1引言

大功率ＩＧＢＴ作为大容量电力变流装置中最为关键的部件，在新能源接入、高速机车牵引、智能输配电、工业节能和国防装备等领域获得了广泛应用。ＩＧＢＴ门极驱动电路作为连接高压功率器件和低压控制电路的纽带，对器件的可靠运行起着至关重要的作用。目前，大功率ＩＧＢＴ门极驱动的发展趋势是主动门极控制和监控诊断功能［１１，主动门极控制是根据工作运行环境和工况，对ＩＧＢＴ开关过程进行主动精细化最优控制的一种方法。监控诊断功能是对ＩＧＢＴ运行过程中的关键参数进行监测，当ＩＧＢＴ参数发生异常时能够对器件实现可预测性保护及故障诊断。传统的ＩＧＢＴ门极驱动与控制器之间只能传输简单的开关命令以及故障信息，不能满足智能门极驱动发展趋势的需求。随着技术的进步，采用基于现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）设计的门极驱动为数据处理和通信提供了更大的灵活性ｗ。例如文献［３－４］中提到在ＩＧＢＴ发生故障发生时，驱动板可以按照一定规则对故障类型进行编码，上传至控制器，对于故障分析有一定的意义，但无法实现功率器件的在线状态监测。此处提出一种适用于大功率ＩＧＢＴ门极驱动的光纤数据通信协议架构及编码方法，基于该协议可以实现控制器和驱动板的双向数据通信，为ＩＧＢＴ的主动门极控制技术及监控诊断功能提供了一条信息高速公路，并通过实验验证了该通信协议的有效性。

２通信协议考虑因素

２．１数据编码方式考虑

在数字通信系统中，信号可以采用多种不同的码型进行传输，而在光纤数字通信系统中，一般以光的通（亮）、断（灭），代表二进制信号１和０。考虑到可靠性，１．７ｋＶ以上大功率ＩＧＢＴ门极驱动一般采用光纤通信方式实现ＩＧＢＴ的开关控制，因此众多的双极性码、多电平码均难以适用，只能采用单极性码。常用的单极性编码方式有：单极性非归零码（ＮＲＺ），单极性归零码（ＲＺ）、曼彻斯特编码、ｍＢｎＢ码等其中，曼彻斯特码是一种自同步编码，此种编码方式将时钟信息编码在数据流中，具有丰富的位同步信息。其编码原理为：将每一位ＮＲＺ的编码成两位“１０”和“０１”，且增加一次码内跳变，如图１所示。这些优势使得曼彻斯特码在数据传输中能够保证很强的抗干扰能力以及准确的同步恢复（６１。考虑到ＩＧＢＴ安全可靠运行，此处选用曼彻斯特编码方式实现数据通信。

２．２数据帧完整性考虑

ＩＧＢＴ在运行过程中载频周期一般固定不变，但ＰＷＭ信号的开通或关断时间不固定。一个完整的数据帧应该在一个开通或关断周期内传输完毕，为了不破坏通信数据的完整性，数据帧的传输时间应满足ＩＧＢＴ最小脉宽要求。高压大功率逆变器应用中ＩＧＢＴ最小脉宽一般为５叫以上。考虑到最小脉宽要求，一个完整的数据帧长度要小于５（ＪＬＳ。２．３信号传输速率考虑由于采用编码方式实现ＩＧＢＴ开关信号的传递，因此脉宽解码时间决定了驱动板的开关延迟时间。目前商用的大功率ＩＧＢＴ驱动板的延迟时间一般要求在５００ｎｓ以内。另外，当驱动电路开通或关断ＩＧＢＴ后，需要回传ＩＧＢＴ的状态或故障信息，返回的数据也要在ＩＧＢＴ开通或关断期间不能被中断，需要在５之内传输完毕。目前常规的ＩＧＢＴ驱动光纤速率一般为１Ｍｂｐｓ，对于ＩＧＢＴ的开关控制是够的，但如果采用编码方式传输信息，则无法满足要求，为了提高数据的传输速率及减小开关延迟时间，需要选用光纤速率为５０Ｍｂｐｓ，实际应用数据传输速率为２０Ｍｂｐｓ即可。

３通信协议设计

３．１通信协议架构设计

考虑到通信协议的通用性，设计的ＩＧＢＴ门极驱动光纤数据通信协议架构如图２所示。协议框架分为３层：物理层、数据链路层、用户应用层。其中物理层采用高速光纤作为传输介质。数据链路层采用固定脉冲编码和曼彻斯特混合编码方式，其中ＩＧＢＴ的开关信息采用固定编码，而数据信息采用曼彻斯特编码，下发数据主要包含ＩＧＢＴ的开关命令信息和ＩＧＢＴ主动门极控制数据，回传数据主要包含应答信息及ＩＧＢＴ的状态监测和故障诊断数据。第３层为应用层，驱动电路可以根据主动门极控制数据实时调节ＩＧＢＴ的开关暂态，主控制器可以读取ＩＧＢＴ的状态监测数据实现ＩＧＢＴ的健康管理或可预测性维护。

３．２控制器至驱动板编码方案

当控制器的编码模块接收到丨ＧＢＴ开关控制２．２数据帧完整性考虑ＩＧＢＴ在运行过程中载频周期一般固定不变，但ＰＷＭ信号的开通或关断时间不固定。一个完整的数据帧应该在一个开通或关断周期内传输完毕，为了不破坏通信数据的完整性，数据帧的传输时间应满足ＩＧＢＴ最小脉宽要求。高压大功率逆变器应用中ＩＧＢＴ最小脉宽一般为５叫以上。考虑到最小脉宽要求，一个完整的数据帧长度要小于５（ＪＬＳ。

３．３控制器至驱动板编码协议方案

驱动板至控制器的通信时序如图４所示，完整的数据由①开通应答信号、②开通返回数据帧、③关断应答信号、④关断返回数据帧４部分组成，其余时间信号保持低电平。其中，应答信号的持续时间要高于数据帧高电平的最大值。ＩＧＢＴ开通过程回传的数据帧和关断过程回传数据帧格式相同，主要包含ＩＧＢＴ运行中的状态监测数据及故障信息，编码格式同控制板至驱动板的数据格式。数据帧结束后，驱动板持续输出低电平。

４实验及分析

为了验证通信编码方法的可行性，设计主控制器和基于ＦＰＧＡ的数字型门极驱动电路。其中主控制器芯片由ＤＳＰ和ＦＰＧＡ构成，ＤＳＰ负责产生控制ＩＧＢＴ开通和关断的ＰＷＭ信号，ＦＰＧＡ负责对ＰＷＭ信号进行曼彻斯特编码，并通过高速光纤发送给驱动板ＦＰＧＡ。驱动板上的ＦＰＧＡ负责解码并驱动ＩＧＢＴ，同时负责将驱动板采集到的ＩＧＢＴ状态监测或故障诊断数据采用曼彻斯特编码方式发送给主控制器，硬件实验平台由主控制器（ＤＳＰ和ＦＰＧＡ）、门极驱动（ＦＰＧＡ）和高速光纤组成，数据通信速率为２０Ｍｂｐｓ。４．１主控数据帧测试主控下发的数据如图５ａ所示。曼彻斯特编码后的最小脉宽为５０ｎＳ，详细的数据帧格式如图５ｂ所示，开通信号为３ｂｉｔ高电平，传输的数据为０ｘ１５，采用奇校验方式，空闲数据为１。信号的开通延迟时间‘＝４００ｎｓ，对于高压大功率ＩＧＢＴ，该延迟属于正常范围。一个完整的数据传输时间总共包含２２ｂｉｔ的数据桢和３ｂｉｔ的开通信号，总共为１．２５叫，满足ＩＧＢＴ最小脉宽要求。

４．２返回数据帧测试

驱动板ＦＰＧＡ接收到曼彻斯特编码后，在ＩＧＢＴ开通和关断后都会返回一个３ｂｉｔ的应答信号和８ｂｉｔ的数据帧，如图６ａ所示。数据格式和下发数据相同，完整的数据帧传输时间为１．２５详细的数据格式如图６ｂ所示，该实验中返回的数据为０ｘ５５。ＩＧＢＴ关断返回数据格式和开通相同，但可以代表不同的数据，从而进一步提高光纤通信信道的利用率。５结论此处提出了一种适用于高压大功率ＩＧＢＴ智能门极驱动的光纤数据通信编码方法，基于该方法可以实现ＩＧＢＴ驱动板与主控制器的双向数据通信。在２０Ｍｂｐｓ的光纤通信速率下，传输一个字节的时间仅在１．２５｜ｘＳ，完全满足ＩＧＢＴ最小脉宽要求。该通信方法对于高压大功率ＩＧＢＴ的主动门极控制以及在线状态监测具有重要意义。

参考文献

［１］丁荣军，刘侃．新能源汽车电机驱动系统关键技术展望［Ｊ］．中国工程科学，２０１９，２１（３）：５６－６０．

［２］陈玉林，孙驰，张成，等．一种中大功率ＩＧＢＴ数字驱动器设计［Ｊ］．电力电子技术，２０１１，４５（１１）：１２４－１２７．

［３］贺长龙．大功率ＩＧＢＴ通用驱动器设计ｐ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１５．

［４］田超．智能高频大功率门极驱动技术研宂［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１９．

［５Ｊ孙伟．基于分布式控制的多电平变频调速系统ｐｊ．南京：南京航空航天大学，２０１７．

［６］董健，董会宁，陈虎，等．基于ＦＰＧＡ的曼彻斯特编解码器研究［Ｊ］无线通信技术，２０１０，１９（３）：５－８．

作者:耿程飞 张东来 吴轩钦 周志达 单位:哈尔滨工业大学 机电工程与自动化学院 深圳市英威腾电气股份有限公司