大功率IGBT在电力电子装置中需承受极高的电压、电流应力及短路故障等恶劣的工作环境,IGBT驱动器作为连接控制电路和功率电路的桥梁,直接决定了IGBT的运行性能,通过高效可靠的IGBT驱动器能使大功率IGBT运行在优化的工作状态并能处理各种故障状态。经过研究分析IGBT内部结构、工作特性及失效机理,提出了大功率IGBT驱动器需满足的驱动条件及保护要求。本文分别基于模拟电路和数字处理器FPGA分别设计了针对IHM 130 X 140mm和Prime PACKTM封装的即插即用的大功率IGBT驱动器。论文首先分析了IGBT内部结构及载流子运动特点,并与外部工作特性相结合,进行了IGBT失效机理研究。研究指出通过驱动电压的选择可控制IGBT的工作区,通过门极电阻的选择可控制IGBT开关速度;进而提出基于反馈思想抑制关断尖峰电压的保护控制策略,设计了有源钳位与di/dt反馈电路,并优化了反馈回路关键参数,同时采用基于恒流源的UCE检测电路与软关断电路有效的防止了大功率IGBT由于短路故障引起热击穿现象的发生。论文基于模拟电路设计了针对IHM 130 X 140mm封装的单管大功率IGBT驱动器,包括DC/DC隔离辅助电源、信号调理电路、辅助源欠压保护、基于UCE检测的短路保护电路、有源钳位电路和di/dt反馈电路等部分。建立了双脉冲实验平台与半桥实验平台,对驱动板在各种工况下进行了测试,验证了所设计的驱动板的有效性及可靠性。论文继续研究了目前新能源并网场合大量应用的Prime PACKTM封装半桥大功率IGBT驱动器,针对采用模拟电路的驱动器存在的不足,论文采用以FPGA为驱动器系统信号处理的核心,能方便和准确地安排驱动与保护信号时序,有效的解决模拟电路中控制电路复杂和不一致等缺陷。论文提出了一种双N-MOSFET推动级电路结构,并与软关断电路配合,在短路故障时导通,能够极大的减小短路保护时尖峰电压值。最后,通过双脉冲实验平台进行有源钳位及短路保护验证,在半桥实验平台模拟不同开关频率下高电压、大电流应用,实验结果表明,基于FPGA的半桥型驱动器响应速度快,具备完善的保护功能,能够应用于不同的工业应用场合。
