串聯(lián)IGBT保護模塊設(shè)計和故障診斷分析

劉建平，侯凱，李偉邦，范鎮(zhèn)淇

（南京南瑞集團公司技術(shù)中心，江蘇南京211100）

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是由GTR 和MOSFET 相互取長補短適當結(jié)合而成的復(fù)合器件，它保留了GTR 通流能力強和MOSFET 驅(qū)動電路簡單，開關(guān)速度快，輸入阻抗高的優(yōu)點，因此在新一代電力電子半導(dǎo)體器件中得到良好應(yīng)用。由于高耐壓，通流能力強的特點，其在大功率電力電子設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是單個IGBT無法滿足電壓等級要求，因此多個IGBT串聯(lián)應(yīng)用技術(shù)得到研究應(yīng)用。IGBT串聯(lián)技術(shù)的關(guān)鍵為動態(tài)和靜態(tài)電壓的均衡，一旦某個IGBT 出現(xiàn)失衡現(xiàn)象相應(yīng)的會伴隨電壓、電流的失衡最終導(dǎo)致單個甚至多個IGBT 損壞。因此IGBT 的保護和故障診斷環(huán)節(jié)在IGBT串聯(lián)中起著重要作用。

造成IGBT 損壞的原因包括過壓，過流，過溫，信號缺失等，針對不同損壞原因我們有相應(yīng)的保護措施。本文簡要介紹了過壓，過流，過溫和光纖通信檢測保護，并在保護的基礎(chǔ)上進行故障診斷分析，以便問題能夠及時被發(fā)現(xiàn)和快速處理。通過實驗驗證證實該故障診斷分析系統(tǒng)所確定電路故障與真實電路故障相同，確定了該故障診斷分析系統(tǒng)的準確性和有效性。

1 IGBT保護環(huán)節(jié)設(shè)計

IGBT保護環(huán)節(jié)包括過壓緩沖電路，過流保護電路，過溫保護電路和光纖通信檢測電路，IGBT保護環(huán)節(jié)功能框圖如圖1所示。過壓緩沖電路用于抑制浪涌電壓，防止IGBT關(guān)斷過電壓；過流保護電路通過對集射電壓的檢測和比較確定IGBT是否過流，若過流則及時關(guān)斷IGBT驅(qū)動信號，保證器件工作在安全工作區(qū)；過溫保護電路通過檢測散熱器周圍溫度以確定IGBT 器件溫度，并將相應(yīng)信息傳給FPGA，F(xiàn)PGA與VBE溝通確定IGBT 的通斷控制；光纖通信檢測電路用于檢測各路IGBT 通信是否正常，及時閉鎖收到干擾的通信通路，保證各路信號的完整性和正確性。

圖1 IGBT保護模塊功能框圖Fig.1 The function diagram of IGBT′s protection module

1.1 過壓緩沖電路設(shè)計

為了抑制浪涌電壓，減少開關(guān)損耗，通常在IGBT 主電路中設(shè)置吸收回路，典型的RCD 緩沖吸收電路原理圖如圖2所示［2］。

圖2 RCD吸收電路原理圖Fig.2 The schematic diagram of RCD snubber circuit

假設(shè)原來IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)，當關(guān)斷時，IGBT 由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)，此時串聯(lián)IGBT承受的總電壓為Udc，由于各只IGBT 的驅(qū)動電路的參數(shù)不一致，導(dǎo)致串聯(lián)功率管關(guān)斷時間不同。因此先關(guān)斷的IGBT 會承受較高的關(guān)斷電壓，這就導(dǎo)致產(chǎn)生動態(tài)電壓不均衡問題。在串聯(lián)IGBT兩端并聯(lián)RCD吸收電路之后，由于電容兩端的電壓不能突變，先關(guān)斷的IGBT 的電流轉(zhuǎn)移到與之并聯(lián)的RCD 吸收電路上，對電容Cs進行充電，使電壓緩慢的上升。由于每個IGBT都并聯(lián)了相同的RCD 吸收電路，則可以使IGBT 電壓上升速度基本達到一致，因此達到動態(tài)均壓的目的。

1.2 過流保護電路設(shè)計

過流保護最簡單有效的方法是檢測IGBT的C，E之間的電壓值，然后與預(yù)設(shè)的參考電壓值Vref進行比較，如圖3所示［3］。

圖3 過流保護電路原理圖Fig.3 The schematic diagram of overcurrent protection circuit

IGBT 器件正常工作時，一般只會產(chǎn)生幾V的飽和壓降Vcesat，隨著Ic的增加，Vcesat也將上升，通過D4～D6將Vce電壓抬高可以有效地減小干擾，取樣點SENSE的電壓為

式中：Vf為二極管正向?qū)▔航担籌charge為流過R6的電流；n為串聯(lián)二極管的個數(shù)，本設(shè)計中n=3。ISS為電流源ISS的電流，一般約為幾百μA到幾mA。當流過IGBT 的電流Ic增加時，Vcesat將上升，則Vsence也將上升，通過合理的參數(shù)設(shè)置，保證當IGBT發(fā)生過流時，Vsence大于參考電平Vref，則比較器輸出高電平，過流信號有效，上報給FPGA，過流保護啟動。實驗中設(shè)置過流保護點數(shù)值為700 A，電流達到或超過700 A 之后過流保護自動啟動并發(fā)出報警信號。過流要求快速的保護措施（10 μs 之內(nèi)關(guān)閉IGBT），由VBE（valve base electronics，閥基電子設(shè)備）發(fā)送閉鎖信號，統(tǒng)一關(guān)斷同一閥臂的IGBT。這是因為每個IGBT 檢測到過流的時刻是不一致的，驅(qū)動電路的輸出端直接控制關(guān)斷會使該IGBT因承受母線電壓而損壞。

1.3 過溫保護設(shè)計

IGBT 模塊由IGBT 芯片和其反并聯(lián)的二極管組成，因此IGBT功耗主要由IGBT芯片和二極管芯片的功耗組成。熱量由IGBT芯片和二極管芯片的PN 結(jié)發(fā)出，通過散熱器傳導(dǎo)到外部環(huán)境中。一旦IGBT 溫度過高可能導(dǎo)致IGBT 過溫損壞，通過溫度傳感器檢測散熱器周圍溫度可以確定IGBT模塊溫度［4］。

過溫保護模塊主要由數(shù)字溫度感應(yīng)傳感器TMP006 感應(yīng)散熱器溫度并對數(shù)據(jù)進行處理，原理如圖4所示。

圖4 過溫保護模塊原理圖Fig.4 The schematic diagram of thermal protection module

由圖4可以看出過溫保護模塊通過一片紅外溫度傳感器感應(yīng)散熱器的溫度，并與設(shè)定值進行比較，當感應(yīng)溫度超過閾值后溫度傳感器發(fā)出報警信號并將相應(yīng)狀態(tài)信息發(fā)送給FPGA。實驗中設(shè)置過溫保護動作點為110 ℃，當VBE檢測到換流閥內(nèi)任意2 個（及以上）IGBT 出現(xiàn)過溫，或1 個IGBT 連續(xù)10 s 以上出現(xiàn)過溫時，向主機發(fā)送報文，要求主機閉鎖3個VBE。

1.4 光纖通信檢測電路

當光纖收發(fā)信號由于光纖接插不穩(wěn)或光纖損壞而缺失或受到外界干擾等，光纖收發(fā)信號出現(xiàn)缺失或頻率錯誤，這將間接導(dǎo)致IGBT 串聯(lián)電路的過壓或過流，嚴重時將導(dǎo)致IGBT 器件的損壞。光纖通信檢測電路由FPGA 對光纖收發(fā)信號的有效性進行判斷，當光纖收發(fā)信號為穩(wěn)定的12.5 M 頻率時，normal 判別信號顯示正常，當光纖收發(fā)信號出現(xiàn)時間間隔大于480 ns 的非12.5 M 信號時，normal 判別信號對相應(yīng)出錯電路報錯，由VBE發(fā)送閉鎖信號統(tǒng)一關(guān)斷驅(qū)動脈沖信號［5］。

2 串聯(lián)IGBT故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

故障診斷系統(tǒng)總體框圖如圖5 所示。IGBT閥組發(fā)出的故障波形如過流信號、過壓信號或過溫信號等被IGBT驅(qū)動保護系統(tǒng)接收并將保護狀態(tài)信息發(fā)送給觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對主機的控制，并根據(jù)保護狀態(tài)信息將實時的觸發(fā)指令發(fā)送給驅(qū)動單元。同時，將換流閥的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)匯總報告給上位機系統(tǒng)。每個觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)與一個高壓串聯(lián)閥一一對應(yīng)，通過觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)將整個串聯(lián)閥統(tǒng)一成一個器件。

圖5 故障診斷系統(tǒng)框圖Fig.5 The diagram of malfunction diagnostic analysis system

觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)主要分為電源模塊、光通信模塊、狀態(tài)顯示模塊、FPGA模塊、DSP模塊。如圖6所示。電源模塊與外部220 V 交流電源連接，通過開關(guān)電源的方式給觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的FPGA，DSP 等各個器件提供不同等級電壓。光通信模塊采用HFBR-1522 和HFBR-2522 器件，使用頻移鍵控（frequency-shift keying，F(xiàn)SK）方式與主機相連，實現(xiàn)光纖收發(fā)控制。狀態(tài)顯示模塊采用液晶面板，直觀的顯示觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)本身及對應(yīng)閥組的工作狀態(tài)。FPGA模塊負責與主機和驅(qū)動保護系統(tǒng)的邏輯處理與判別。觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)對串聯(lián)閥中各IGBT 的工作狀態(tài)信息進行采集，F(xiàn)PGA 內(nèi)做出邏輯判斷，對閥組出現(xiàn)的故障進行故障保護。DSP模塊作為功能擴充使用，接收定值、存儲定值、定值比較邏輯判斷。

圖6 觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖Fig.6 The function diagram of trigger monitor system

上位機故障診斷系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控抓包工具讀取并顯示觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送過來的故障診斷數(shù)據(jù)包。

2.1 電源模塊

通過接收外部220 V 交流電源，通過開關(guān)電源的方式給觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的FPGA，DSP 等各個器件提供不同等級電壓。電源模塊將輸入的220 V正弦交流電壓通過電壓轉(zhuǎn)換芯片和其外圍電路轉(zhuǎn)換為其它模塊所需的5 V，3.3 V和1.2 V電壓。

2.2 光通信模塊

每個觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)采用HFBR-1527Z和HFBR-2527Z 光通信器件與驅(qū)動保護系統(tǒng)、直流采樣板進行通信；采用GTR-2134IIPFC與主機進行通信［6］。

其中HFBR-1527Z 為光纖信號發(fā)送器，它將FPGA發(fā)出的信號SG_TX1通過光纖發(fā)送到驅(qū)動保護板的光纖信號接收器，驅(qū)動保護板對接收到的信號進行分析處理并采取相應(yīng)動作；HFBR-2527Z 為光纖信號接收器，它接收來自驅(qū)動保護板的命令處理信號并將之傳送給觸發(fā)監(jiān)控板的FPGA，F(xiàn)PGA接收信號并采取相應(yīng)動作。

2.3 FPGA模塊

FPGA 是整個觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負責與主機和驅(qū)動保護系統(tǒng)的邏輯處理與判別。觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)對串聯(lián)閥中各IGBT 的保護工作狀態(tài)信息進行采集，F(xiàn)PGA 內(nèi)做出邏輯判斷，對閥組出現(xiàn)的故障進行故障保護。閥組運行過程中當閥內(nèi)出現(xiàn)IGBT 數(shù)量不足時，VBE 將檢測到換流閥發(fā)送normal 信號的IGBT 數(shù)量不足（含斷電和斷光纖）之后VBE 將閉鎖本閥臂；當閥組短路時，VBE 檢測到換流閥內(nèi)任意2 個（及以上）IGBT 出現(xiàn)短路故障或1 個IGBT 連續(xù)5μs以上出現(xiàn)短路故障時，VBE 將閉鎖本閥臂；當閥過溫時，VBE 檢測到換流閥內(nèi)任意2 個（及以上）IGBT 出現(xiàn)過溫，或1 個IGBT 連續(xù)10 s 以上出現(xiàn)過溫時，VBE 將閉鎖本閥臂；當VBE 檢測到直流側(cè)過壓或過流時，VBE 將閉鎖本閥臂；當閥組VBE 自身電壓故障或其它異常情況時，VBE閉鎖本機；當閥組任意1 個VBE 閉鎖之后，主機接收到VBE 閉鎖報文會同時閉鎖其它2 個VBE。

圖7 8個1 700 V IGBT串聯(lián)脈沖實驗原理圖［3］Fig.7 The experimental schematic diagram of 8 1 700 V IGBTs in series

2.4 DSP模塊

DSP 模塊和FPGA 模塊之間通過XINTF 總線相連，作為功能擴充使用，用于接收定值、存儲定值、定值比較邏輯判斷。DSP將接收到的換流閥信息匯總并對事件進行記錄之后通過液晶顯示模塊將換流閥狀態(tài)信息予以顯示。

3 串聯(lián)IGBT故障診斷實驗

8個1 700 V IGBT串聯(lián)脈沖實驗原理圖如圖7所示。

實驗中開關(guān)器件為1 700 V-600 A英飛凌IGBT，主回路負載電阻6 Ω，電感負載30 mH。RCD（R=50 Ω，C=0.22 μF），開通電阻Ron=4.7 Ω，關(guān)斷電阻Roff＝4.7 Ω。

加壓測試時上位機故障診斷系統(tǒng)定周期接收并顯示故障診斷數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，IGBT 和驅(qū)動保護各模塊工作正常時故障診斷數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)如圖8a所示。圖8a中灰色選中部分為有效數(shù)據(jù)內(nèi)容，由于實際實驗中為8個IGBT串聯(lián)，因此用八位二進制數(shù)代表8 個IGBT 的工作狀態(tài)，11 后數(shù)據(jù)為000000ff，000000 數(shù)據(jù)意義保留未使用，ff 表示8個IGBT均無FSK接收錯誤，12后00000000數(shù)據(jù)意義保留未使用，其它字頭后數(shù)據(jù)使用情況相同。21后ff代表8個IGBT GDU均正常，31后00代表8 個IGBT 均無過溫現(xiàn)象，41 后00 代表8 個IGBT均無過流現(xiàn)象，51后00代表8個IGBT均無FSK發(fā)送錯誤。

圖8 故障診斷數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)Fig.8 The data of malfunction diagnostic analysis packet

3.1 GDU過流現(xiàn)象

過流測試時隔離測試系統(tǒng)AMO-SATURN截取圖形如圖9所示。

圖9 過流測試波形Fig.9 The over current test waves

從圖9 可以看出，在0.011 65 s時，Vge2接到一個完整的關(guān)斷信號，導(dǎo)致了其誤關(guān)斷，隨后是強烈的雙環(huán)反饋，幾μs后損壞。

當IGBT 損壞后，GDU 發(fā)出過流信號，其他幾個IGBT同步關(guān)斷。同時故障診斷系統(tǒng)測試過流診斷數(shù)據(jù)包如圖8b 所示。由圖8b 可以看出，21，22 后面是7 f，表明有1 個GDU 工作不正常，應(yīng)該是IGBT損壞后其GDU工作錯誤。41，42后面是80，表明有過流現(xiàn)象。實驗后對電路和器件檢查證實1號損壞且GDU過流信號燈亮。

3.2 FSK發(fā)送錯誤

光纖缺失，F(xiàn)SK 錯誤等均為光纖通信錯誤，光纖通信模塊檢測光纖通信并及時作出判斷動作。隔離測試系統(tǒng)AMO-SATURN 測試FSK 錯誤時實驗波形如圖10所示。

圖10 FSK錯誤波形Fig.10 The FSK failure waves

從圖10 中可以判斷出，Vce2接到短暫的關(guān)斷信號，在關(guān)斷期間母線電壓施加于單個IGBT 之上使IGBT 集射極電壓長時間超過1700 V 導(dǎo)致IGBT 損壞。因此首先是VBE 發(fā)送的錯誤信號，導(dǎo)致GDU 產(chǎn)生的誤關(guān)斷信號，最終IGBT 損壞，由于IGBT 損壞導(dǎo)致其它IGBT 發(fā)生過流報警。故障診斷系統(tǒng)測試FSK 發(fā)送錯誤數(shù)據(jù)包如圖8c 所示。由圖8c 可以看出，51 00 00 00 20其中20 代表2 號VBE 發(fā)送錯誤FSK 信號；41 00 00 00 20 其中20 代表2 號GDU 出現(xiàn)過流現(xiàn)象；21 00 00 00 df 其中df 代表2 號GDU 工作不正常。實驗后對2 號IGBT 進行檢測發(fā)送2 號IGBT 損壞。

4 結(jié)論

IGBT 故障保護環(huán)節(jié)設(shè)計和故障診斷系統(tǒng)的存在對后續(xù)電路問題排查和改進起到重要的方向性作用。本文首先對IGBT故障保護環(huán)節(jié)和故障診斷環(huán)節(jié)的設(shè)計進行了簡要分析介紹，最后通過實驗數(shù)據(jù)和波形記錄驗證了故障保護環(huán)節(jié)和故障診斷環(huán)節(jié)的有效性。故障保護和診斷環(huán)節(jié)對IGBT器件和外圍電路的安全以及電路故障后問題的排查和故障的解決起著重要作用。通過實驗證實，故障診斷分析環(huán)節(jié)檢測到的電路故障與實際電路故障相符，證實了故障診斷環(huán)節(jié)的有效性。

［1］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［2］賈貴璽，徐欣東.IGBT緩沖電路的設(shè)計［J］.電氣傳動，1998，28（3）：54-55.

［3］范鎮(zhèn)淇，侯凱，李偉邦.IGBT 串聯(lián)閥吸收電路的研究［J］.電氣傳動，2013，43（7）：72-76.

［4］李偉邦，侯凱，范鎮(zhèn)淇，等.1700 V IGBT 模塊直接串聯(lián)驅(qū)動設(shè)計［J］.智能電網(wǎng)，2013，1（2）：32.

［5］徐飛.逆變器中IGBT 的保護和故障診斷研究［D］.長沙：中南大學，2009.

［6］Sheng K，Williams B W，F(xiàn)inney S J.A Review of IGBT Models［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2000，15（6）：1250-1266.