集成IGBT驅(qū)動器的故障檢測與故障模式識別

梁寶明，袁起立，江可揚，彭　溪（.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；.海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭40）

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集成IGBT驅(qū)動器的故障檢測與故障模式識別

梁寶明1，袁起立2，江可揚1，彭溪1
（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2.海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭410111）

摘要：現(xiàn)代電力電子變流系統(tǒng)中，IGBT以及集成化的IGBT驅(qū)動器得到越來越廣泛的應(yīng)用，本文針對Concept公司的SCALE系列IGBT驅(qū)動器，通過對該驅(qū)動器反饋信號特性以及與驅(qū)動信號的相位關(guān)系等方面的分析，進行了故障檢測的電路設(shè)計。通過CPLD程序設(shè)計，實現(xiàn)了集成IGBT驅(qū)動器的故障模式識別，有效提高了故障檢測的實時性，最后通過仿真對本設(shè)計進行了驗證。

關(guān)鍵詞：IGBT驅(qū)動器反饋信號故障檢測故障模式

0　引言

IGBT集合了高頻、高壓、大電流三大技術(shù)優(yōu)勢［3］，在變頻器、開關(guān)電源等電力電子技術(shù)領(lǐng)域中，越來越成為各種主回路的首選功率開關(guān)器件，而IGBT驅(qū)動保護電路一直伴隨IGBT技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在市場上流行著很多種類非常成熟的IGBT驅(qū)動保護電路專用產(chǎn)品［4］，成為大多數(shù)設(shè)計工程師的首選。瑞士Concept公司是全球領(lǐng)先的IGBT驅(qū)動器（中、大功率）的制造商，尤其是SCALE系列的驅(qū)動器應(yīng)用非常廣泛，但由于該驅(qū)動器的工作狀態(tài)大多采用單根光纖介質(zhì)進行回饋，針對這種情況，常用的做法是通過檢測反饋信號的無光電平寬度進行故障判斷，沒有將驅(qū)動信號與反饋信號的相位關(guān)系結(jié)合起來，上級控制系統(tǒng)雖然能夠檢測到故障，但實時性較差［3］，且無法準確定位故障模式。本設(shè)計針對SCALE系列驅(qū)動器，通過CPLD對驅(qū)動信號和反饋信號的相位關(guān)系進行解析，獲得IGBT的故障模式信息，有利于故障分析與定位，提高了工作效率。

1　故障檢測電路架構(gòu)

本設(shè)計的故障檢測電路主要由信號接口電路、DSP芯片、CPLD芯片、芯片外圍電路及光纖收發(fā)電路等組成，如圖1所示。

圖1中，DSP完成功率回路特征信號采集、控制算法和PWM生成的功能。CPLD芯片完成反饋信號檢測、故障中斷產(chǎn)生和故障信息鎖存及驅(qū)動信號封鎖等功能。

2　CPLD程序設(shè)計

CPLD程序設(shè)計框圖如圖2所示，CPLD程序包括驅(qū)動信號閉鎖模塊、多個故障檢測模塊及總線接口與數(shù)據(jù)緩沖模塊。當(dāng)系統(tǒng)工作正常時，驅(qū)動信號閉鎖模塊將來自DSP的驅(qū)動信號傳至光纖收發(fā)器，當(dāng)檢測到故障信號ERR_all為低電平時，立即封鎖驅(qū)動輸出，保證功率器件的安全?？偩€接口與數(shù)據(jù)緩沖模塊主要將DSP發(fā)出通道檢測使能設(shè)置解析后傳至各個故障檢測模塊，同時將來自故障檢測模塊的故障信息鎖存，等待DSP的訪問。

圖1　故障檢測電路架構(gòu)

故障檢測模塊是本文設(shè)計的重點，該模塊通過對反饋信號與驅(qū)動信號的相位關(guān)系的分析，實現(xiàn)驅(qū)動器的故障檢測和故障模式識別。當(dāng)發(fā)生故障時，該模塊輸出故障信號ERRx（x=1～n），經(jīng)邏輯門后送至驅(qū)動信號閉鎖模塊用于封鎖所有驅(qū)動信號，同時將故障模式信息傳至總線接口與數(shù)據(jù)緩沖模塊。

圖2　CPLD程序設(shè)計框圖

圖3為SCALE系列IGBT驅(qū)動器反饋信號的特性，驅(qū)動器反饋的故障模式有短路故障、門極監(jiān)控故障和驅(qū)動電源欠壓故障三種。由圖3可以看出，正常情況下，在驅(qū)動信號的上升沿或下降沿到來后約250 ns，驅(qū)動器會輸出寬度約700 ns的無光信號，而其他時刻一直輸出有光信號；當(dāng)發(fā)生短路時，驅(qū)動器會輸出一個寬度大于1.5 μs的無光信號；當(dāng)發(fā)生門極監(jiān)控故障時，驅(qū)動器會輸出一個寬度約1 μs左右的無光信號；當(dāng)發(fā)生驅(qū)動電源欠壓故障時，驅(qū)動器會在欠壓的時間段發(fā)出響應(yīng)寬度的無光信號。

圖3　驅(qū)動器驅(qū)動與反饋相位關(guān)系

根據(jù)圖3，本設(shè)計CPLD程序中的故障檢測模塊采用逐步排除的方式進行檢測，其故障檢測及故障模式識別的流程圖如圖4所示。

根據(jù)上述流程圖，故障模式與故障信息寄存器ERRINFO的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1　故障模式與故障信息對應(yīng)表

圖4中，T1為線路延時、驅(qū)動器自身延時、及驅(qū)動器反饋信號無光寬度之和，線路延時根據(jù)具體的傳輸介質(zhì)和中間電路參數(shù)而定，本設(shè)計中線路延時約為60 ns，驅(qū)動器自身延時約250 ns，正常情況下無光寬為700 ns，考慮裕量后，本設(shè)計中取T1=1.1 μs。T2為驅(qū)動器反饋信號的無光持續(xù)時間，根據(jù)圖3和本設(shè)計中驅(qū)動電源掉電特性，并考慮到時序誤差后，取Ta=15 μs，Tb=1.5 μs，Tc=900 ns。

圖 4 故障檢測與識別流程圖

3　仿真

通過Quartus II設(shè)計工具對本設(shè)計進行了仿真和分析，如圖5和圖6。

圖5中，在驅(qū)動信號上升沿后T1時間之外，反饋信號出現(xiàn)10 μs無光狀態(tài)，因而圖輸出的故障信號ERR立即變?yōu)榱说碗娖?，且故障信息寄存器ERRINFO的值變?yōu)榱?011，表示當(dāng)前故障為短路故障。

圖5　故障檢測與識別仿真波形1

圖6中，反饋信號的無光狀態(tài)在驅(qū)動信號上升沿后T1時間內(nèi)到達，但T1時間后，反饋信號仍為無光狀態(tài)，因而CPLD輸出的故障信號ERR立即變?yōu)榈碗娖剑性捶答佇盘柕臒o光寬度T2大于Ta（15 μs），故障信息寄存器ERRINFO的值變?yōu)榱?101，表示當(dāng)前故障為驅(qū)動電源欠壓故障。

圖6　故障檢測與識別仿真波形

4　結(jié)論

本文設(shè)計了一種IGBT驅(qū)動模塊的故障檢測和故障模式識別的電路，解決了在應(yīng)用SCALE系列的IGBT驅(qū)動器進行工程設(shè)計時，故障檢測實時性較差且無法準確定位故障模式的問題。通過對本設(shè)計的仿真，證明該設(shè)計能夠?qū)GBT驅(qū)動模塊的故障類型進行有效地識別，本設(shè)計的方法在工程中已得到實際應(yīng)用，可廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速等領(lǐng)域IGBT驅(qū)動模塊的故障檢測中。

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Fault Detection and Mode Identification of Integrated IGBT Driver

Liang Baoming1，Yuan Qili2，Jiang Keyang1，Peng Xi1
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China； 2.Naval Representatives Office in Hunan，Xiangtan 411101，Hunan，China）

Abstract：The IGBT and integrated driver are widely used in power electronics converter system.Aimed at IGBT integrated drivers of SCALE series，this paper gives a fault detection circuit through analyzing the character of feedback signal and the relationship to drive signal.The paper realizes identification of fault mode through programming of CPLD，and improves the real-timing of fault detection.The design is verified through simulation.

Keywords：IGBT Driver； feedback signal； fault detection； fault mode

中圖分類號：TM571TP274

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0015-03

收稿日期：2015-12-23

作者簡介：梁寶明（1979-），男，高級工程師。研究方向：電力電子與電力傳動。