极管的动态性能极大地影响着IGBT 的开关瞬态特性。功率二极管反向恢复电流的峰值为式（1）：

式中：diR/dt为反向恢复电流的变化率，由上式可以得到在反并联二极管快速关断的过程中，Irr正比于diR/dt，然而diR/dt与IGBT 集电极电流的变化率diC/dt又相一致，因此diC/dt影响着的Irr数值。

在IGBT 关断的过程中，电压过冲的大小正比于IGBT 集电极电流的变化率，比例关系为式（2）：

式中：LS为功率电子电路的杂散电感。由此可见，集电极电流变化率diC/dt可以影响IGBT 开通时的过电流、IGBT 关断时的过电压。根据IGBT 开通时diC/dt的表达式（3）、IGBT 关断时diC/dt的表达式（4），又可以得出通过改变可变参数Rg与VT的值可以改变的diC/dt变化率，从而可以改变Irr与Vos的值。

式中：VGG为栅极驱动电压；IL、Ip为负载电流；gm为IGBT 跨导；Rg为栅极驱动电阻；Cies为IGBT 的 输入寄生电容；VT为IGBT 导通的阈值电压；LS1为功率发射极与辅助发射极的杂散电感。

在实际的应用中，为了对Rg与VGG的控制进行解耦，可以固定VGG的参数，通过改变Rg参数的值，控制IGBT 开通关断过程中的diC/dt。VGG的选取，如果过大，一旦IGBT 过流，会造成内部寄生晶闸管的静态擎住效应，造成IGBT 失效。若选取过小，可能会使IGBT 工作在线性放大区，造成IGBT的发热损坏。VGG可以根据IGBT 器件手册，选取适当的参数。

由公式（1）、（2）可知，开通和关断过程中diC/dt的变化对Rg数量级要求各不相同，传统栅极驱动器配置2 个电阻Ron与Roff，通过模拟电路在IGBT 开通和关断过程中分别选通Ron与Roff。在开通时，为了减少Irr的值，可以选择较大一些的Ron，但是较大的Ron会延长开通时间，造成开通损耗的增加，影响了IGBT 的性能和工作状态。在关断时，为了减少Vos的值，选择较大一些的Roff，同样较大的Roff会造成关断损耗的增加。然而IGBT 的开通和关断分为多个过程［7］，单一的开通或关断电阻无法使得损耗和过电流、过电压达到最优，选择可变的电阻组合可以达到最优的目的。在IGBT开通关断瞬态过程中，根据开关过程的特性快速调节Rg的值，达到损耗和过电压、过电流的合理化分配，优化驱动器的目的。同时在故障时可以通过调节Rg的值，对IGBT 进行主动保护。

4 数字驱动硬件方案

为了达到IGBT 栅极驱动电阻快速可变的调节方案。可以通过选用数字驱动器中的可编程逻辑器件进行调节，调节的分辨率最小可以达到纳秒级别，性能完全满足驱动器对电阻切换的要求。在IGBT 数字脉冲分配和驱动硬件电路中，均集成了可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）作为核心逻辑处理芯片，由于CPLD具有高速的时钟步长，丰富的逻辑处理资源与严格的时序处理，适合运用在IGBT 脉冲的保护管理和栅极驱动电阻的数字调节上。驱动方案和方案原理如图1 所示，驱动电路通过数字控制调节栅极电阻，控制IGBT 的开关特性。

图1 数字驱动方案

其中CPLD 接收控制器的输入脉冲信号和故障的触发信号，并根据脉冲信号选择适合的栅极电阻并通过选通开关接入对应的电阻阵列，然后开通或关断IGBT，使开关过程中的diC/dt、du/dt和开关损耗在一个合理的范围内。CPLD 根据输入的故障信号选通开关接入对应的电阻阵列缓关IGBT 或提前关闭IGBT，达到有效保护IGBT 的目的。

5 试验与分析

5.1 测试环境

为了对驱动器在大功率IGBT 开关过程中的性能进行测试，采用常用的双脉冲测试方法［3］。双脉冲的第1 个脉冲在电感负载上形成试验电流，利用负载电感的电流连续特性，第2 个测试脉冲完成对被测试IGBT/FWD 的动态测试。测试电路采用单桥臂结构，负载选用电感，如图2 所示。在本次测试试验中，IGBT 选用英飞凌6 500 V/400 A 的开关器件，该器件续流二极管集成在IGBT 内部。根据器件手册，栅极驱动开通和关断电压分别选取+15 V 和-15 V。双脉冲测试电路的直流环节电压为3 000 V，集电极稳态电流为350 A。

图2 双脉冲试验电路

5.2 试验结果与分析

数字脉冲分配将双脉冲传递给驱动，脉冲发送与反馈的二进制波形和双脉冲到驱动电压的波形如图3 所示，从2 个图中可以看出控制信号到驱动电压信号得到了良好的传递。

图3 数字脉冲分配的形成

为了对驱动在固定电阻和可变电阻下的性能进行测试，根据开通过程，选择2 组固定电阻满足条 件Rmin＜R1＜R2＜R3＜R4＜Rmax，Rmin是开通允许最小栅极电阻，Rmax是开通允许最大栅极电阻。对于R1、R2、R3和R4分别在双脉冲的试验台上进行试验，将第2 个开通脉冲的瞬态波形记录，并分别对开通瞬间集电极电流、集电极发射极之间电压、栅极电压进行对比。栅极电阻为R1、R2、R3和R4的情况下的开通瞬间集电极电流波形如图4（a）所示，图中横坐标为时间500 ns/div，纵坐标为电流幅值200 A/div。从图中可以看出，栅极驱动电阻越小，开通时间越短，但是会使得开通电流产生较大的diC/dt和电流过冲。反之栅极驱动电阻越大，开通时间越长，开通电流产生的di/dt和电流过冲就越小，但造成开通损耗就越大。栅极电阻为R1、R2、R3和R4的情况下的开通瞬间集电极—发射极电压波形如图4（b）所示，图中横坐标为时间1 μs/div，纵坐标为电压幅值500 V/div。从图中可以看出栅极驱动电阻对开通电压的影响，栅极驱动电阻越大开通时间越长，造成的开通损耗也越大。

图4 开通瞬间电流电压波形

造成电阻影响开通速度的原因，从栅极驱动电阻和栅极电压的对比可以得到。栅极电阻为R1、R2、R3和R4的情况下的开通瞬间栅极驱动电压波形如图5 所示，图中横坐标为时间1 μs/div，纵坐标为电压幅值5 V/div。从图中可以看出栅极驱动电阻对栅极电压的影响，驱动电阻越大充电时间越长，开通时间就越久。

图5 开通瞬间栅极电压波形对比

通过上面集电极电流、集电极—发射极电压和栅极驱动电压几组波形的分析，可以得到，在IGBT 的开通过程中，栅极驱动电阻对开通瞬态有较大的影响。当栅极驱动电阻较小时，IGBT 的开通速度较快，损耗较小，但是造成开通较大的diC/dt和电流尖峰；当栅极驱动电阻较大时，IGBT 的开通速度较慢，损耗较大，但是diC/dt和电流尖峰较小。

依据IGBT 开通过程中的瞬态分析，开通可分为3 个时间段，分别为达到栅极门槛电压值之前、达到栅极门槛电压值之后、开通尾段。我们可以根据各自不同的特点来选择栅极驱动电阻，达到对开通过程要求的控制。第一个阶段，IGBT 的栅极驱动电压还没有到达门槛值之前，开通延迟时间td（on）应尽可能短，通过较大的栅极充电电流使栅极驱动电压快速充电到门槛电压值。

一旦栅极电压到达门槛值之后，进入第二阶段，集电极电流开始上升，通过改变栅极电流的充电速度，可以控制开通过程的diC/dt，同时还可以控制反并联二极管的反向恢复电流峰值。较小的栅极驱动电流可以降低此过程的diC/dt，在降低diC/dt的同时，降低了反并联二极管恢复电流的影响。在此过程中带来的这个影响包括突然关断二极管造成桥臂中互补IGBT 的过电压和反向恢复过程中电磁干扰。

当集电极电流上升到峰值后，进入第三阶段，在此时间段可通过较大的栅极驱动电流加快开通的速度，减小开通的拖尾电压，降低开通过程中的功率损耗。同时也缩短了米勒平台的时间。

经过分析，通过数字驱动方案，在开通的3 个时间段选择合理的电阻进行试验，开通瞬态波形如图6 所示。图中横坐标为时间1 μs/div，纵坐标IC为电流幅值200 A/div，VGE为电压幅值5 V/div。

图6 优化后开通瞬间电压电流波形

图中标出了栅极驱动电压VGE、栅射极电压VCE、集电极电流IC、开通损耗Eon。通过3 个时间段的切换电阻，将集电极电流diC/dt、峰值电流ICmax和开通损耗Eon进行对比，见表1。

表1 不同栅极驱动电阻下IGBT 开通瞬间参数

根据表格得出在变栅极驱动电阻的情况下，可以在获得相对较小集电极电流和diC/dt的情况下，同时使得IGBT 的开通损耗控制在一个比较理想的范围内。与固定电阻的驱动方式相比，有了很大的提升。

依据该方法，选择固定电阻R4、R5、R6，满足条件Rmin＜R4＜R5＜R6＜Rmax，Rmin是关断允许最小栅极电阻，Rmax是IGBT 关断允许最大栅极电阻。进行关断瞬态的电参数分析，得到IGBT 关断时的优化波形，数字驱动方案关断瞬间波形如图7 所示，图中横坐标为时间1 μs/div，纵坐标VCE为电压幅值200 V/div，VGE为电压幅值5 V/div。并形成关断瞬间集射极过电压，du/dt和关断损耗参数对比见表2。

表2 不同栅极驱动电阻下IGBT 关断瞬间参数

图7 数字驱动方案关断瞬间波形

根据表2 的对比，得出在可变电阻的情况下，可以在获得相对较小集电极过电压和du/dt的情况下，同时使得IGBT 的关断损耗控制在一个比较理想的范围内。与固定电阻的驱动方式，有了很大的提升。

6 结论

文中针对车载大功率变流器在自主化设计过程中遇到的IGBT 驱动关键技术难题，开展了详细的分析研究，通过对比不同的IGBT 驱动保护方式，提出了“数字驱动”的概念和“数字脉冲分配+数字驱动”的总体保护构架，并详细阐述了数字脉冲分配的主要功能和数字驱动电路的基本原理和基本理论。在此基础上设计了适合大功率IGBT保护的数字驱动方案，使得开关过程中驱动电阻动态可调，实现了IGBT 故障后的可靠关断与开通关断瞬间过电压、过电流与损耗的最优化分配。最后选取某高压IGBT 器件通过双脉冲试验验证了数字驱动方案的可行性。此设计方案已成功转化为产品，批量运用在既有机车和动车组的变流器上。