基于數(shù)字驅(qū)動器的大功率IGBT故障保護與診斷方法研究

厲孟 李海峰

（海裝駐北京地區(qū)第四軍事代表室，北京 100036）

0.引言

對于一個完整的電力電子變流器，其保護功能應是非常完善的，一款性能優(yōu)良的門極驅(qū)動器不僅可以提供足夠的驅(qū)動功率使IGBT獲得理想的開關特性，充分發(fā)揮出器件的潛力，而且能夠快速的對各個故障進行檢測保護并返回故障信息，全面保護半導體功率器件，使其在各種情形之下都不會受到損壞[1-3]。但在實際應用過程中，存在一定難度，因為現(xiàn)有的硬件電路無法分辨功率器件是處于正常工作狀態(tài)還是發(fā)生真故障，假定將保護閾值或檢測延時設定得太高，一旦出現(xiàn)真故障，門極驅(qū)動器不能快速關斷功率器件，將導致器件損壞，并且某些情況由于故障原因無法定位，維修效率較低且存在安全隱患[4-6]。另一方面，驅(qū)動器需要提供全面有效的電源保護、短路保護、過壓保護等，在信號采樣處理、有源鉗位、分級關斷以及時序管理等方面的設計和實現(xiàn)存在一定難度[7]。

因此，本文提出一種基于數(shù)字驅(qū)動器的大功率IGBT故障保護與診斷方法，取代傳統(tǒng)模擬式門極驅(qū)動器，提升控制器對半導體功率器件電氣損壞、過溫、老化以及其他失效的預警時效，采用編碼方法提取故障數(shù)據(jù)，協(xié)助快速定位故障和分析誘因，進一步提升大功率電力電子變流器安全可靠性和智能化水平。

1.總體思路

電力電子變流器中大功率IGBT的保護操作主要包括電壓故障的保護、電流故障的保護以及溫度故障的保護，而這些故障對應的檢測電路輸出信號送入數(shù)字可編程芯片進行分析處理，根據(jù)不同的故障類型配置不同的保護操作，并將故障信號編碼后發(fā)送至上位機系統(tǒng)。

圖 1所示為數(shù)字化保護電路的基本實現(xiàn)思路，該策略針對不同類型的故障信號，設置不同的關斷保護方式和保護動作的響應時間，當故障信號輸入主控制芯片后，控制芯片會對故障類型進行判斷。若為過載故障，則對故障信號的真?zhèn)芜M行甄別，經(jīng)過故障確認時間后，故障狀態(tài)仍存在，則對IGBT進行關斷保護操作。過載故障時集電極電流較低，因此只需要正常關斷即可。針對短路過電流故障保護時關斷應力較大的問題，此策略選用軟關斷的方式來避免關斷過壓的二次傷害。

圖1 數(shù)字化保護電路的基本實現(xiàn)方法

2.故障保護方法

2.1 欠壓保護

對于IGBT橋臂，橋臂中的任一IGBT不能工作于欠壓狀態(tài)，較低的門極電壓會引起誤導通，也會導致IGBT通態(tài)壓降增大，靜態(tài)損耗增加，嚴重時使IGBT進入線性工作區(qū)。

因此，數(shù)字驅(qū)動器副邊設置有欠壓檢測電路，同時監(jiān)測副邊正、負電源，當副邊正電壓或者負電壓的絕對值低于閾值電壓時，驅(qū)動電路判定發(fā)生了欠壓故障，IGBT將在負門極電壓的驅(qū)動下保持關斷狀態(tài)，并將故障信息發(fā)送給上位機。

2.2 短路保護

電流故障是導致IGBT失效的重要原因之一，尤其是在回路短路時，快速可靠地關斷IGBT是十分必要的。由IGBT的飽和導通特性可知，當集電極電流從器件中流過時，會在集電極發(fā)射極產(chǎn)生一定的壓降VCE-sat，與電流成正比，最能有效地反映過電流。如果負載電流IC增加至額定值的4倍以上，IGBT將退出飽和，即集—射極電壓升高，最終達到直流母線電壓VDC。利用這一特性，可以對過電流進行檢測并實施保護。驅(qū)動器檢測VCE進入退保和區(qū)的方法主要有2種，一種是通過阻容分壓式檢測，另一種是通過二極管檢測，如圖2所示。

圖2 VCE退保和檢測電路

2.3 有源鉗位

當出現(xiàn)電流過載或者短路時，由于di/dt很高且在換流通路存在雜散電感，會導致電壓過沖，這將可能超過IGBT的擊穿電壓并損壞IGBT。一種保護IGBT免受高壓過沖損壞的方法就是集—射極鉗位，也稱為有源鉗位。

基本的有源鉗位電路實現(xiàn)方法是在IGBT的集電極和門極之間用瞬態(tài)抑制二極管（TVS）建立一個反饋通道，當集電極-發(fā)射極尖峰電壓超過一個預設門檻時，有源鉗位電路將會啟動使得IGBT部分地打開，從而令IGBT的集電極-發(fā)射極電壓得到抑制，此時IGBT在線性區(qū)內(nèi)工作，基本電路原理和動作波形如圖3所示，主要由TVS管和快恢復二極管構成。

圖3 驅(qū)動器有源鉗位電路原理和動作波形

2.4 故障軟關斷

當驅(qū)動器檢測到IGBT發(fā)生短路后不能立即關斷IGBT，因為IGBT的集射極電壓VCE會被迫迅速上升并超過母線電壓，且極有可能會超過IGBT耐壓值而導致IGBT損壞。

為了保護處于短路狀態(tài)的IGBT模塊，可通過慢降柵極電壓的軟關斷策略。在檢測到IGBT發(fā)生短路后，緩慢地減小IGBT的門極電壓VGE，隨著門極電壓的緩慢減小，IGBT短路電流也會緩慢地減小，雜散電感上感應的電壓會非常小。如果能將門極電壓緩慢地減小到IGBT開通閾值電壓之下，IGBT的電流會緩慢減小到0，IGBT完全關斷。既能保證IGBT的短路時間不超過允許范圍，又能減小IGBT短路電流和短路功耗，大大減小關斷尖峰電壓。

3.故障診斷方法

3.1 故障信息分類

當故障發(fā)生后，模擬式驅(qū)動器只能回報單一故障編碼，該類回報信號通常為信號高電平代表正常，信號低電平代表故障。針對大功率IGBT應用場景，驅(qū)動器上報故障的原因比較多，該類故障回報方式難以定位故障原因，數(shù)字驅(qū)動的故障分類方式解決了該問題。相比模擬式驅(qū)動器，數(shù)字化驅(qū)動器具備豐富的可編程回報方式，可將驅(qū)動器已檢測到的故障信息分類傳輸給上位機，以便操作人員準確判定被測試模塊出現(xiàn)的故障，從而更快速地找到問題的解決辦法。數(shù)字驅(qū)動器能區(qū)分4種故障類型，包括驅(qū)動柵極欠壓故障、兩段退飽和故障以及輸入脈沖過窄故障，對4類故障做不同的編碼處理，當故障發(fā)生時，驅(qū)動器應答相應編碼，上位機可根據(jù)故障編碼協(xié)議解碼出當前故障類型。

3.2 欠壓故障編碼

驅(qū)動器實時監(jiān)測柵極輸出電壓，當柵極輸出電壓跌落到10V以下，驅(qū)動器的回報光頭由常亮狀態(tài)變?yōu)槌鐮顟B(tài)。IGBT處于導通狀態(tài)時，欠壓故障發(fā)生時，驅(qū)動器主動上傳欠壓故障，柵極電壓恢復后，驅(qū)動器保持欠壓故障直到IGBT變?yōu)殛P斷狀態(tài)。IGBT處于關斷狀態(tài)時，欠壓故障發(fā)生時，驅(qū)動器主動上傳欠壓故障，當柵極電壓恢復后，驅(qū)動器開始回報正常信息。

3.3 短路故障編碼

IGBT開通后，驅(qū)動器檢測IGBT的CE端電壓超過參考電壓，驅(qū)動器會上報過流故障信息。數(shù)字驅(qū)動器設定了兩段退飽和故障，第一段退飽和故障發(fā)生后，驅(qū)動器回報3個1ms脈沖；第二段退飽和故障發(fā)生后，驅(qū)動器回報9個1ms脈沖。

3.4 窄脈沖故障編碼

大功率IGBT開通和關斷過程都需留有足夠的時間，防止IGBT未完全開通后就進入關斷過程，防止IGBT未完全關斷后就進入開通過程。針對以上原則，驅(qū)動器增加了窄脈沖保護邏輯，如果2次開通脈沖間隔小于50ms時，驅(qū)動器會屏蔽第二個脈沖的輸出，并向上位機上報窄脈沖故障。

4.結(jié)語

本文采用數(shù)字驅(qū)動器技術路徑，取代傳統(tǒng)模擬式門極驅(qū)動器，設計電路對欠壓、短路等故障狀態(tài)進行檢測，并做出相應的保護動作。引入有源鉗位、軟關斷等技術有效抑制短路或大電流關斷時的電壓尖峰問題，保證IGBT的安全，提出可編程回報方法，將故障信息分類傳給上位機，以便操作人員快速定位故障和分析誘因，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性和智能化水平。