團隊介紹

黃先進

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授，博士生導(dǎo)師。IEEE會員，中國電源學(xué)會高級會員。主要從事半導(dǎo)體器件驅(qū)動保護應(yīng)用技術(shù)，變流器控制與設(shè)計技術(shù)，變流系統(tǒng)的溫升與熱場分析設(shè)計等研究。主持或參加多項國際合作項目、北京市科委研究項目以及國家重點研發(fā)計劃。發(fā)表SCI/EI檢索論文多篇，授權(quán)專利多項。

李鑫

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向為 IGBT 驅(qū)動保護電路。

項目研究背景

作為電力電子裝置的功率電路與控制電路之間的接口，IGBT驅(qū)動電路與功率器件正常可靠工作及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行密不可分。通過門極驅(qū)動電路進行狀態(tài)監(jiān)測與保護是目前能夠?qū)GBT模塊實現(xiàn)故障診斷最快的方法。但IGBT模塊通常采用密閉封裝，無法開封放入測量裝置，使得狀態(tài)監(jiān)測遇到較大阻礙。

已有研究表明，隨著IGBT模塊的逐漸老化，其外部特性參數(shù)會呈現(xiàn)出一定的變化趨勢，能夠反映出器件的老化水平。因此，通過驅(qū)動電路監(jiān)測相關(guān)狀態(tài)參數(shù)，對當(dāng)前運行狀態(tài)進行判斷，能夠為IGBT的老化失效與健康管理奠定研究基礎(chǔ)。

論文所解決的問題及意義

本文提出一種基于量化電壓并行比較的IGBT狀態(tài)監(jiān)測保護電路，通過設(shè)定量化電壓，將狀態(tài)參數(shù)的檢測值進行量化，利用邏輯輸出判斷IGBT模塊的健康狀態(tài)。

構(gòu)建多芯片并聯(lián)封裝IGBT模塊的等效電路模型，分析模塊內(nèi)部寄生參數(shù)對飽和導(dǎo)通壓降Vce(sat)、短路電流Isc、開通延遲時間tdon及門極峰值電流Igpeak等狀態(tài)參數(shù)的影響，并根據(jù)其變化范圍構(gòu)建IGBT模塊的全壽命安全工作區(qū)，為量化電壓的設(shè)定提供依據(jù)。以Vce(sat)與tdon作為檢測信號，通過量化電壓并行比較的方法實時監(jiān)測并辨別短路故障與老化程度，從而保護IGBT模塊，提高器件運行可靠性。

論文方法及創(chuàng)新點

如圖1所示，為多芯片并聯(lián)封裝IGBT模塊的等效電路，將寄生參數(shù)改變、芯片開路故障兩種情況作為鍵合線老化脫落的標準，對飽和導(dǎo)通壓降Vce(sat)、短路電流Isc、開通延遲時間tdon及門極峰值電流Igpeak等狀態(tài)參數(shù)進行定量分析。

根據(jù)理論推導(dǎo)與仿真分析，隨著IGBT模塊內(nèi)部鍵合線逐漸老化脫落，飽和導(dǎo)通壓降Vce(sat)逐漸增大，短路電流Isc與門極峰值電流Igpeak均呈現(xiàn)出下降趨勢，而開通延遲時間tdon有所不同，當(dāng)鍵合線脫落導(dǎo)致寄生參數(shù)改變時，tdon會增大，當(dāng)鍵合線脫落導(dǎo)致芯片開路故障時，tdon則會減小，如表1所示。此外，相比于寄生參數(shù)改變，當(dāng)模塊內(nèi)部發(fā)生芯片開路故障時，各狀態(tài)參數(shù)的變化較大。

圖1 多芯片并聯(lián)IGBT模塊等效電路

表1 不同老化情況下的狀態(tài)參數(shù)變化趨勢

因此，利用IGBT模塊內(nèi)部發(fā)生開路故障的芯片數(shù)量表征其老化程度，并分為正常狀態(tài)，老化早期、老化晚期與臨界失效四種，各狀態(tài)參數(shù)從IGBT模塊正常狀態(tài)至臨界失效的變化范圍共同構(gòu)成全壽命安全工作區(qū)。

相比于正常狀態(tài)，隨著IGBT模塊老化程度不斷加深，各狀態(tài)參數(shù)的變化也會逐漸增大。當(dāng)其處于臨界失效時，各狀態(tài)參數(shù)發(fā)生最大范圍改變。不同老化程度下的各狀態(tài)參數(shù)可利用輸出特性曲線、短路特性及內(nèi)部寄生參數(shù)計算獲得，以上條件均可通過查詢相應(yīng)型號IGBT模塊的數(shù)據(jù)手冊獲得。

如圖2所示，為狀態(tài)監(jiān)測電路示意圖，選取Vce(sat)、tdon作為采集對象，根據(jù)全壽命安全工作區(qū)設(shè)定多個量化閾值，其中Vref1~Vref3為Vce(sat)的狀態(tài)監(jiān)測閾值，Vref5為tdon的結(jié)束判別閾值，Vref4、Vref6為短路故障檢測閾值。

與Vce(sat)狀態(tài)監(jiān)測不同，tdon狀態(tài)監(jiān)測需要通過軟件編程實現(xiàn)延時測量與狀態(tài)監(jiān)測。利用Vce(sat)及tdon檢測電路，將狀態(tài)參數(shù)的檢測值與設(shè)定閾值相比較，使得IGBT驅(qū)動電路能夠?qū)δK的老化情況進行實時監(jiān)測、識別與警告。

為了驗證狀態(tài)監(jiān)測方案的可行性，利用Pspice搭建相應(yīng)的電路模型，通過逐漸增大負載電流模擬飽和導(dǎo)通壓降Vce(sat)不斷上升的趨勢，仿真波形如圖3所示，驗證該方法的正確性與可行性。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測電路

圖3 Vce(sat)狀態(tài)監(jiān)測仿真波形

結(jié)論

本文提出了一種基于量化電壓并行比較的IGBT狀態(tài)監(jiān)測保護電路，并通過Pspice仿真驗證了該方法的可行性。通過理論分析與仿真驗證，Vce(sat)、短路電流Isc、開通延遲時間tdon及門極峰值電流Igpeak等狀態(tài)參數(shù)隨著IGBT模塊老化程度的不斷加深會呈現(xiàn)相應(yīng)的變化趨勢，并構(gòu)成相應(yīng)的全壽命安全工作區(qū)。

以IGBT驅(qū)動電路為基礎(chǔ)，針對Vce(sat)及tdon等狀態(tài)參數(shù)設(shè)定多個量化閾值并實時監(jiān)測，根據(jù)比較電路的邏輯輸出來判斷IGBT模塊的老化程度，對其可靠性研究具有參考意義。

引用本文

黃先進, 李鑫, 劉宜鑫, 王風(fēng)川, 高冠剛. 基于量化電壓并行比較的 IGBT 狀態(tài)監(jiān)測保護電路[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(12): 2535-2547. Huang Xianjin, Li Xin, Liu Yixin, Wang Fengchuan, Gao Guangang. Condition Monitoring and Protection Circuit for IGBTs Based on Parallel Comparison Methods of Quantized Voltages[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2535-2547.