數(shù)字化IGBT智能驅(qū)動(dòng)與故障監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文陽(yáng)，楊媛，高勇

（1.西安理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

數(shù)字化IGBT智能驅(qū)動(dòng)與故障監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文陽(yáng)1，2，楊媛1，高勇1，2

（1.西安理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

介紹了一種新穎的數(shù)字化IGBT智能驅(qū)動(dòng)與故障數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)系統(tǒng)。結(jié)合IGBT多發(fā)故障設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)與故障測(cè)量存儲(chǔ)電路，對(duì)IGBT進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)，并運(yùn)用仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)電路的正確性和有效性。對(duì)于在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行的IGBT的壽命、安全性和可靠性，以及相關(guān)的維護(hù)有著很重要的作用。

IGBT智能驅(qū)動(dòng)；過(guò)流保護(hù)；故障監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)測(cè)量

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)IGBT的智能驅(qū)動(dòng)與保護(hù)的基礎(chǔ)上，對(duì)各種故障數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)，最終可供上位機(jī)讀取，大大降低了IGBT故障率和維護(hù)的成本。系統(tǒng)框圖如圖1所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)智能驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT進(jìn)行優(yōu)化的開(kāi)通和關(guān)斷，并且提供可靠的保護(hù)；當(dāng)IGBT發(fā)生故障時(shí)，故障采集存儲(chǔ)單元對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，供上位機(jī)讀取查看。

1　智能驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

圖1　驅(qū)動(dòng)保護(hù)與故障存儲(chǔ)系統(tǒng)框圖Fig.1　Drive protection and fault storage system block diagram

本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路主要包括4部分：驅(qū)動(dòng)信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換、FPGA數(shù)字控制、多級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)、故障的檢測(cè)及保護(hù)。功能框圖如圖2所示。

1.1多級(jí)動(dòng)態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)

傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不能兼顧開(kāi)關(guān)損耗和di/dt引起的電流、電壓尖峰。在本設(shè)計(jì)中采用多級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻，利用Mosfet的組合即可實(shí)現(xiàn)多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)電阻，從而更精確控制開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程。如圖3所示。

圖2　驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路系統(tǒng)框圖Fig.2　Drive protection system block diagram

圖3　多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.3　Multi-level dynamic gate driver structure

1.2保護(hù)電路設(shè)計(jì)

1）過(guò)流保護(hù)。當(dāng)IGBT正常開(kāi)通時(shí)，Vce飽和時(shí)的壓降只有2～3 V，當(dāng)IGBT短路后，IGBT快速退飽和，Vce快速上升，如圖4a所示。通過(guò)硬件比較電路與設(shè)置的保護(hù)閾值Vref相比較，比較器翻轉(zhuǎn)送出故障信號(hào)S1，F(xiàn)PGA決策后快速關(guān)斷IGBT，如圖4b所示。

圖4　短路檢測(cè)原理與保護(hù)電路Fig.4　Principle of short-circuit detection and protection circuit

當(dāng)IGBT在開(kāi)通瞬間發(fā)生短路，Ic急劇增大，導(dǎo)致di/dt增大，在寄生電感LeE（輔助發(fā)射極e和功率發(fā)射極E之間很小的寄生電感）上感應(yīng)出電壓VeE=-LeE×（di/dt），如圖4b所示。通過(guò)硬件比較電路捕捉此電壓變化，送出故障信號(hào)S2并由FPGA做出保護(hù)動(dòng)作。

2）過(guò)壓保護(hù)。在變流器過(guò)載或橋臂短路時(shí)關(guān)斷IGBT，會(huì)產(chǎn)生非常高的電壓尖峰，此時(shí)IGBT極易損壞。為此采用有源鉗位的方法來(lái)抑制關(guān)斷過(guò)壓尖峰。如圖5所示，當(dāng)集電極電位過(guò)高時(shí)，TVS管D2被擊穿，電流Iz向柵極注入電流，抬高柵極電壓，減慢關(guān)斷過(guò)程。為防止Vge被過(guò)大抬升導(dǎo)致IGBT損壞，利用雙向TVS管D3進(jìn)行柵極鉗位。

圖5　Vce過(guò)壓保護(hù)Fig.5　Protection ofVceover-voltage

3）欠壓保護(hù)。欠壓包括電源欠壓和柵極欠壓。電源欠壓導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)信號(hào)不能正確傳輸、邏輯控制電路發(fā)生錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響驅(qū)動(dòng)器功能的可靠性；柵極欠壓有可能使正在運(yùn)行的IGBT退出飽和區(qū)，嚴(yán)重威脅IGBT的壽命。為此采用電壓檢測(cè)芯片對(duì)電源電壓和柵極電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦有欠壓發(fā)生，關(guān)斷IGBT。

2　故障采集存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的采集存儲(chǔ)電路主要包括7個(gè)部分：信號(hào)采集電路、信號(hào)調(diào)理電路、ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、FPGA控制模塊、FLASH、SDRAM和USB組成。如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)框圖Fig.6　Block diagram of the data acquisition and storage

2.1Vce測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用2個(gè)測(cè)量支路分別對(duì)關(guān)斷電壓和導(dǎo)通壓降進(jìn)行測(cè)量。集電極電壓測(cè)量電路如圖7所示，IGBT關(guān)斷時(shí)的關(guān)斷電壓測(cè)量由電阻R4，R5完成；IGBT導(dǎo)通時(shí)飽和壓降測(cè)量支路由二極管D4，D5，開(kāi)關(guān)S，電流源I1，I2及電阻R5組成。穩(wěn)壓管D6保護(hù)輸出后級(jí)電路。Uout為測(cè)量輸出電壓。

圖7　集電極電壓測(cè)量電路原理圖Fig.7　Collector voltage measuring circuit schematic

當(dāng)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，D4承受反壓，此時(shí)集電極電壓經(jīng)由R4，R5分壓，則

式中：Uceoff為IGBT關(guān)斷集電極電壓。

當(dāng)IGBT導(dǎo)通后，開(kāi)關(guān)S閉合。電流源I1，I2分別流過(guò)二極管D5，D4。此時(shí)IGBT的導(dǎo)通電阻相比較于R5小得多，因此I2幾乎全部流過(guò)D4；而相對(duì)二極管D5的導(dǎo)通電阻，R4阻值很大，可認(rèn)為R4開(kāi)路，I1全部從D5流過(guò)。

此時(shí)飽和壓降有如下關(guān)系式：

當(dāng)I1和I2大小相等、D4，D5型號(hào)相同，且所處環(huán)境溫度相同時(shí)，UD4，UD5基本相等，即可得出

式中：Uceon為IGBT集電極飽和壓降；UD4，UD5為二極管D4，D5的導(dǎo)通壓降。

2.2溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

針對(duì)IGBT功率模塊柵極驅(qū)動(dòng)電壓的信號(hào)特征，把熱傳感器NTC作為分壓電路的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，測(cè)量電路如圖8所示。

圖8　溫度測(cè)量電路Fig.8　Temperature measurement circuit

2.3柵壓Vge和電源電壓測(cè)量

本設(shè)計(jì)采用+15 V電源供電，為柵極提供可靠的驅(qū)動(dòng)電壓與電流。根據(jù)電源電壓和柵壓Vge的特點(diǎn)，采取電阻分壓的方式進(jìn)行測(cè)量。

上述測(cè)量得到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換供采集電路采樣，并送往FPGA進(jìn)行運(yùn)算處理后，存儲(chǔ)在SDRAM中。當(dāng)IGBT發(fā)生故障（短路、過(guò)溫、欠壓、柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)過(guò)頻等），保護(hù)電路立即動(dòng)作。同時(shí)，存儲(chǔ)電路將此故障發(fā)生前一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至FLASH中，在系統(tǒng)斷電后通過(guò)USB供上位機(jī)讀取。

3　仿真及實(shí)驗(yàn)分析

3.1仿真分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)Vce測(cè)量電路的有效性，根據(jù)基于Saber2007設(shè)計(jì)方案，對(duì)圖7所示集電極電壓測(cè)量電路進(jìn)行了雙脈沖仿真。仿真參數(shù)：IGBT 為5SNA1200E330100，R4=4 M?，R5=40 k?，I1=5 mA，I2=5 mA，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　集電極測(cè)量電路仿真Fig.9　Simulation of collector measuring circuit

在不同母線電壓等級(jí)的阻斷電壓仿真結(jié)果如圖9a中所示，母線電壓分別為1 200 V，1 000 V，800 V?？梢钥闯觯贗GBT阻斷狀態(tài)下，根據(jù)式（1）可得集電極關(guān)斷電壓測(cè)量值和實(shí)際值相差約2 V，說(shuō)明測(cè)量電路能較好地跟蹤母線電壓的變化，測(cè)量范圍可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。從圖9b可以看出，在IGBT飽和導(dǎo)通狀態(tài)下，飽和壓降測(cè)量值和實(shí)際值重合性好，測(cè)量誤差小于10 mV。

從以上仿真結(jié)果可以得出，此測(cè)量電路能較精確地測(cè)量IGBT關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)的集電極電壓。

3.2實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證電路系統(tǒng)的正確性，搭建了IGBT實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（見(jiàn)圖10），進(jìn)行雙脈沖實(shí)驗(yàn)與短路實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖11、圖12），圖10中，母線電壓1 200 V，負(fù)載L為60 μH感性負(fù)載，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為雙脈沖信號(hào)。

圖10　IGBT測(cè)試平臺(tái)原理圖Fig.10　Schematic of IGBT test platform

從圖11a看出IGBT可靠開(kāi)通關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)電路正常工作。實(shí)驗(yàn)雙脈沖頻率為25 kHz，超出了預(yù)設(shè)的頻率范圍，觸發(fā)過(guò)頻保護(hù)，如圖11b所示。Vge和Vce信號(hào)很好地被記錄下來(lái)，而由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程短暫，溫度一直維持在室溫狀態(tài)。電源電壓沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大波動(dòng)呈+15 V。

圖11　雙脈沖實(shí)驗(yàn)Fig.11　Double pulse experiment

將雙脈沖平臺(tái)上管IGBT用1個(gè)粗短的銅排短接，并用了1個(gè)寬度為10 μs的脈沖進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)。Vce=1 200 V。從圖12a中可看出，從IGBT開(kāi)始導(dǎo)通到檢測(cè)到短路信號(hào)用時(shí)不到2 μs（一般短路保護(hù)需要8～10 μs），保護(hù)電路快速將IGBT關(guān)斷，很好地起到了保護(hù)作用。圖12b為此次“故障”的上位機(jī)界面，采集存儲(chǔ)電路很好地記錄下了實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程。

不同母線電壓下的阻斷與飽和電壓值對(duì)比如表1所示。

表1　不同母線電壓下的阻斷與飽和電壓值對(duì)比Tab.1　Contrast of blocking and saturation voltage value at different bus voltage

由表1可以看出，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著母線電壓的升高，飽和壓降也逐漸增加。在相同母線電壓下，阻斷電壓的理論值、仿真值、實(shí)測(cè)值相差約5 V。飽和壓降的理論值、仿真值、實(shí)測(cè)值相差約10 mV。

圖12　短路試驗(yàn)Fig.12　Short-circuit test

4　結(jié)論

本文提出了一種新穎的IGBT數(shù)字化驅(qū)動(dòng)保護(hù)與故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，利用數(shù)字芯片F(xiàn)PGA對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、保護(hù)電路的保護(hù)動(dòng)作以及故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，相對(duì)于分立器件，數(shù)字芯片對(duì)信號(hào)的處理大大提高了電路的集成度和運(yùn)行的可靠性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

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Digital IGBT Intelligent Drive and Failt Monitoring Storage System Design

WEN Yang1，2，YANG Yuan1，GAO Yong1，2
（1.College of Automation，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；
2.College of Electronics&Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

A novel digital intelligent drive and failure data storage system monitoring of IGBT was described. Considering various failures of IGBT，corresponding drive protection and fault measuring memory circuit was designed for IGBT protection and data monitoring of storage in real-time，and used simulation and experiment to verify the correctness and effectiveness of the design circuits.The life，safety and reliability of IGBT operating in a complex environment，as well as associated maintenance has a very important role.

IGBT intelligent drive；over-current protection；fault monitoring storage；data measurement

TM502

A

2015-06-24

修改稿日期：2016-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51477138）；陜西省教育廳服務(wù)地方專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（15JF026）；

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（201406-01）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2013KTCQ01-26）；

西安市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CXY1501）

文陽(yáng)（1990-）男，博士研究生，Email：wyxput@163.com