智能門極驅動光纖通信研究

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1引言

大功率ＩＧＢＴ作為大容量電力變流裝置中最為關鍵的部件，在新能源接入、高速機車牽引、智能輸配電、工業節能和國防裝備等領域獲得了廣泛應用。ＩＧＢＴ門極驅動電路作為連接高壓功率器件和低壓控制電路的紐帶，對器件的可靠運行起著至關重要的作用。目前，大功率ＩＧＢＴ門極驅動的發展趨勢是主動門極控制和監控診斷功能［１１，主動門極控制是根據工作運行環境和工況，對ＩＧＢＴ開關過程進行主動精細化最優控制的一種方法。監控診斷功能是對ＩＧＢＴ運行過程中的關鍵參數進行監測，當ＩＧＢＴ參數發生異常時能夠對器件實現可預測性保護及故障診斷。傳統的ＩＧＢＴ門極驅動與控制器之間只能傳輸簡單的開關命令以及故障信息，不能滿足智能門極驅動發展趨勢的需求。隨著技術的進步，采用基于現場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）設計的門極驅動為數據處理和通信提供了更大的靈活性ｗ。例如文獻［３－４］中提到在ＩＧＢＴ發生故障發生時，驅動板可以按照一定規則對故障類型進行編碼，上傳至控制器，對于故障分析有一定的意義，但無法實現功率器件的在線狀態監測。此處提出一種適用于大功率ＩＧＢＴ門極驅動的光纖數據通信協議架構及編碼方法，基于該協議可以實現控制器和驅動板的雙向數據通信，為ＩＧＢＴ的主動門極控制技術及監控診斷功能提供了一條信息高速公路，并通過實驗驗證了該通信協議的有效性。

２通信協議考慮因素

２．１數據編碼方式考慮

在數字通信系統中，信號可以采用多種不同的碼型進行傳輸，而在光纖數字通信系統中，一般以光的通（亮）、斷（滅），代表二進制信號１和０。考慮到可靠性，１．７ｋＶ以上大功率ＩＧＢＴ門極驅動一般采用光纖通信方式實現ＩＧＢＴ的開關控制，因此眾多的雙極性碼、多電平碼均難以適用，只能采用單極性碼。常用的單極性編碼方式有：單極性非歸零碼（ＮＲＺ），單極性歸零碼（ＲＺ）、曼徹斯特編碼、ｍＢｎＢ碼等其中，曼徹斯特碼是一種自同步編碼，此種編碼方式將時鐘信息編碼在數據流中，具有豐富的位同步信息。其編碼原理為：將每一位ＮＲＺ的編碼成兩位“１０”和“０１”，且增加一次碼內跳變，如圖１所示。這些優勢使得曼徹斯特碼在數據傳輸中能夠保證很強的抗干擾能力以及準確的同步恢復（６１。考慮到ＩＧＢＴ安全可靠運行，此處選用曼徹斯特編碼方式實現數據通信。

２．２數據幀完整性考慮

ＩＧＢＴ在運行過程中載頻周期一般固定不變，但ＰＷＭ信號的開通或關斷時間不固定。一個完整的數據幀應該在一個開通或關斷周期內傳輸完畢，為了不破壞通信數據的完整性，數據幀的傳輸時間應滿足ＩＧＢＴ最小脈寬要求。高壓大功率逆變器應用中ＩＧＢＴ最小脈寬一般為５叫以上。考慮到最小脈寬要求，一個完整的數據幀長度要小于５（ＪＬＳ。２．３信號傳輸速率考慮由于采用編碼方式實現ＩＧＢＴ開關信號的傳遞，因此脈寬解碼時間決定了驅動板的開關延遲時間。目前商用的大功率ＩＧＢＴ驅動板的延遲時間一般要求在５００ｎｓ以內。另外，當驅動電路開通或關斷ＩＧＢＴ后，需要回傳ＩＧＢＴ的狀態或故障信息，返回的數據也要在ＩＧＢＴ開通或關斷期間不能被中斷，需要在５之內傳輸完畢。目前常規的ＩＧＢＴ驅動光纖速率一般為１Ｍｂｐｓ，對于ＩＧＢＴ的開關控制是夠的，但如果采用編碼方式傳輸信息，則無法滿足要求，為了提高數據的傳輸速率及減小開關延遲時間，需要選用光纖速率為５０Ｍｂｐｓ，實際應用數據傳輸速率為２０Ｍｂｐｓ即可。

３通信協議設計

３．１通信協議架構設計

考慮到通信協議的通用性，設計的ＩＧＢＴ門極驅動光纖數據通信協議架構如圖２所示。協議框架分為３層：物理層、數據鏈路層、用戶應用層。其中物理層采用高速光纖作為傳輸介質。數據鏈路層采用固定脈沖編碼和曼徹斯特混合編碼方式，其中ＩＧＢＴ的開關信息采用固定編碼，而數據信息采用曼徹斯特編碼，下發數據主要包含ＩＧＢＴ的開關命令信息和ＩＧＢＴ主動門極控制數據，回傳數據主要包含應答信息及ＩＧＢＴ的狀態監測和故障診斷數據。第３層為應用層，驅動電路可以根據主動門極控制數據實時調節ＩＧＢＴ的開關暫態，主控制器可以讀取ＩＧＢＴ的狀態監測數據實現ＩＧＢＴ的健康管理或可預測性維護。

３．２控制器至驅動板編碼方案

當控制器的編碼模塊接收到丨ＧＢＴ開關控制２．２數據幀完整性考慮ＩＧＢＴ在運行過程中載頻周期一般固定不變，但ＰＷＭ信號的開通或關斷時間不固定。一個完整的數據幀應該在一個開通或關斷周期內傳輸完畢，為了不破壞通信數據的完整性，數據幀的傳輸時間應滿足ＩＧＢＴ最小脈寬要求。高壓大功率逆變器應用中ＩＧＢＴ最小脈寬一般為５叫以上。考慮到最小脈寬要求，一個完整的數據幀長度要小于５（ＪＬＳ。

３．３控制器至驅動板編碼協議方案

驅動板至控制器的通信時序如圖４所示，完整的數據由①開通應答信號、②開通返回數據幀、③關斷應答信號、④關斷返回數據幀４部分組成，其余時間信號保持低電平。其中，應答信號的持續時間要高于數據幀高電平的最大值。ＩＧＢＴ開通過程回傳的數據幀和關斷過程回傳數據幀格式相同，主要包含ＩＧＢＴ運行中的狀態監測數據及故障信息，編碼格式同控制板至驅動板的數據格式。數據幀結束后，驅動板持續輸出低電平。

４實驗及分析

為了驗證通信編碼方法的可行性，設計主控制器和基于ＦＰＧＡ的數字型門極驅動電路。其中主控制器芯片由ＤＳＰ和ＦＰＧＡ構成，ＤＳＰ負責產生控制ＩＧＢＴ開通和關斷的ＰＷＭ信號，ＦＰＧＡ負責對ＰＷＭ信號進行曼徹斯特編碼，并通過高速光纖發送給驅動板ＦＰＧＡ。驅動板上的ＦＰＧＡ負責解碼并驅動ＩＧＢＴ，同時負責將驅動板采集到的ＩＧＢＴ狀態監測或故障診斷數據采用曼徹斯特編碼方式發送給主控制器，硬件實驗平臺由主控制器（ＤＳＰ和ＦＰＧＡ）、門極驅動（ＦＰＧＡ）和高速光纖組成，數據通信速率為２０Ｍｂｐｓ。４．１主控數據幀測試主控下發的數據如圖５ａ所示。曼徹斯特編碼后的最小脈寬為５０ｎＳ，詳細的數據幀格式如圖５ｂ所示，開通信號為３ｂｉｔ高電平，傳輸的數據為０ｘ１５，采用奇校驗方式，空閑數據為１。信號的開通延遲時間‘＝４００ｎｓ，對于高壓大功率ＩＧＢＴ，該延遲屬于正常范圍。一個完整的數據傳輸時間總共包含２２ｂｉｔ的數據楨和３ｂｉｔ的開通信號，總共為１．２５叫，滿足ＩＧＢＴ最小脈寬要求。

４．２返回數據幀測試

驅動板ＦＰＧＡ接收到曼徹斯特編碼后，在ＩＧＢＴ開通和關斷后都會返回一個３ｂｉｔ的應答信號和８ｂｉｔ的數據幀，如圖６ａ所示。數據格式和下發數據相同，完整的數據幀傳輸時間為１．２５詳細的數據格式如圖６ｂ所示，該實驗中返回的數據為０ｘ５５。ＩＧＢＴ關斷返回數據格式和開通相同，但可以代表不同的數據，從而進一步提高光纖通信信道的利用率。５結論此處提出了一種適用于高壓大功率ＩＧＢＴ智能門極驅動的光纖數據通信編碼方法，基于該方法可以實現ＩＧＢＴ驅動板與主控制器的雙向數據通信。在２０Ｍｂｐｓ的光纖通信速率下，傳輸一個字節的時間僅在１．２５｜ｘＳ，完全滿足ＩＧＢＴ最小脈寬要求。該通信方法對于高壓大功率ＩＧＢＴ的主動門極控制以及在線狀態監測具有重要意義。

參考文獻

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作者:耿程飛 張東來 吳軒欽 周志達 單位:哈爾濱工業大學 機電工程與自動化學院 深圳市英威騰電氣股份有限公司