蔡文軒，何 麗，祁海波，李長久，岳 健

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子工程系，河北 承德 067000;2.解放軍第266醫(yī)院，河北 承德 067000;3.承德技師學(xué)院，河北 承德 067000;4.北京金風(fēng)科技股份有限公司，北京 100176)

變流器是風(fēng)電機組的核心部件之一，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中占有非常重要的地位。隨著大型風(fēng)力發(fā)電機組的迅猛發(fā)展，變流器的核心全控器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)也朝著大電流、高電壓、快通斷、易觸發(fā)等方向不斷發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機組中的變流器運行工況特殊，功率、頻率、電流和電壓等參數(shù)隨風(fēng)的變化而變化。[1-3］

國內(nèi)風(fēng)電變流器中普遍采用的IGBT產(chǎn)品有英飛凌、西門康等，對于這種大功率級的IGBT器件測試方法始終是基于高壓大電流的測試條件下才可以完成測試，例如“H橋”測試、“三相橋”測試等等[4-5］。這些測試方法，不僅需要大容量的電源設(shè)備，還需要專用的測試設(shè)備，費用較高，危險性較大，要求操作人員需要較高的技術(shù)水平。為了規(guī)避設(shè)備風(fēng)險減少測試投資，需要設(shè)計一種簡單、適用、安全、高效的大功率IGBT模塊驅(qū)動測試儀和測試方法，該方法基于24 V電源測試大功率器件(額定電壓1 700 V、額定電流2 400 A、IPM(智能功率半導(dǎo)體)封裝)，通過向IGBT發(fā)送2.5 kHz、5 kHz的PWM脈沖測試IPM的耗散電流來確定IGBT是否完好。

1 新型IGBTA模塊測試儀的總體設(shè)計方案及系統(tǒng)框圖

此測試儀有兩部分組成，分別為SKiiP測試儀主控板與SKiiP測試儀接口板。主板主要完成電流信號、溫度信號采樣、IGBT故障信號的判斷、IGBT短路保護、發(fā)送驅(qū)動脈沖、(LCD)提供人機接口等;接口板主要完成IGBT耗散電流的檢測，并將檢測后的電壓信號進行濾波與放大后，輸出給萬用表。其中，兩塊測試板通過14PIN的扁平電纜進行連接，實現(xiàn)IGBT供電、驅(qū)動、信號采集、信號保護、耗散電流檢測等功能，IGBT測試儀系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 SKiiP電流和溫度反饋分析

根據(jù)SKiiP2403電流反饋說明進行如圖2所示電流采樣電路設(shè)計。

SKiiP2403電流采樣原理如圖3所示，此模塊電流采樣使用閉環(huán)原理，當(dāng)主電路(一次側(cè))有電流流過后，在補償線圈與電磁探針中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電磁探針輸出直接受補償線圈的控制，當(dāng)補償線圈中磁場強度增強時，電磁探針通過PWM調(diào)節(jié)原理將此磁回路補償線圈中產(chǎn)生的磁場與感生磁場進行相互抵消，實現(xiàn)電磁探針感應(yīng)為零，通過采集此電路的輸出便可知一次側(cè)電流大小。

根據(jù)SKiiP2403模塊溫度反饋曲線如圖3所示。

由圖3可知，SKiiP2403溫度反饋從30℃后反饋電壓與SKiiP2403模塊溫度基本呈線性，根據(jù)外部環(huán)境溫度特點，戶外溫度絕對不會超過60℃，所以對SKiiP2403模塊的溫度采樣閥值設(shè)計到60℃是絕對安全可靠的，模擬反饋電壓為4 V。

3 關(guān)鍵功能設(shè)計及原理

這種新型IGBT模塊測試儀比較以往的測試儀具有簡單的人機界面，驅(qū)動脈沖可調(diào)，檢測功能齊全(溫度信號檢測、電流信號檢測、IGBT短路電流保護等)，性價比更高等優(yōu)點。

此IGBT模塊測試儀主要完成如下測試功能:

1)IGBT驅(qū)動板電源短路保護功能;2)測試IGBT故障信號功能;3)測試IGBT電流檢測與溫度檢測功能;4)分別測試IGBT上、下橋臂響應(yīng)信號功能;5)測試IGBT全橋臂響應(yīng)信號功能。

3.1 IGBT驅(qū)動板電源短路保護電路

測試板使用24 V電源進行IGBT測試，不會對操作人員造成傷害，保證了測試人員的安全，測試板中具有電源短路保護功能，主要是防止IGBT驅(qū)動板中電源部分失效導(dǎo)致電源短路從而影響測試板的正常使用，保護原理如圖4所示。

圖4電路主要保護測試板24 V電源，當(dāng)系統(tǒng)上電時刻，C31抑制了Q2的導(dǎo)通從而使Q1先于Q2導(dǎo)通，當(dāng)Q1導(dǎo)通后Q5導(dǎo)通，Q5導(dǎo)通后驅(qū)動MOS管Q4導(dǎo)通，Q4導(dǎo)通后通過R53抑制了Q2的導(dǎo)通，使24 V電源正常供給IGBT模塊完成正常的上電過程。當(dāng)24 V電源出現(xiàn)短路時，R53直接將Q2基極拉低，導(dǎo)致Q2導(dǎo)通，從而抑制了Q1的導(dǎo)通，使電路關(guān)閉，從而起到IGBT電源回路保護的作用。

3.2 IGBT故障檢測原理電路

測試系統(tǒng)的故障信號檢測功能是通過比較器進行檢測，當(dāng)IGBT故障后故障輸出為OC門斷路，由于上拉電阻的作用，直接將驅(qū)動信號拉為高電平，CPU檢測到此高電平后報出故障，檢測成功，IGBT故障檢測原理如圖5所示。

圖5中D9主要是易于判斷IGBT故障的發(fā)生，即故障時刻點亮，IGBT正常D9熄滅。

當(dāng)IGBT沒有電流流過時，IGBT電流與溫度反饋為正常值，測試系統(tǒng)通過測試此反饋信號進行AD采用，并在軟件中設(shè)定比較值，當(dāng)此信號的幅值達到比較值(電流信號＞0.65 V、溫度信號＞2.6 V)時，報出溫度、電流反饋故障。

3.3 IGBT耗散電流測試原理

IGBT耗散電流測試原理是將0.5歐姆的采樣電阻串聯(lián)到測試系統(tǒng)的地線上，向IGBT上橋臂或下橋臂發(fā)出2.5 kHz的PWM信號時，因IGBT需要響應(yīng)此信號，IGBT驅(qū)動板需要向IGBT的門極電容進行充電和放電操作，當(dāng)IGBT響應(yīng)此信號后流過采樣電阻的電流會增加，通過模擬電路對采樣電阻兩端的電壓進行放大與濾波后輸出，使用萬用表測試反饋電壓，從而判斷IGBT驅(qū)動板是否正常，IGBT耗散電流檢測電路如圖6所示。

4 結(jié)語

各功能單元電路與控制核心CPU進行功能接口對接，構(gòu)成一個完整的IGBT模塊驅(qū)動測試系統(tǒng)。這種新型IGBT模塊驅(qū)動測試儀目前已在國內(nèi)大型電氣設(shè)備生產(chǎn)廠家進行驗證測試，成為IGBT入廠檢測和出廠檢測的環(huán)節(jié)之一;同時應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電廠，作為變流器內(nèi)IGBT故障判斷的手段之一。這種新型IGBT模塊驅(qū)動測試方法實現(xiàn)了通過科學(xué)的手段將產(chǎn)品質(zhì)量的驗證結(jié)果和測試結(jié)果反饋出來，而不是通過人的主觀性去判斷，無論是在企業(yè)生產(chǎn)還是操作維護，都具有很好的應(yīng)用價值和科學(xué)嚴謹?shù)闹笇?dǎo)意義。

[1]陳奇栓，路澤永.基于NRF905溫室無線測控系統(tǒng)的研究[J］.承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2014，16(5):33－35.

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