基于24 V电源测试大功率IGBT模块的方法与分析

蔡文轩，何 丽，祁海波，李长久，岳 健

(1.承德石油高等专科学校电气与电子工程系，河北 承德 067000;2.解放军第266医院，河北 承德 067000;3.承德技师学院，河北 承德 067000;4.北京金风科技股份有限公司，北京 100176)

变流器是风电机组的核心部件之一，在风力发电系统中占有非常重要的地位。随着大型风力发电机组的迅猛发展，变流器的核心全控器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)也朝着大电流、高电压、快通断、易触发等方向不断发展。风力发电机组中的变流器运行工况特殊，功率、频率、电流和电压等参数随风的变化而变化。[1-3］

国内风电变流器中普遍采用的IGBT产品有英飞凌、西门康等，对于这种大功率级的IGBT器件测试方法始终是基于高压大电流的测试条件下才可以完成测试，例如“H桥”测试、“三相桥”测试等等[4-5］。这些测试方法，不仅需要大容量的电源设备，还需要专用的测试设备，费用较高，危险性较大，要求操作人员需要较高的技术水平。为了规避设备风险减少测试投资，需要设计一种简单、适用、安全、高效的大功率IGBT模块驱动测试仪和测试方法，该方法基于24 V电源测试大功率器件(额定电压1 700 V、额定电流2 400 A、IPM(智能功率半导体)封装)，通过向IGBT发送2.5 kHz、5 kHz的PWM脉冲测试IPM的耗散电流来确定IGBT是否完好。

1 新型IGBTA模块测试仪的总体设计方案及系统框图

此测试仪有两部分组成，分别为SKiiP测试仪主控板与SKiiP测试仪接口板。主板主要完成电流信号、温度信号采样、IGBT故障信号的判断、IGBT短路保护、发送驱动脉冲、(LCD)提供人机接口等;接口板主要完成IGBT耗散电流的检测，并将检测后的电压信号进行滤波与放大后，输出给万用表。其中，两块测试板通过14PIN的扁平电缆进行连接，实现IGBT供电、驱动、信号采集、信号保护、耗散电流检测等功能，IGBT测试仪系统框图如图1所示。

2 SKiiP电流和温度反馈分析

根据SKiiP2403电流反馈说明进行如图2所示电流采样电路设计。

SKiiP2403电流采样原理如图3所示，此模块电流采样使用闭环原理，当主电路(一次侧)有电流流过后，在补偿线圈与电磁探针中产生感应电动势，电磁探针输出直接受补偿线圈的控制，当补偿线圈中磁场强度增强时，电磁探针通过PWM调节原理将此磁回路补偿线圈中产生的磁场与感生磁场进行相互抵消，实现电磁探针感应为零，通过采集此电路的输出便可知一次侧电流大小。

根据SKiiP2403模块温度反馈曲线如图3所示。

由图3可知，SKiiP2403温度反馈从30℃后反馈电压与SKiiP2403模块温度基本呈线性，根据外部环境温度特点，户外温度绝对不会超过60℃，所以对SKiiP2403模块的温度采样阀值设计到60℃是绝对安全可靠的，模拟反馈电压为4 V。

3 关键功能设计及原理

这种新型IGBT模块测试仪比较以往的测试仪具有简单的人机界面，驱动脉冲可调，检测功能齐全(温度信号检测、电流信号检测、IGBT短路电流保护等)，性价比更高等优点。

此IGBT模块测试仪主要完成如下测试功能:

1)IGBT驱动板电源短路保护功能;2)测试IGBT故障信号功能;3)测试IGBT电流检测与温度检测功能;4)分别测试IGBT上、下桥臂响应信号功能;5)测试IGBT全桥臂响应信号功能。

3.1 IGBT驱动板电源短路保护电路

测试板使用24 V电源进行IGBT测试，不会对操作人员造成伤害，保证了测试人员的安全，测试板中具有电源短路保护功能，主要是防止IGBT驱动板中电源部分失效导致电源短路从而影响测试板的正常使用，保护原理如图4所示。

图4电路主要保护测试板24 V电源，当系统上电时刻，C31抑制了Q2的导通从而使Q1先于Q2导通，当Q1导通后Q5导通，Q5导通后驱动MOS管Q4导通，Q4导通后通过R53抑制了Q2的导通，使24 V电源正常供给IGBT模块完成正常的上电过程。当24 V电源出现短路时，R53直接将Q2基极拉低，导致Q2导通，从而抑制了Q1的导通，使电路关闭，从而起到IGBT电源回路保护的作用。

3.2 IGBT故障检测原理电路

测试系统的故障信号检测功能是通过比较器进行检测，当IGBT故障后故障输出为OC门断路，由于上拉电阻的作用，直接将驱动信号拉为高电平，CPU检测到此高电平后报出故障，检测成功，IGBT故障检测原理如图5所示。

图5中D9主要是易于判断IGBT故障的发生，即故障时刻点亮，IGBT正常D9熄灭。

当IGBT没有电流流过时，IGBT电流与温度反馈为正常值，测试系统通过测试此反馈信号进行AD采用，并在软件中设定比较值，当此信号的幅值达到比较值(电流信号＞0.65 V、温度信号＞2.6 V)时，报出温度、电流反馈故障。

3.3 IGBT耗散电流测试原理

IGBT耗散电流测试原理是将0.5欧姆的采样电阻串联到测试系统的地线上，向IGBT上桥臂或下桥臂发出2.5 kHz的PWM信号时，因IGBT需要响应此信号，IGBT驱动板需要向IGBT的门极电容进行充电和放电操作，当IGBT响应此信号后流过采样电阻的电流会增加，通过模拟电路对采样电阻两端的电压进行放大与滤波后输出，使用万用表测试反馈电压，从而判断IGBT驱动板是否正常，IGBT耗散电流检测电路如图6所示。

4 结语

各功能单元电路与控制核心CPU进行功能接口对接，构成一个完整的IGBT模块驱动测试系统。这种新型IGBT模块驱动测试仪目前已在国内大型电气设备生产厂家进行验证测试，成为IGBT入厂检测和出厂检测的环节之一;同时应用在风力发电厂，作为变流器内IGBT故障判断的手段之一。这种新型IGBT模块驱动测试方法实现了通过科学的手段将产品质量的验证结果和测试结果反馈出来，而不是通过人的主观性去判断，无论是在企业生产还是操作维护，都具有很好的应用价值和科学严谨的指导意义。

[1]陈奇栓，路泽永.基于NRF905温室无线测控系统的研究[J］.承德石油高等专科学校学报，2014，16(5):33－35.

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