强大的数字型IGBT驱动器

1引言

随着电力电子器件技术的发展，大功率器件在轨道交通、直流输电、风力发电等领域的市场迅猛发展，其中以IGBT器件表现尤为突出，在具体的应用工况中，每一个IGBT模块都需要一个专门的驱动器，IGBT驱动器对IGBT的运行性能有着重大影响[1-3]。

传统利用模拟电路实现的IGBT驱动器技术较成熟，运行稳定，但是由于其驱动器各参数设置大都采用硬件实现，参数调整比较复杂，不同型号的IGBT必须设计不同的驱动器，本文利用数字控制器对栅极控制，可以灵活的修改驱动器的软件参数设置，来调整IGBT工作的性能，对于不同的IGBT型号，只需要加载不同的驱动程序，即可以解决传统驱动器产品的型号匹配问题。

如图1示，驱动器主要包括：高等级隔离电源、光纤通信接口、功率放大电路、检测保护电路、数字控制器等五部分。

2.1高等级隔离电源

高压IGBT驱动器设计中，电源设计是关键部分之一，电源的输出功率决定了IGBT在实际工作中能够使用的工作频率，如果电源输出功率不足，可能会在IGBT器件高频工作时，出现欠压现象，导致IGBT损耗增加，甚至造成IGBT损坏。

本设计中采用Ti公司的LM5025芯片设计反激式DC-DC电路(电路图见图2)，电路中的初级具有电流检测软起动功能，当电流检测电阻上的压降达到0.25V时，对电源起到很好的过流保护作用。

2.2光纤通信接口

在用户主控系统通信的接口设计上，选择抗干扰能力强的光纤通信，防止控制信号被干扰出现误触发。光纤选用HFBR-1522、HFBR-2522，光纤电路如图3。

2.3功率放大电路

选择导通阻抗非常低的mosFET作为开关器件，构成IGBT栅极功率输出电路，如图4，同时，采用多个栅极电阻切换的方式，实现不同条件下对IGBT性能的调整。在IGBT正常开关时，可以通过调整栅极电阻来控制器件的开关速度，达到优化器件效率的目的。在IGBT出现工作异常时(例如短路)，可以通过调整栅极电阻来控制器件的工作状态，防止器件损坏达到保护器件的目的。

2.4检测保护电路

为防止IGBT器件工作中出现任何异常故障，驱动器需要对IGBT的状态参数进行检测，如果发现异常，驱动器自动采取保护动作，并通知主控器。

欠压检测：目前各个IGBT厂商推荐IGBT器件工作时的栅极电压为±15V(栅极最大承受电压为±20V)，如果IGBT器件在工作中出现低于15V的情况，根据IGBT器件饱和压降VCE与栅极电压的关系(如图5示)，随着栅极电压的下降，IGBT饱和压降会增加，造成IGBT器件损耗增加，有可能会损坏器件，所以，必须对驱动器输出栅极的电压进行检测，如果出现欠压开通情况，驱动器要立即进行保护。同时需要注意，IGBT的短路电流与栅极电压成正比，所以当器件开通时栅极出现高于+15V电压，器件如果出现故障会出现比正常工况更大的短路电流，所以驱动器必须确保栅极开通电压处于合理的范围内。