一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路
技术领域
本实用新型涉及IGBT驱动电路故障监测技术，具体涉及一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路。
背景技术
电力电子器件与电力电子技术的发展相辅相成。目前，功率器件已经成为工业应用中不可缺少的器件，在能量转换与电力电子装置中起着关键作用。绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为最具代表性的功率器件，结合了MOSFET与GTR的优点，具有开关频率高、控制方便、输入阻抗高、高耐压，损耗小等优点。作为系统核心部件，IGBT广泛应用于多电平逆变器、高压直流输电、风电变流器及光伏逆变器等中大功率电力电子系统中。伴随着功率器件新结构及新工艺的发展， IGBT的功率等级、功率密度、开关频率也在不断提高，其电压范围为600V～6500V，电流范围为1A～4500A，主要应用在1～100kHz的频率范围内。此外，目前的主流大功率IGBT普遍采用硅(Si)材料，但由于材料限制，IGBT的器件性能已经接近理论极限，所以，碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等新型材料的研究应用成为必然趋势。
IGBT驱动技术伴随着IGBT器件的发展而发展。由于IGBT成为各种变换器的首选功率器件，所以如何安全可靠地驱动其进行工作，也成为了国内外学者们的研究热点。驱动电路主要功能是将控制信号进行隔离传输和功率放大。此外，由于IGBT工作环境的要求，其还需提供完善的保护功能，主要包括：短路保护、过压保护、电源欠压保护以及过温保护等。当系统发生短路、过压、过温等故障时，能够及时准确检测故障并安全迅速关断IGBT，以确保电力系统的安全运行，其中短路检测保护功能尤为重要。目前，国内外的CONCEPT、赛米控、飞仕得、青铜剑等公司已经推出了功能较为完善的产品。随着应用要求的不断提高，将来不仅要求IGBT驱动电路有驱动与保护功能，同时应该具有对IGBT模块的实时状态监测与故障识别功能，能够有效对IGBT模块的故障失效进行预警，提高模块使用的可靠性和安全性，延长器件的使用寿命。
然而，如图1所示[1]，功率器件也是变流系统中失效率最高的部件，约占30％，随后依次为PCB电路板故障、电容故障、焊接部位故障等。引起IGBT失效的原因可分为三种，第一种是本身加工制造、工艺缺陷或内部材料及设计缺陷引起失效，第二种是外部应力(如热应力、电应力、机械应力、辐射应力等)引起失效，第三种是电路其他部分如控制驱动电路、滤波电路等引起失效。在实际应用中，由于功率变流器长时间工作运行，无论是在故障工况还是正常工况下， IGBT模块最终都会在外部应力的作用下发生退化并最终失效。在 IGBT的全寿命周期中，由于损伤不断积累，其性能参数也在不断下降，从而导致系统的功能逐渐退化，最终导致系统故障甚至停机，带来巨大的人力、物力损失。
目前，大量研究表明IGBT模块的性能退化或失效会导致其参数发生改变，即IGBT模块的退化失效与状态参数之间有相当紧密的关系。如图2所示[2]，当IGBT模块发生老化时，其等效寄生电阻会增大，从而导致在相同集电极电流下的模块饱和导通压降Vce(sat)会逐渐增大。
因此，通过监测能代表其健康状态的状态参数，实时提取老化信息，为IGBT模块的寿命预测与健康管理提供依据，以便提前进行故障预警和更换维修。目前，IGBT模块的退化失效与部分状态参数的对应变化量如表1所示。此外，集电极电流变化率dic/dt，开通延迟时间tdon等状态参数也会发生相应改变。
表1 IGBT失效所对应的状态参数变化量
目前，现有IGBT状态监测技术需采用离线测试或准在线测试。离线测试不能实现故障的实时警报；准在线检测需要在功率变流器的基础上额外增加测量电路，提高了系统成本。因此，亟需一种快速准确的IGBT状态监测方法，能够实时检测、有效识别故障，并能够记录IGBT发生短路故障的次数，为IGBT的剩余寿命预测提供研究基础。
综上所述，驱动电路作为功率回路与控制回路之间的桥梁，直接影响着IGBT的正常可靠工作与系统的安全稳定运行。当出现过流、过压等故障时，需要驱动电路通过Vce、dic/dt等状态参数及时有效地检测、识别故障并保护IGBT。可以看出，驱动电路能够在第一时间内获取IGBT模块所处的工作状态。若选取相应的状态参数，当IGBT 发生过流、过压等故障时，将其作为判断依据；当处于正常工况时，通过其实现状态监测，从而使得状态监测、故障识别等功能集成到传统IGBT驱动电路成为可能。目前，IGBT驱动电路状态监测功能的研究较少。
现有技术一的技术方案
器件投入使用之前，在一定条件下对IGBT模块进行离线测试，测量Vce、Vge与Tj等相应状态参数并标记初始值，待器件投入使用后，定期测量IGBT模块的状态参数并将测量值与初始值进行比较，从而对其健康状态及可靠性进行评估判断。
现有技术一的缺点
该检测方法不能实现故障的实时检测与提前警报，从而无法减少因系统故障而产生的损失。同时，离线测试需额外搭建测试平台，加大投资，成本较高。
现有技术二的技术方案
对IGBT模块进行准在线测试，利用小电流下的集射极饱和压降 Vce(sat)实现故障监测。在变流系统中添加能独立输出的电流源，当变流器停机时，在IGBT饱和导通的条件下注入100mA小电流，测量 IGBT模块的饱和压降，从而对其健康水平进行评估。
现有技术二的缺点
该方法需要在变流器中添加辅助电源以及测试电路，增加了变流器的投资成本。而且，该方法只能在特定的变流器工况下，才能对 IGBT的退化状态进行评估，在实际工程应用中存在一定的局限性。
实用新型内容
针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路，解决了如下问题：(1)、将状态监测与故障识别功能集成到驱动电路中，实现实时状态监测，有效对IGBT模块的故障失效进行提前警报，从而提高系统可靠性与安全性，减少维修成本；(2)、利用逻辑控制芯片记录并输出IGBT发生短路故障的次数，为IGBT的寿命预测与健康管理提供研究基础，延长使用寿命。
为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：
一种具有状态监测及故障记录功能的IGBT驱动电路，包括：逻辑控制模块、故障监测模块、光纤接口和电源模块；所述逻辑控制模块包括：逻辑控制电路和门极功率放大电路，逻辑控制电路包括：逻辑控制芯片；所述故障监测模块包括：故障检测电路和信号处理电路；
所述电源模块为DC/DC电源模块，用于为逻辑控制模块、故障监测模块及光纤接口提供工作电源，并实现控制电路与功率回路之间的高压隔离；
所述门极功率放大电路与IGBT模块的门极g和辅助发射极e相接，逻辑控制电路分别与信号处理电路和光纤接口相接；
所述光纤接口用于将PWM光信号转换为相应的电信号并传输给逻辑控制芯片，并在IGBT出现故障时将不同故障类型的反馈信号转化为相应的光信号并发出故障告警信息；
当IGBT处于正常工况时，光纤接口还用于将逻辑控制芯片内的累计短路故障次数进行显示输出；
所述故障检测电路与IGBT模块的门极g、辅助集电极c和功率发射极E相接，用于检测IGBT模块在开通过程中的集射极电压Vce、集电极电流Ic、集电极电流变化率dic/dt、门极电压Vge、门极电流Ig和结温Tj等状态参数；并将检测信号传送给信号处理电路，
所述信号处理电路用于接收检测信号，将检测信号与相应的预设比较阈值进行比较，并将比较结果传送给逻辑控制电路，为保护电路保护动作提供判据，实现IGBT模块的故障监测；
所述逻辑控制芯片用于根据信号处理电路发送的比较结果对 PWM输入信号进行处理后通过门极功率放大电路控制IGBT模块的开通与关断，逻辑控制芯片还用于对累计短路故障次数进行记录，实现芯片掉电数据不丢失。
在上述方案的基础上，所述信号处理电路由比较器U1～Un构成，预设比较器U1～Un中的比较阈值V1～Vn，其分别为IGBT在不同状态下的相应状态参数值，并且V1>V2>……>Vn，其中V1作为IGBT故障检测保护阈值；V2～Vn作为IGBT退化程度监测阈值，阈值越大，代表IGBT模块退化程度越高，若状态参数检测值大于或等于相应预设阈值，则选择其中最大的阈值作为判别依据，表明IGBT处于相应的故障或退化状态；若状态参数检测值小于上述所有阈值，则说明 IGBT处于健康状态。
在上述方案的基础上，所述逻辑控制芯片为CPLD芯片或FPGA 芯片。
本实用新型的有益效果：
(1)、将状态监测、故障识别等功能集成到IGBT驱动电路中能够在第一时间内获取IGBT的工作状态，由若干比较器构成的多级检测能够实现IGBT的故障识别与状态监测，并对退化失效提前做出判断与警报，避免因IGBT模块退化失效导致系统瘫痪，与离线测试与准在线测试相比，操作方便且成本较低；
(2)、通过逻辑控制芯片对累计短路故障次数进行记录输出，并实现芯片掉电数据不丢失，为IGBT全寿命周期内的剩余寿命预测与健康管理提供研究基础。
附图说明
本实用新型有如下附图：
图1变流系统失效部位比例统计图；
图2在功率循环老化试验下Vce(sat)随老化进程的变化；
图3IGBT驱动电路结构框图；
图4信号处理电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图3-4对本实用新型作进一步详细说明。
本实用新型提出了一种具有状态监测、故障识别及记录功能的 IGBT驱动电路，该驱动电路利用Vce电压检测和dic/dt电流变化率检测实现对状态参数的实时监测，通过一定数量比较器并设置多级比较阈值以实现IGBT的状态检测，通过不同状态变量数据识别故障状态，并输出相应的反馈信号。同时，设计驱动电路的信号处理方案，记录存储短路故障发生的次数，保证数据掉电不丢失，在重新上电后可输出所存储前次故障信息。
本实用新型是针对现有IGBT在线状态监测、健康管理等方面的不足提出一种具有故障监测、识别及记录的IGBT驱动电路。其可分为逻辑控制模块、故障监测模块、光纤接口、电源模块。其中，逻辑控制模块包括逻辑控制电路和门极功率放大电路，故障监测模块包括故障检测电路和信号处理电路，如图3所示。
DC/DC电源模块的主要功能是为逻辑控制模块、故障监测模块及光纤接口提供工作电源，并实现控制电路与功率回路之间的高压隔离。
在逻辑控制模块中，门极功率放大电路与IGBT模块的门极g和辅助发射极e相接，逻辑控制电路与故障监测模块及光纤接口相接，逻辑控制芯片对PWM输入信号根据故障检测模块的故障反馈信号进行处理后通过门极功率放大电路控制IGBT模块的可靠开通与关断。此外，利用逻辑控制芯片对累计短路故障次数进行记录，通过光纤接口进行输出，并实现芯片掉电数据不丢失，控制芯片可选为CPLD或 FPGA。
在故障监测模块中，故障检测电路与IGBT模块的门极g、辅助集电极c与功率发射极E相接来检测IGBT模块在开通过程中的集射极电压Vce、集电极电流Ic、集电极电流变化率dic/dt、门极电压Vge、门极电流Ig、结温Tj等状态参数。之后，将检测信号传给由多个比较器构成的信号处理电路，并与相应的预设比较阈值进行比较，并将比较结果传给逻辑控制电路，为保护电路保护动作提供判据，实现IGBT 模块的故障监测。
如图4所示，为信号处理电路原理图，通过设置比较器U1～Un，并预设比较器中的比较阈值V1～Vn，其分别为IGBT在不同状态下的相应状态参数值并V1>V2>……>Vn，其中V1作为IGBT故障检测保护阈值；V2～Vn作为IGBT退化程度监测阈值，阈值越大，代表IGBT 模块退化程度越高。若状态参数检测值大于或等于相应预设阈值，则选择其中最大的阈值作为判别依据，表明IGBT处于相应的故障或退化状态；若状态参数检测值小于上述所有阈值，则说明IGBT处于健康状态、运行正常。利用多个比较器的预设阈值实现多级分区检测，既能够在过流、过压等故障时实现IGBT故障检测保护，又能够在正常工况下实时检测状态参数的变化从而表征器件的退化程度，为 IGBT全寿命周期正常工作提供故障参考判据。
光纤接口与逻辑控制电路相接，用于将PWM光信号转换为相应的电信号并传输给逻辑控制芯片，并在IGBT出现故障时将不同故障类型的反馈信号转化为相应的光信号并发出故障告警信息。此外，当 IGBT处于正常工况时，光纤接口对控制芯片内的累计短路故障次数进行显示输出。
本实用新型的技术关键点和欲保护点：
(1)在IGBT驱动电路的基础上利用若干比较器构成的多级检测电路实现器件的故障识别与状态监测，针对IGBT故障做到提前警报；
(2)利用IGBT驱动电路的逻辑控制芯片对累计短路故障次数进行记录输出，并实现芯片掉电数据不丢失，为IGBT全寿命周期正常工作提供故障参考判据。
附件：
参考文献(如专利/论文/标准)
[1]石巍.大功率IGBT模块健康状态信息提取方法研究及加速老化试验平台研制[D].浙江：浙江大学，2018.
[2]H.Luo,T.Iannuzzo,and P.D.Reigosa,et al.“Modern IGBT gate drivingmethods for enhancing reliability of high-power converters—An overview,”Microelectron.Rel,vol.58,pp.141-150,2016.
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缩略语、英文和关键术语定义列表：
1、Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)，绝缘栅双极晶体管；
2、Pulse width modulation(PWM)，脉冲宽度调制；
3、Vce，IGBT的集电极和发射极间电压；
4、Ic，IGBT的集电极电流；
5、dic/dt，IGBT的集电极电流变化率；
6、Vge，IGBT的门极和发射极间电压；
7、Ig，IGBT的门极电流；
8、Tj，IGBT的结温。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
