文陽，楊媛，高勇

（1.西安理工大學自動化學院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學電子信息學院，陜西 西安 710048）

數(shù)字化IGBT智能驅(qū)動與故障監(jiān)測存儲系統(tǒng)設(shè)計

文陽1，2，楊媛1，高勇1，2

（1.西安理工大學自動化學院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學電子信息學院，陜西 西安 710048）

介紹了一種新穎的數(shù)字化IGBT智能驅(qū)動與故障數(shù)據(jù)監(jiān)測存儲系統(tǒng)。結(jié)合IGBT多發(fā)故障設(shè)計出了相應(yīng)的驅(qū)動保護與故障測量存儲電路，對IGBT進行實時保護和數(shù)據(jù)監(jiān)測存儲，并運用仿真和實驗驗證了設(shè)計電路的正確性和有效性。對于在復(fù)雜環(huán)境下運行的IGBT的壽命、安全性和可靠性，以及相關(guān)的維護有著很重要的作用。

IGBT智能驅(qū)動；過流保護；故障監(jiān)測存儲；數(shù)據(jù)測量

本文設(shè)計的系統(tǒng)在實現(xiàn)IGBT的智能驅(qū)動與保護的基礎(chǔ)上，對各種故障數(shù)據(jù)進行監(jiān)測、存儲，最終可供上位機讀取，大大降低了IGBT故障率和維護的成本。系統(tǒng)框圖如圖1所示。驅(qū)動信號經(jīng)過智能驅(qū)動器對IGBT進行優(yōu)化的開通和關(guān)斷，并且提供可靠的保護；當IGBT發(fā)生故障時，故障采集存儲單元對故障信號進行采集存儲，供上位機讀取查看。

1　智能驅(qū)動器設(shè)計

圖1　驅(qū)動保護與故障存儲系統(tǒng)框圖Fig.1　Drive protection and fault storage system block diagram

本文所設(shè)計的驅(qū)動保護電路主要包括4部分：驅(qū)動信號的光電轉(zhuǎn)換、FPGA數(shù)字控制、多級柵極驅(qū)動、故障的檢測及保護。功能框圖如圖2所示。

1.1多級動態(tài)柵極驅(qū)動

傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動結(jié)構(gòu)不能兼顧開關(guān)損耗和di/dt引起的電流、電壓尖峰。在本設(shè)計中采用多級動態(tài)柵電阻，利用Mosfet的組合即可實現(xiàn)多等級動態(tài)柵極驅(qū)動電阻，從而更精確控制開通和關(guān)斷過程。如圖3所示。

圖2　驅(qū)動保護電路系統(tǒng)框圖Fig.2　Drive protection system block diagram

圖3　多等級動態(tài)柵極驅(qū)動結(jié)構(gòu)Fig.3　Multi-level dynamic gate driver structure

1.2保護電路設(shè)計

1）過流保護。當IGBT正常開通時，Vce飽和時的壓降只有2～3 V，當IGBT短路后，IGBT快速退飽和，Vce快速上升，如圖4a所示。通過硬件比較電路與設(shè)置的保護閾值Vref相比較，比較器翻轉(zhuǎn)送出故障信號S1，F(xiàn)PGA決策后快速關(guān)斷IGBT，如圖4b所示。

圖4　短路檢測原理與保護電路Fig.4　Principle of short-circuit detection and protection circuit

當IGBT在開通瞬間發(fā)生短路，Ic急劇增大，導(dǎo)致di/dt增大，在寄生電感LeE（輔助發(fā)射極e和功率發(fā)射極E之間很小的寄生電感）上感應(yīng)出電壓VeE=-LeE×（di/dt），如圖4b所示。通過硬件比較電路捕捉此電壓變化，送出故障信號S2并由FPGA做出保護動作。

2）過壓保護。在變流器過載或橋臂短路時關(guān)斷IGBT，會產(chǎn)生非常高的電壓尖峰，此時IGBT極易損壞。為此采用有源鉗位的方法來抑制關(guān)斷過壓尖峰。如圖5所示，當集電極電位過高時，TVS管D2被擊穿，電流Iz向柵極注入電流，抬高柵極電壓，減慢關(guān)斷過程。為防止Vge被過大抬升導(dǎo)致IGBT損壞，利用雙向TVS管D3進行柵極鉗位。

圖5　Vce過壓保護Fig.5　Protection ofVceover-voltage

3）欠壓保護。欠壓包括電源欠壓和柵極欠壓。電源欠壓導(dǎo)致驅(qū)動信號不能正確傳輸、邏輯控制電路發(fā)生錯誤，嚴重影響驅(qū)動器功能的可靠性；柵極欠壓有可能使正在運行的IGBT退出飽和區(qū)，嚴重威脅IGBT的壽命。為此采用電壓檢測芯片對電源電壓和柵極電壓進行實時檢測，一旦有欠壓發(fā)生，關(guān)斷IGBT。

2　故障采集存儲設(shè)計

本文所設(shè)計的采集存儲電路主要包括7個部分：信號采集電路、信號調(diào)理電路、ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、FPGA控制模塊、FLASH、SDRAM和USB組成。如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)采集存儲框圖Fig.6　Block diagram of the data acquisition and storage

2.1Vce測量電路設(shè)計

本設(shè)計采用2個測量支路分別對關(guān)斷電壓和導(dǎo)通壓降進行測量。集電極電壓測量電路如圖7所示，IGBT關(guān)斷時的關(guān)斷電壓測量由電阻R4，R5完成；IGBT導(dǎo)通時飽和壓降測量支路由二極管D4，D5，開關(guān)S，電流源I1，I2及電阻R5組成。穩(wěn)壓管D6保護輸出后級電路。Uout為測量輸出電壓。

圖7　集電極電壓測量電路原理圖Fig.7　Collector voltage measuring circuit schematic

當IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時，開關(guān)S斷開，D4承受反壓，此時集電極電壓經(jīng)由R4，R5分壓，則

式中：Uceoff為IGBT關(guān)斷集電極電壓。

當IGBT導(dǎo)通后，開關(guān)S閉合。電流源I1，I2分別流過二極管D5，D4。此時IGBT的導(dǎo)通電阻相比較于R5小得多，因此I2幾乎全部流過D4；而相對二極管D5的導(dǎo)通電阻，R4阻值很大，可認為R4開路，I1全部從D5流過。

此時飽和壓降有如下關(guān)系式：

當I1和I2大小相等、D4，D5型號相同，且所處環(huán)境溫度相同時，UD4，UD5基本相等，即可得出

式中：Uceon為IGBT集電極飽和壓降；UD4，UD5為二極管D4，D5的導(dǎo)通壓降。

2.2溫度測量電路設(shè)計

針對IGBT功率模塊柵極驅(qū)動電壓的信號特征，把熱傳感器NTC作為分壓電路的一部分來實現(xiàn)溫度的測量，測量電路如圖8所示。

圖8　溫度測量電路Fig.8　Temperature measurement circuit

2.3柵壓Vge和電源電壓測量

本設(shè)計采用+15 V電源供電，為柵極提供可靠的驅(qū)動電壓與電流。根據(jù)電源電壓和柵壓Vge的特點，采取電阻分壓的方式進行測量。

上述測量得到的模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路，通過ADC轉(zhuǎn)換供采集電路采樣，并送往FPGA進行運算處理后，存儲在SDRAM中。當IGBT發(fā)生故障（短路、過溫、欠壓、柵極驅(qū)動信號過頻等），保護電路立即動作。同時，存儲電路將此故障發(fā)生前一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至FLASH中，在系統(tǒng)斷電后通過USB供上位機讀取。

3　仿真及實驗分析

3.1仿真分析

為驗證所設(shè)計Vce測量電路的有效性，根據(jù)基于Saber2007設(shè)計方案，對圖7所示集電極電壓測量電路進行了雙脈沖仿真。仿真參數(shù)：IGBT 為5SNA1200E330100，R4=4 M?，R5=40 k?，I1=5 mA，I2=5 mA，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　集電極測量電路仿真Fig.9　Simulation of collector measuring circuit

在不同母線電壓等級的阻斷電壓仿真結(jié)果如圖9a中所示，母線電壓分別為1 200 V，1 000 V，800 V?？梢钥闯觯贗GBT阻斷狀態(tài)下，根據(jù)式（1）可得集電極關(guān)斷電壓測量值和實際值相差約2 V，說明測量電路能較好地跟蹤母線電壓的變化，測量范圍可根據(jù)實際需要進行參數(shù)調(diào)整。從圖9b可以看出，在IGBT飽和導(dǎo)通狀態(tài)下，飽和壓降測量值和實際值重合性好，測量誤差小于10 mV。

從以上仿真結(jié)果可以得出，此測量電路能較精確地測量IGBT關(guān)斷和開通時的集電極電壓。

3.2實驗分析

為了驗證電路系統(tǒng)的正確性，搭建了IGBT實驗平臺（見圖10），進行雙脈沖實驗與短路實驗（見圖11、圖12），圖10中，母線電壓1 200 V，負載L為60 μH感性負載，驅(qū)動信號為雙脈沖信號。

圖10　IGBT測試平臺原理圖Fig.10　Schematic of IGBT test platform

從圖11a看出IGBT可靠開通關(guān)斷，驅(qū)動電路正常工作。實驗雙脈沖頻率為25 kHz，超出了預(yù)設(shè)的頻率范圍，觸發(fā)過頻保護，如圖11b所示。Vge和Vce信號很好地被記錄下來，而由于實驗過程短暫，溫度一直維持在室溫狀態(tài)。電源電壓沒有出現(xiàn)過大波動呈+15 V。

圖11　雙脈沖實驗Fig.11　Double pulse experiment

將雙脈沖平臺上管IGBT用1個粗短的銅排短接，并用了1個寬度為10 μs的脈沖進行短路實驗。Vce=1 200 V。從圖12a中可看出，從IGBT開始導(dǎo)通到檢測到短路信號用時不到2 μs（一般短路保護需要8～10 μs），保護電路快速將IGBT關(guān)斷，很好地起到了保護作用。圖12b為此次“故障”的上位機界面，采集存儲電路很好地記錄下了實驗的整個過程。

不同母線電壓下的阻斷與飽和電壓值對比如表1所示。

表1　不同母線電壓下的阻斷與飽和電壓值對比Tab.1　Contrast of blocking and saturation voltage value at different bus voltage

由表1可以看出，在相同的實驗條件下，隨著母線電壓的升高，飽和壓降也逐漸增加。在相同母線電壓下，阻斷電壓的理論值、仿真值、實測值相差約5 V。飽和壓降的理論值、仿真值、實測值相差約10 mV。

圖12　短路試驗Fig.12　Short-circuit test

4　結(jié)論

本文提出了一種新穎的IGBT數(shù)字化驅(qū)動保護與故障數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，利用數(shù)字芯片F(xiàn)PGA對驅(qū)動信號、保護電路的保護動作以及故障數(shù)據(jù)存儲進行相應(yīng)的軟件設(shè)計，相對于分立器件，數(shù)字芯片對信號的處理大大提高了電路的集成度和運行的可靠性，通過實驗驗證了設(shè)計的正確性。

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Digital IGBT Intelligent Drive and Failt Monitoring Storage System Design

WEN Yang1，2，YANG Yuan1，GAO Yong1，2
（1.College of Automation，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；
2.College of Electronics&Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

A novel digital intelligent drive and failure data storage system monitoring of IGBT was described. Considering various failures of IGBT，corresponding drive protection and fault measuring memory circuit was designed for IGBT protection and data monitoring of storage in real-time，and used simulation and experiment to verify the correctness and effectiveness of the design circuits.The life，safety and reliability of IGBT operating in a complex environment，as well as associated maintenance has a very important role.

IGBT intelligent drive；over-current protection；fault monitoring storage；data measurement

TM502

A

2015-06-24

修改稿日期：2016-01-20

國家自然科學基金項目（51477138）；陜西省教育廳服務(wù)地方專項計劃項目（15JF026）；

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項目（201406-01）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目（2013KTCQ01-26）；

西安市產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新計劃項目（CXY1501）

文陽（1990-）男，博士研究生，Email：wyxput@163.com