电动汽车逆变器IGBT故障检测分析技术研究

2022-02-21刘向辰

甘肃科技纵横 2022年10期

关键词：手持式断路短路

刘向辰

（兰州石化职业技术大学汽车工程学院，甘肃兰州 730060）

0 引言

电动汽车的动力驱动系统主要是由电子中央控制单元、逆变器驱动单元、交流/直流电动机、传感器单元以及变速差速单元等组成，电动汽车动力传动组成框架如图1所示。

图1 电动汽车动力传动组成框架

图1中，当驾驶员的油门和刹车信号作为输入信号进入电子中央控制单元时，指令信号通过放大并转换成PWM信号，将PWM信号送至逆变器驱动单元，由逆变器驱动单元调节电动机的转矩和转速，使车辆按照驾驶员的目标指令行驶［1］。

因此在整个电动汽车的动力传动系统中，逆变器驱动的作用十分关键，它起到协调电动机和蓄电池之间能量平衡以及匹配电动机输出功率的巨大作用［2］。

为了提高逆变器Z型电路IGBT运行的安全性和可靠性，吴越［3］等人通过仿真比较IGBT一个开关周期内故障通断状态，对断路状态下的电流故障分量进行讨论，与离线故障量进行对比，得出故障判断结果。谢敬青［4］通过标记故障IGBT工况下的3次、5次、7次谐波分量的幅值和相位，通过与正常运行状态下的IGBT谐波的幅值和相位进行FFT［5］分析比对，最后确定故障类型，提高了检测精度。

在充分研究以上文献的基础上，设计了一种电动汽车动力驱动逆变器IGBT手持式故障探测分检设备，该设备通过内部IGBT断路/短路探测分检电路将检测到的IGBT故障电流信号送至数字式DSP TMS320F2812［6-7］进行分析处理，将分析处理后的故障结果通过LED显示至屏幕上，极大程度提高故障检测的准确性和售后便捷性。

1 电动汽车IGBT断路与短路问题

电动汽车在行驶过程中，电机驱动逆变器IGBT组件工作环境一般较为苛刻，经常处于线路过电压冲击和负载过电流冲击的工况下，致使IGBT更加容易出现故障，其中最为常见的故障是IGBT短路现象和IGBT断路现象。

电动汽车电动机动力驱动逆变器IGBT组件出现故障的原因主要有以下几点。

1.1 短时间内电流急剧升高

由于线路或负载阻抗出现变化、逆变器控制序列出错等原因导致经过IGBT的电流瞬时增大，超过了IG⁃BT允许流过的最大电流值，造成IGBT组件出现问题。

1.2 外部机械力

当电动机驱动IGBT组件受到人为外力或车辆碰撞等状况时，有可能导致IGBT出现故障。

1.3 长时间高温工作

当IGBT长时间工作在温度超过其能承受的最高温度时（目前普遍采用的是能够承受150℃的IGBT），IGBT也会面临故障风险。

2 电动汽车动力驱动逆变器IGBT手持式故障探测分检设备

在研究了多种较为常见的IGBT现场检测的基础上，设计了一种电动汽车动力驱动逆变器IGBT手持式故障探测分检设备，其结构如图2所示。

图2 电动汽车动力驱动逆变器IGBT手持式故障探测分检设备结构

电动汽车动力驱动逆变器IGBT手持式故障探测分检设备的控制单元包括：故障LED显示、数据通讯、数据调理和数据处理等分模块。

该设备具有以下功能：

功能1：IGBT短路现象以及断路现象判断与分析；

功能2：故障现象的实时显示。

基于TMS320F2812数字芯片DSP的IGBT故障探测分检电路控制原理如图3所示。

图3 基于TMS320F2812数字芯片DSP的IGBT故障探测分检电路控制原理

IGBT手持式故障探测分检设备的控制单元采用数字信号处理器TMS320F2812。

本设备的数字信号芯片选用德州TI公司出品的TMS320F2812，该芯片采用32位运算、150 MHz芯片工作运算频率，计算分析精确度高、功耗低、性能稳定、功能拓展快捷、存储量大等诸多优点，广泛适用于制造业流水线电机驱动、特高压交直流变换、手持机械装置、医用电动手术设备等多个行业。

TMS320F2812芯片的内部存储空间为256 kb×16 bit，如需要扩展时，可以由外部扩充至512 kb×16 bit nor flash；RAM随机存储器为34 kb×16 bit，如需要扩展时，可以由外部扩充至256 kb×16 bit SRAM；并且采用多种通讯总线，如：SPI、CAN、I2C以及PWM，完全能够满足本设备故障采集、调理、运算和数据储备要求。

TMS320F2812最小外部拓扑组件还包括：上拉电阻、下拉电阻、时钟晶体振荡电路、看门狗复位电路、EEPROM、供电电源、外部拓展存储器等。

供电电源选择基于HWD70302芯片的供电电路，该电路的输入电压为5 V，输出电压有3种，分别为3.3 V、2.5 V和1.9 V，可以满足TMS320F2812芯片的正常供电；EEPROM全称为选择带电可擦除可编程只读存储器，它是一种在断电后数据依旧存在的芯片，经过通电擦除以后，可以再次编辑、书写、导入程序，本产品采用的EEPROM为HWD24C256；晶体振荡电路主要作用是生成振荡频率，广泛应用于各种DSP电路中，该产品一般由金属外壳封装，封装内部一般为IC电子器件组成的振荡部分。

针对纯电动汽车动力驱动逆变器IGBT短路现象和断路现象可以快速实现准确检测，IGBT断路/短路探测分检电路如图4所示。

图4 IGBT断路/短路探测分检电路

通过IGBT断路/短路探测分检电路，可将电动汽车IGBT短路或断路现象实时传输到LED显示屏上，帮助维修售后人员快速判断故障类型以及故障出现的原因。相比于传统检测方式，IGBT手持式故障探测分检设备能够更加准确、快速地判断出IGBT故障类型。

IGBT手持式故障探测分检模块中的电压传感器选用直流/交流霍尔光电型三相电压穿孔传感器（电流变换规格为0～5 A转4～20 mA），霍尔光电型三相电压穿孔传感器是基于物理学中的霍尔特性，将需要测量电压的一侧经过外接电阻或者内接电阻，从而使得需要测量端的电流严格限制在10 mA以内，测量端的微小电流信号经过电磁绕组后，通过电磁绕组磁场的作用，在电磁感应定理的作用下，产生感应电压，在检测端被霍尔元件探测到，该感应电压值即为测量端的电压；放大芯片选用CA3130输入高阻运算放大器；比较运算放大器选用LM211D，LM211D集电极和发射极的输出信号稳定，精度较高；隔离光电耦合选用PC817AC非线性隔离光电耦合，隔离光电耦合的结构是将发光二极管和光敏组件连接在一起，使几个电路之间通过光信号连接，而没有直接的电信号连接，这样可以消除由于电信号连接而产生的电磁干扰问题，隔离光电耦合在实际工程项目中经常用到。

本设备设计的隔离光电耦合电路的隔离电容低于1 pF；电流直流分量的传输比为20%～25%，其光电传输效能较好；隔离端两侧的绝缘电压为1～5 KV，绝缘电阻为1 kΩ；电压降落饱和值较低，为0.3 V；动态响应速度快。

IGBT手持式故障探测分检设备需要+12 V直流电源作为能量来源，通过逆变器将220 V交流电转换成12 V直流电。

3 硬件电路原理分析与设计

在软件Altium designer 14下设计了PCB硬件电路原理图，IGBT故障电流采集调理电路PCB原理如图5所示。

图5 IGBT故障电流采集调理电路PCB原理

设计IGBT故障电流采集调理电路的核心是放大运算电路，本设备设计研发的IGBT故障电流采集调理电路采用了两个放大运算电路，放大运算电路是现今电力、电子和自动化生产领域中应用最为广泛也是最基础的电子单元之一，它是构成大容量集成运算电路的基础部件。所谓放大运算电路，就是将微小的电信号，一般为十几毫安、微安的电压、电流信号，不失真的放大到需要的数值，且在放大过程中，电压、电流的波形、幅频等关键特性与原信号一致，不得改变。

通过故障电流采集调理电路，可以将IGBT断路故障电流和短路故障电流准确检测并采集，并送至数字信号处理器TMS320F2812，进行分析和处理。

基于RS422芯片的数据通讯传输电路PCB原理如图6所示。

图6 基于RS422芯片的数据通讯传输电路PCB原理

RS422是数字平均电压电路接口通道的简写，RS422在传输信号时，一共使用了5根数字信号传输线，其中最后1根为地线。相比于RS232，RS422由于采用了输入端高阻值、输出端低阻值，从而使RS422有更加优异的带动负载能力和信号驱动能力，因此在同一条信号传输线路上，可以连接更多的接收端点（最多可以连接256个接收端点），且不影响其余端点信号的正确、实时传送。

标准的RS422包含1个主收发端点和若干个从收发端点，但是从收发端点之间不能自主完成信号的传送，RS422的最大输入阻抗为4 kΩ，最大带动负载能力为10×4 kΩ+100 Ω。

RS422各个收发端点采用独立的接收和发送通路，所以不用考虑数据传送方向选定的问题，每个收发端点之间信息和数码的交互可以采用软件和硬件两种方式。RS422最远且不失真的信息传送距离为1 200 m左右，在此距离内最大传输速率为10 Mb/s，但由于其采用的传输线制造材料为双绞线，因此其数据传送过程中，数据传送距离和传送速率成反比，因此在实际工程项目中，一般传输速率保持稳定在100 kb/s以下。

RS422作为一种全双工通信方式，其信号在采集、调理过程中，具有反射干扰，信号传输精度高等诸多优点，可以实现信号的高精度传送。

4 现场分析与检测

通过电动汽车动力驱动逆变器IGBT手持式故障探测分检设备的现场实验检测分析，IGBT断路故障和短路故障电流实验结论如图7所示。

通过实验分析，比较图7中（a）和（b）可以清晰看出，断路故障电流的阶跃峰值持续时间明显高于短路故障电流的阶跃峰值持续时间。由此可以看出，电动汽车动力驱动逆变器IGBT手持式故障探测分检设备可以准确判断出电子器件的断路故障和短路故障，并将检测结果传输至数字信号处理器CPU，通过计算分析由LED显示出来，大大降低了故障的检测精度、提高了方便性。