串联IGBT保护模块设计和故障诊断分析

刘建平，侯凯，李伟邦，范镇淇

（南京南瑞集团公司技术中心，江苏南京211100）

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是由GTR 和MOSFET 相互取长补短适当结合而成的复合器件，它保留了GTR 通流能力强和MOSFET 驱动电路简单，开关速度快，输入阻抗高的优点，因此在新一代电力电子半导体器件中得到良好应用。由于高耐压，通流能力强的特点，其在大功率电力电子设备领域得到广泛应用，但是单个IGBT无法满足电压等级要求，因此多个IGBT串联应用技术得到研究应用。IGBT串联技术的关键为动态和静态电压的均衡，一旦某个IGBT 出现失衡现象相应的会伴随电压、电流的失衡最终导致单个甚至多个IGBT 损坏。因此IGBT 的保护和故障诊断环节在IGBT串联中起着重要作用。

造成IGBT 损坏的原因包括过压，过流，过温，信号缺失等，针对不同损坏原因我们有相应的保护措施。本文简要介绍了过压，过流，过温和光纤通信检测保护，并在保护的基础上进行故障诊断分析，以便问题能够及时被发现和快速处理。通过实验验证证实该故障诊断分析系统所确定电路故障与真实电路故障相同，确定了该故障诊断分析系统的准确性和有效性。

1 IGBT保护环节设计

IGBT保护环节包括过压缓冲电路，过流保护电路，过温保护电路和光纤通信检测电路，IGBT保护环节功能框图如图1所示。过压缓冲电路用于抑制浪涌电压，防止IGBT关断过电压；过流保护电路通过对集射电压的检测和比较确定IGBT是否过流，若过流则及时关断IGBT驱动信号，保证器件工作在安全工作区；过温保护电路通过检测散热器周围温度以确定IGBT 器件温度，并将相应信息传给FPGA，FPGA与VBE沟通确定IGBT 的通断控制；光纤通信检测电路用于检测各路IGBT 通信是否正常，及时闭锁收到干扰的通信通路，保证各路信号的完整性和正确性。

图1 IGBT保护模块功能框图Fig.1 The function diagram of IGBT′s protection module

1.1 过压缓冲电路设计

为了抑制浪涌电压，减少开关损耗，通常在IGBT 主电路中设置吸收回路，典型的RCD 缓冲吸收电路原理图如图2所示［2］。

图2 RCD吸收电路原理图Fig.2 The schematic diagram of RCD snubber circuit

假设原来IGBT 处于导通状态，当关断时，IGBT 由导通状态转为关断状态，此时串联IGBT承受的总电压为Udc，由于各只IGBT 的驱动电路的参数不一致，导致串联功率管关断时间不同。因此先关断的IGBT 会承受较高的关断电压，这就导致产生动态电压不均衡问题。在串联IGBT两端并联RCD吸收电路之后，由于电容两端的电压不能突变，先关断的IGBT 的电流转移到与之并联的RCD 吸收电路上，对电容Cs进行充电，使电压缓慢的上升。由于每个IGBT都并联了相同的RCD 吸收电路，则可以使IGBT 电压上升速度基本达到一致，因此达到动态均压的目的。

1.2 过流保护电路设计

过流保护最简单有效的方法是检测IGBT的C，E之间的电压值，然后与预设的参考电压值Vref进行比较，如图3所示［3］。

图3 过流保护电路原理图Fig.3 The schematic diagram of overcurrent protection circuit

IGBT 器件正常工作时，一般只会产生几V的饱和压降Vcesat，随着Ic的增加，Vcesat也将上升，通过D4～D6将Vce电压抬高可以有效地减小干扰，取样点SENSE的电压为

式中：Vf为二极管正向导通压降；Icharge为流过R6的电流；n为串联二极管的个数，本设计中n=3。ISS为电流源ISS的电流，一般约为几百μA到几mA。当流过IGBT 的电流Ic增加时，Vcesat将上升，则Vsence也将上升，通过合理的参数设置，保证当IGBT发生过流时，Vsence大于参考电平Vref，则比较器输出高电平，过流信号有效，上报给FPGA，过流保护启动。实验中设置过流保护点数值为700 A，电流达到或超过700 A 之后过流保护自动启动并发出报警信号。过流要求快速的保护措施（10 μs 之内关闭IGBT），由VBE（valve base electronics，阀基电子设备）发送闭锁信号，统一关断同一阀臂的IGBT。这是因为每个IGBT 检测到过流的时刻是不一致的，驱动电路的输出端直接控制关断会使该IGBT因承受母线电压而损坏。

1.3 过温保护设计

IGBT 模块由IGBT 芯片和其反并联的二极管组成，因此IGBT功耗主要由IGBT芯片和二极管芯片的功耗组成。热量由IGBT芯片和二极管芯片的PN 结发出，通过散热器传导到外部环境中。一旦IGBT 温度过高可能导致IGBT 过温损坏，通过温度传感器检测散热器周围温度可以确定IGBT模块温度［4］。

过温保护模块主要由数字温度感应传感器TMP006 感应散热器温度并对数据进行处理，原理如图4所示。

图4 过温保护模块原理图Fig.4 The schematic diagram of thermal protection module

由图4可以看出过温保护模块通过一片红外温度传感器感应散热器的温度，并与设定值进行比较，当感应温度超过阈值后温度传感器发出报警信号并将相应状态信息发送给FPGA。实验中设置过温保护动作点为110 ℃，当VBE检测到换流阀内任意2 个（及以上）IGBT 出现过温，或1 个IGBT 连续10 s 以上出现过温时，向主机发送报文，要求主机闭锁3个VBE。

1.4 光纤通信检测电路

当光纤收发信号由于光纤接插不稳或光纤损坏而缺失或受到外界干扰等，光纤收发信号出现缺失或频率错误，这将间接导致IGBT 串联电路的过压或过流，严重时将导致IGBT 器件的损坏。光纤通信检测电路由FPGA 对光纤收发信号的有效性进行判断，当光纤收发信号为稳定的12.5 M 频率时，normal 判别信号显示正常，当光纤收发信号出现时间间隔大于480 ns 的非12.5 M 信号时，normal 判别信号对相应出错电路报错，由VBE发送闭锁信号统一关断驱动脉冲信号［5］。

2 串联IGBT故障诊断系统设计

故障诊断系统总体框图如图5 所示。IGBT阀组发出的故障波形如过流信号、过压信号或过温信号等被IGBT驱动保护系统接收并将保护状态信息发送给触发监控系统，触发监控系统实现对主机的控制，并根据保护状态信息将实时的触发指令发送给驱动单元。同时，将换流阀的运行状态数据汇总报告给上位机系统。每个触发监控系统与一个高压串联阀一一对应，通过触发监控系统将整个串联阀统一成一个器件。

图5 故障诊断系统框图Fig.5 The diagram of malfunction diagnostic analysis system

触发监控系统主要分为电源模块、光通信模块、状态显示模块、FPGA模块、DSP模块。如图6所示。电源模块与外部220 V 交流电源连接，通过开关电源的方式给触发监控系统内部的FPGA，DSP 等各个器件提供不同等级电压。光通信模块采用HFBR-1522 和HFBR-2522 器件，使用频移键控（frequency-shift keying，FSK）方式与主机相连，实现光纤收发控制。状态显示模块采用液晶面板，直观的显示触发监控系统本身及对应阀组的工作状态。FPGA模块负责与主机和驱动保护系统的逻辑处理与判别。触发监控系统对串联阀中各IGBT 的工作状态信息进行采集，FPGA 内做出逻辑判断，对阀组出现的故障进行故障保护。DSP模块作为功能扩充使用，接收定值、存储定值、定值比较逻辑判断。

图6 触发监控系统功能框图Fig.6 The function diagram of trigger monitor system

上位机故障诊断系统通过网络监控抓包工具读取并显示触发监控系统发送过来的故障诊断数据包。

2.1 电源模块

通过接收外部220 V 交流电源，通过开关电源的方式给触发监控系统内部的FPGA，DSP 等各个器件提供不同等级电压。电源模块将输入的220 V正弦交流电压通过电压转换芯片和其外围电路转换为其它模块所需的5 V，3.3 V和1.2 V电压。

2.2 光通信模块

每个触发监控系统采用HFBR-1527Z和HFBR-2527Z 光通信器件与驱动保护系统、直流采样板进行通信；采用GTR-2134IIPFC与主机进行通信［6］。

其中HFBR-1527Z 为光纤信号发送器，它将FPGA发出的信号SG_TX1通过光纤发送到驱动保护板的光纤信号接收器，驱动保护板对接收到的信号进行分析处理并采取相应动作；HFBR-2527Z 为光纤信号接收器，它接收来自驱动保护板的命令处理信号并将之传送给触发监控板的FPGA，FPGA接收信号并采取相应动作。

2.3 FPGA模块

FPGA 是整个触发监控系统的核心，负责与主机和驱动保护系统的逻辑处理与判别。触发监控系统对串联阀中各IGBT 的保护工作状态信息进行采集，FPGA 内做出逻辑判断，对阀组出现的故障进行故障保护。阀组运行过程中当阀内出现IGBT 数量不足时，VBE 将检测到换流阀发送normal 信号的IGBT 数量不足（含断电和断光纤）之后VBE 将闭锁本阀臂；当阀组短路时，VBE 检测到换流阀内任意2 个（及以上）IGBT 出现短路故障或1 个IGBT 连续5μs以上出现短路故障时，VBE 将闭锁本阀臂；当阀过温时，VBE 检测到换流阀内任意2 个（及以上）IGBT 出现过温，或1 个IGBT 连续10 s 以上出现过温时，VBE 将闭锁本阀臂；当VBE 检测到直流侧过压或过流时，VBE 将闭锁本阀臂；当阀组VBE 自身电压故障或其它异常情况时，VBE闭锁本机；当阀组任意1 个VBE 闭锁之后，主机接收到VBE 闭锁报文会同时闭锁其它2 个VBE。

图7 8个1 700 V IGBT串联脉冲实验原理图［3］Fig.7 The experimental schematic diagram of 8 1 700 V IGBTs in series

2.4 DSP模块

DSP 模块和FPGA 模块之间通过XINTF 总线相连，作为功能扩充使用，用于接收定值、存储定值、定值比较逻辑判断。DSP将接收到的换流阀信息汇总并对事件进行记录之后通过液晶显示模块将换流阀状态信息予以显示。

3 串联IGBT故障诊断实验

8个1 700 V IGBT串联脉冲实验原理图如图7所示。

实验中开关器件为1 700 V-600 A英飞凌IGBT，主回路负载电阻6 Ω，电感负载30 mH。RCD（R=50 Ω，C=0.22 μF），开通电阻Ron=4.7 Ω，关断电阻Roff＝4.7 Ω。

加压测试时上位机故障诊断系统定周期接收并显示故障诊断数据包数据，IGBT 和驱动保护各模块工作正常时故障诊断数据包数据如图8a所示。图8a中灰色选中部分为有效数据内容，由于实际实验中为8个IGBT串联，因此用八位二进制数代表8 个IGBT 的工作状态，11 后数据为000000ff，000000 数据意义保留未使用，ff 表示8个IGBT均无FSK接收错误，12后00000000数据意义保留未使用，其它字头后数据使用情况相同。21后ff代表8个IGBT GDU均正常，31后00代表8 个IGBT 均无过温现象，41 后00 代表8 个IGBT均无过流现象，51后00代表8个IGBT均无FSK发送错误。

图8 故障诊断数据包数据Fig.8 The data of malfunction diagnostic analysis packet

3.1 GDU过流现象

过流测试时隔离测试系统AMO-SATURN截取图形如图9所示。

图9 过流测试波形Fig.9 The over current test waves

从图9 可以看出，在0.011 65 s时，Vge2接到一个完整的关断信号，导致了其误关断，随后是强烈的双环反馈，几μs后损坏。

当IGBT 损坏后，GDU 发出过流信号，其他几个IGBT同步关断。同时故障诊断系统测试过流诊断数据包如图8b 所示。由图8b 可以看出，21，22 后面是7 f，表明有1 个GDU 工作不正常，应该是IGBT损坏后其GDU工作错误。41，42后面是80，表明有过流现象。实验后对电路和器件检查证实1号损坏且GDU过流信号灯亮。

3.2 FSK发送错误

光纤缺失，FSK 错误等均为光纤通信错误，光纤通信模块检测光纤通信并及时作出判断动作。隔离测试系统AMO-SATURN 测试FSK 错误时实验波形如图10所示。

图10 FSK错误波形Fig.10 The FSK failure waves

从图10 中可以判断出，Vce2接到短暂的关断信号，在关断期间母线电压施加于单个IGBT 之上使IGBT 集射极电压长时间超过1700 V 导致IGBT 损坏。因此首先是VBE 发送的错误信号，导致GDU 产生的误关断信号，最终IGBT 损坏，由于IGBT 损坏导致其它IGBT 发生过流报警。故障诊断系统测试FSK 发送错误数据包如图8c 所示。由图8c 可以看出，51 00 00 00 20其中20 代表2 号VBE 发送错误FSK 信号；41 00 00 00 20 其中20 代表2 号GDU 出现过流现象；21 00 00 00 df 其中df 代表2 号GDU 工作不正常。实验后对2 号IGBT 进行检测发送2 号IGBT 损坏。

4 结论

IGBT 故障保护环节设计和故障诊断系统的存在对后续电路问题排查和改进起到重要的方向性作用。本文首先对IGBT故障保护环节和故障诊断环节的设计进行了简要分析介绍，最后通过实验数据和波形记录验证了故障保护环节和故障诊断环节的有效性。故障保护和诊断环节对IGBT器件和外围电路的安全以及电路故障后问题的排查和故障的解决起着重要作用。通过实验证实，故障诊断分析环节检测到的电路故障与实际电路故障相符，证实了故障诊断环节的有效性。

［1］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［2］贾贵玺，徐欣东.IGBT缓冲电路的设计［J］.电气传动，1998，28（3）：54-55.

［3］范镇淇，侯凯，李伟邦.IGBT 串联阀吸收电路的研究［J］.电气传动，2013，43（7）：72-76.

［4］李伟邦，侯凯，范镇淇，等.1700 V IGBT 模块直接串联驱动设计［J］.智能电网，2013，1（2）：32.

［5］徐飞.逆变器中IGBT 的保护和故障诊断研究［D］.长沙：中南大学，2009.

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