集成IGBT驱动器的故障检测与故障模式识别

梁宝明，袁起立，江可扬，彭　溪（.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；.海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭40）



集成IGBT驱动器的故障检测与故障模式识别

梁宝明1，袁起立2，江可扬1，彭溪1
（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2.海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭410111）

摘要：现代电力电子变流系统中，IGBT以及集成化的IGBT驱动器得到越来越广泛的应用，本文针对Concept公司的SCALE系列IGBT驱动器，通过对该驱动器反馈信号特性以及与驱动信号的相位关系等方面的分析，进行了故障检测的电路设计。通过CPLD程序设计，实现了集成IGBT驱动器的故障模式识别，有效提高了故障检测的实时性，最后通过仿真对本设计进行了验证。

关键词：IGBT驱动器反馈信号故障检测故障模式

0　引言

IGBT集合了高频、高压、大电流三大技术优势［3］，在变频器、开关电源等电力电子技术领域中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，而IGBT驱动保护电路一直伴随IGBT技术的发展而发展，现在市场上流行着很多种类非常成熟的IGBT驱动保护电路专用产品［4］，成为大多数设计工程师的首选。瑞士Concept公司是全球领先的IGBT驱动器（中、大功率）的制造商，尤其是SCALE系列的驱动器应用非常广泛，但由于该驱动器的工作状态大多采用单根光纤介质进行回馈，针对这种情况，常用的做法是通过检测反馈信号的无光电平宽度进行故障判断，没有将驱动信号与反馈信号的相位关系结合起来，上级控制系统虽然能够检测到故障，但实时性较差［3］，且无法准确定位故障模式。本设计针对SCALE系列驱动器，通过CPLD对驱动信号和反馈信号的相位关系进行解析，获得IGBT的故障模式信息，有利于故障分析与定位，提高了工作效率。

1　故障检测电路架构

本设计的故障检测电路主要由信号接口电路、DSP芯片、CPLD芯片、芯片外围电路及光纤收发电路等组成，如图1所示。

图1中，DSP完成功率回路特征信号采集、控制算法和PWM生成的功能。CPLD芯片完成反馈信号检测、故障中断产生和故障信息锁存及驱动信号封锁等功能。

2　CPLD程序设计

CPLD程序设计框图如图2所示，CPLD程序包括驱动信号闭锁模块、多个故障检测模块及总线接口与数据缓冲模块。当系统工作正常时，驱动信号闭锁模块将来自DSP的驱动信号传至光纤收发器，当检测到故障信号ERR_all为低电平时，立即封锁驱动输出，保证功率器件的安全。总线接口与数据缓冲模块主要将DSP发出通道检测使能设置解析后传至各个故障检测模块，同时将来自故障检测模块的故障信息锁存，等待DSP的访问。

图1　故障检测电路架构

故障检测模块是本文设计的重点，该模块通过对反馈信号与驱动信号的相位关系的分析，实现驱动器的故障检测和故障模式识别。当发生故障时，该模块输出故障信号ERRx（x=1～n），经逻辑门后送至驱动信号闭锁模块用于封锁所有驱动信号，同时将故障模式信息传至总线接口与数据缓冲模块。

图2　CPLD程序设计框图

图3为SCALE系列IGBT驱动器反馈信号的特性，驱动器反馈的故障模式有短路故障、门极监控故障和驱动电源欠压故障三种。由图3可以看出，正常情况下，在驱动信号的上升沿或下降沿到来后约250 ns，驱动器会输出宽度约700 ns的无光信号，而其他时刻一直输出有光信号；当发生短路时，驱动器会输出一个宽度大于1.5 μs的无光信号；当发生门极监控故障时，驱动器会输出一个宽度约1 μs左右的无光信号；当发生驱动电源欠压故障时，驱动器会在欠压的时间段发出响应宽度的无光信号。

图3　驱动器驱动与反馈相位关系

根据图3，本设计CPLD程序中的故障检测模块采用逐步排除的方式进行检测，其故障检测及故障模式识别的流程图如图4所示。

根据上述流程图，故障模式与故障信息寄存器ERRINFO的对应关系见表1。

表1　故障模式与故障信息对应表

图4中，T1为线路延时、驱动器自身延时、及驱动器反馈信号无光宽度之和，线路延时根据具体的传输介质和中间电路参数而定，本设计中线路延时约为60 ns，驱动器自身延时约250 ns，正常情况下无光宽为700 ns，考虑裕量后，本设计中取T1=1.1 μs。T2为驱动器反馈信号的无光持续时间，根据图3和本设计中驱动电源掉电特性，并考虑到时序误差后，取Ta=15 μs，Tb=1.5 μs，Tc=900 ns。

图 4 故障检测与识别流程图

3　仿真

通过Quartus II设计工具对本设计进行了仿真和分析，如图5和图6。

图5中，在驱动信号上升沿后T1时间之外，反馈信号出现10 μs无光状态，因而图输出的故障信号ERR立即变为了低电平，且故障信息寄存器ERRINFO的值变为了1011，表示当前故障为短路故障。

图5　故障检测与识别仿真波形1

图6中，反馈信号的无光状态在驱动信号上升沿后T1时间内到达，但T1时间后，反馈信号仍为无光状态，因而CPLD输出的故障信号ERR立即变为低电平，有源反馈信号的无光宽度T2大于Ta（15 μs），故障信息寄存器ERRINFO的值变为了1101，表示当前故障为驱动电源欠压故障。

图6　故障检测与识别仿真波形

4　结论

本文设计了一种IGBT驱动模块的故障检测和故障模式识别的电路，解决了在应用SCALE系列的IGBT驱动器进行工程设计时，故障检测实时性较差且无法准确定位故障模式的问题。通过对本设计的仿真，证明该设计能够对IGBT驱动模块的故障类型进行有效地识别，本设计的方法在工程中已得到实际应用，可广泛应用于变频调速等领域IGBT驱动模块的故障检测中。

参考文献：

［1］鲁欣等.数字电路设计方案的比较与选择.电子技术应用，2002，1：6-8

［2］雷鸣，程善美，于孟春，等.基于变门极电阻的IGBT软关断实现［J］.电力电子技术，2012，46（12）：46-48.

［3］Laurent Dulau，Serge Pontarollo，Anthony Boimond.A New Gate Driver Integrated Circuit for IGBT Devices With Advanced Protections［J］.IEEE Transactions On Power Electronics，2006，21（1）：38-44.

［4］田亚松，甘正华，孙烨，等.一种新型IGBT驱动及保护电的研究［J］.电焊机，2007，37（7）：61-63.

［5］刘志星，刘憾宇，李明，等.用于风力发电系统的大功率IGBT短路保护的研究［J］.变频器世界，2010，（2）：43-45.

［6］Dan Deng.FPGA implementation of PWM pattern generators.Electrical and Computer Engineering，2001 Canadian Conference on，Vol.2，2001：1279-1284.

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

中图分类号：TM571TP274

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0015-03

收稿日期：2015-12-23

作者简介：梁宝明（1979-），男，高级工程师。研究方向：电力电子与电力传动。