導(dǎo)言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的1篇智能門極驅(qū)動光纖通信研究，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

1引言

大功率ＩＧＢＴ作為大容量電力變流裝置中最為關(guān)鍵的部件，在新能源接入、高速機(jī)車牽引、智能輸配電、工業(yè)節(jié)能和國防裝備等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。ＩＧＢＴ門極驅(qū)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(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。目前，大功率ＩＧＢＴ門極驅(qū)動的發(fā)展趨勢是主動門極控制和監(jiān)控診斷功能［１１，主動門極控制是根據(jù)工作運(yùn)行環(huán)境和工況，對ＩＧＢＴ開關(guān)過程進(jìn)行主動精細(xì)化最優(yōu)控制的一種方法。監(jiān)控診斷功能是對ＩＧＢＴ運(yùn)行過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)ＩＧＢＴ參數(shù)發(fā)生異常時能夠?qū)ζ鳎嵓?shí)現(xiàn)可預(yù)測性保護(hù)及故障診斷。傳統(tǒng)的ＩＧＢＴ門極驅(qū)動與控制器之間只能傳輸簡單的開關(guān)命令以及故障信息，不能滿足智能門極驅(qū)動發(fā)展趨勢的需求。隨著技術(shù)的進(jìn)步，采用基于現(xiàn)場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）設(shè)計的門極驅(qū)動為數(shù)據(jù)處理和通信提供了更大的靈活性ｗ。例如文獻(xiàn)［３－４］中提到在ＩＧＢＴ發(fā)生故障發(fā)生時，驅(qū)動板可以按照一定規(guī)則對故障類型進(jìn)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(shí)現(xiàn)功率器件的在線狀態(tài)監(jiān)測。此處提出一種適用于大功率ＩＧＢＴ門極驅(qū)動的光纖數(shù)據(jù)通信協(xié)議架構(gòu)及編碼方法，基于該協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)控制器和驅(qū)動板的雙向數(shù)據(jù)通信，為ＩＧＢＴ的主動門極控制技術(shù)及監(jiān)控診斷功能提供了一條信息高速公路，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該通信協(xié)議的有效性。

２通信協(xié)議考慮因素

２．１數(shù)據(jù)編碼方式考慮

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號可以采用多種不同的碼型進(jìn)行傳輸，而在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，一般以光的通（亮）、斷（滅），代表二進(jìn)制信號１和０。考慮到可靠性，１．７ｋＶ以上大功率ＩＧＢＴ門極驅(qū)動一般采用光纖通信方式實(shí)現(xiàn)ＩＧＢＴ的開關(guān)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(shù)據(jù)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(nèi)跳變，如圖１所示。這些優(yōu)勢使得曼徹斯特碼在數(shù)據(jù)傳輸中能夠保證很強(qiáng)的抗干擾能力以及準(zhǔn)確的同步恢復(fù)（６１?？紤]到ＩＧＢＴ安全可靠運(yùn)行，此處選用曼徹斯特編碼方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

２．２數(shù)據(jù)幀完整性考慮

ＩＧＢＴ在運(yùn)行過程中載頻周期一般固定不變，但ＰＷＭ信號的開通或關(guān)斷時間不固定。一個完整的數(shù)據(jù)幀應(yīng)該在一個開通或關(guān)斷周期內(nèi)傳輸完畢，為了不破壞通信數(shù)據(jù)的完整性，數(shù)據(jù)幀的傳輸時間應(yīng)滿足ＩＧＢＴ最小脈寬要求。高壓大功率逆變器應(yīng)用中ＩＧＢＴ最小脈寬一般為５叫以上?？紤]到最小脈寬要求，一個完整的數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)ＩＧＢＴ開關(guān)信號的傳遞，因此脈寬解碼時間決定了驅(qū)動板的開關(guān)延遲時間。目前商用的大功率ＩＧＢＴ驅(qū)動板的延遲時間一般要求在５００ｎｓ以內(nèi)。另外，當(dāng)驅(qū)動電路開通或關(guān)斷ＩＧＢＴ后，需要回傳ＩＧＢＴ的狀態(tài)或故障信息，返回的數(shù)據(jù)也要在ＩＧＢＴ開通或關(guān)斷期間不能被中斷，需要在５之內(nèi)傳輸完畢。目前常規(guī)的ＩＧＢＴ驅(qū)動光纖速率一般為１Ｍｂｐｓ，對于ＩＧＢＴ的開關(guān)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(shù)據(jù)的傳輸速率及減?。嶉_關(guān)延遲時間，需要選用光纖速率為５０Ｍｂｐｓ，實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸速率為２０Ｍｂｐｓ即可。

３通信協(xié)議設(shè)計

３．１通信協(xié)議架構(gòu)設(shè)計

考慮到通信協(xié)議的通用性，設(shè)計的ＩＧＢＴ門極驅(qū)動光纖數(shù)據(jù)通信協(xié)議架構(gòu)如圖２所示。協(xié)議框架分為３層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、用戶應(yīng)用層。其中物理層采用高速光纖作為傳輸介質(zhì)。數(shù)據(jù)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(guān)信息采用固定編碼，而數(shù)據(jù)信息采用曼徹斯特編碼，下發(fā)數(shù)據(jù)主要包含ＩＧＢＴ的開關(guān)命令信息和ＩＧＢＴ主動門極控制數(shù)據(jù)，回傳數(shù)據(jù)主要包含應(yīng)答信息及ＩＧＢＴ的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷數(shù)據(jù)。第３層為應(yīng)用層，驅(qū)動電路可以根據(jù)主動門極控制數(shù)據(jù)實(shí)時調(diào)節(jié)ＩＧＢＴ的開關(guān)暫態(tài)，主控制器可以讀?。桑牵拢缘臓顟B(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)ＩＧＢＴ的健康管理或可預(yù)測性維護(hù)。

３．２控制器至驅(qū)動板編碼方案

當(dāng)控制器的編碼模塊接收到丨ＧＢＴ開關(guān)控制２．２數(shù)據(jù)幀完整性考慮ＩＧＢＴ在運(yùn)行過程中載頻周期一般固定不變，但ＰＷＭ信號的開通或關(guān)斷時間不固定。一個完整的數(shù)據(jù)幀應(yīng)該在一個開通或關(guān)斷周期內(nèi)傳輸完畢，為了不破壞通信數(shù)據(jù)的完整性，數(shù)據(jù)幀的傳輸時間應(yīng)滿足ＩＧＢＴ最小脈寬要求。高壓大功率逆變器應(yīng)用中ＩＧＢＴ最小脈寬一般為５叫以上?？紤]到最小脈寬要求，一個完整的數(shù)據(jù)幀長度要小于５（ＪＬＳ。

３．３控制器至驅(qū)動板編碼協(xié)議方案

驅(qū)動板至控制器的通信時序如圖４所示，完整的數(shù)據(jù)由①開通應(yīng)答信號、②開通返回數(shù)據(jù)幀、③關(guān)斷應(yīng)答信號、④關(guān)斷返回數(shù)據(jù)幀４部分組成，其余時間信號保持低電平。其中，應(yīng)答信號的持續(xù)時間要高于數(shù)據(jù)幀高電平的最大值。ＩＧＢＴ開通過程回傳的數(shù)據(jù)幀和關(guān)斷過程回傳數(shù)據(jù)幀格式相同，主要包含ＩＧＢＴ運(yùn)行中的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及故障信息，編碼格式同控制板至驅(qū)動板的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)幀結(jié)束后，驅(qū)動板持續(xù)輸出低電平。

４實(shí)驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證通信編碼方法的可行性，設(shè)計主控制器和基于ＦＰＧＡ的數(shù)字型門極驅(qū)動電路。其中主控制器芯片由ＤＳＰ和ＦＰＧＡ構(gòu)成，ＤＳＰ負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制ＩＧＢＴ開通和關(guān)斷的ＰＷＭ信號，ＦＰＧＡ負(fù)責(zé)對ＰＷＭ信號進(jìn)行曼徹斯特編碼，并通過高速光纖發(fā)送給驅(qū)動板ＦＰＧＡ。驅(qū)動板上的ＦＰＧＡ負(fù)責(zé)解碼并驅(qū)動ＩＧＢＴ，同時負(fù)責(zé)將驅(qū)動板采集到的ＩＧＢＴ狀態(tài)監(jiān)測或故障診斷數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼方式發(fā)送給主控制器，硬件實(shí)驗(yàn)平臺由主控制器（ＤＳＰ和ＦＰＧＡ）、門極驅(qū)動（ＦＰＧＡ）和高速光纖組成，數(shù)據(jù)通信速率為２０Ｍｂｐｓ。４．１主控數(shù)據(jù)幀測試主控下發(fā)的數(shù)據(jù)如圖５ａ所示。曼徹斯特編碼后的最小脈寬為５０ｎＳ，詳細(xì)的數(shù)據(jù)幀格式如圖５ｂ所示，開通信號為３ｂｉｔ高電平，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為０ｘ１５，采用奇校驗(yàn)方式，空閑數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸時間總共包含２２ｂｉｔ的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀測試

驅(qū)動板ＦＰＧＡ接收到曼徹斯特編碼后，在ＩＧＢＴ開通和關(guān)斷后都會返回一個３ｂｉｔ的應(yīng)答信號和８ｂｉｔ的數(shù)據(jù)幀，如圖６ａ所示。數(shù)據(jù)格式和下發(fā)數(shù)據(jù)相同，完整的數(shù)據(jù)幀傳輸時間為１．２５詳細(xì)的數(shù)據(jù)格式如圖６ｂ所示，該實(shí)驗(yàn)中返回的數(shù)據(jù)為０ｘ５５。ＩＧＢＴ關(guān)斷返回數(shù)據(jù)格式和開通相同，但可以代表不同的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步提高光纖通信信道的利用率。５結(jié)論此處提出了一種適用于高壓大功率ＩＧＢＴ智能門極驅(qū)動的光纖數(shù)據(jù)通信編碼方法，基于該方法可以實(shí)現(xiàn)ＩＧＢＴ驅(qū)動板與主控制器的雙向數(shù)據(jù)通信。在２０Ｍｂｐｓ的光纖通信速率下，傳輸一個字節(jié)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(tài)監(jiān)測具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

［１］丁榮軍，劉侃．新能源汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望［Ｊ］．中國工程科學(xué)，２０１９，２１（３）：５６－６０．

［２］陳玉林，孫馳，張成，等．一種中大功率ＩＧＢＴ數(shù)字驅(qū)動器設(shè)計［Ｊ］．電力電子技術(shù)，２０１１，４５（１１）：１２４－１２７．

［３］賀長龍．大功率ＩＧＢＴ通用驅(qū)動器設(shè)計ｐ］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，２０１５．

［４］田超．智能高頻大功率門極驅(qū)動技術(shù)研宂［Ｄ］．北京：北京交通大學(xué)，２０１９．

［５Ｊ孫偉．基于分布式控制的多電平變頻調(diào)速系統(tǒng)ｐｊ．南京：南京航空航天大學(xué)，２０１７．

［６］董健，董會寧，陳虎，等．基于ＦＰＧＡ的曼徹斯特編解碼器研究［Ｊ］無線通信技術(shù)，２０１０，１９（３）：５－８．

作者:耿程飛 張東來 吳軒欽 周志達(dá) 單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院 深圳市英威騰電氣股份有限公司