梁寶明，袁起立，江可揚(yáng)，彭　溪（.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；.海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭40）

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集成IGBT驅(qū)動(dòng)器的故障檢測與故障模式識(shí)別

梁寶明1，袁起立2，江可揚(yáng)1，彭溪1
（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭410111）

摘要：現(xiàn)代電力電子變流系統(tǒng)中，IGBT以及集成化的IGBT驅(qū)動(dòng)器得到越來越廣泛的應(yīng)用，本文針對(duì)Concept公司的SCALE系列IGBT驅(qū)動(dòng)器，通過對(duì)該驅(qū)動(dòng)器反饋信號(hào)特性以及與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位關(guān)系等方面的分析，進(jìn)行了故障檢測的電路設(shè)計(jì)。通過CPLD程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了集成IGBT驅(qū)動(dòng)器的故障模式識(shí)別，有效提高了故障檢測的實(shí)時(shí)性，最后通過仿真對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：IGBT驅(qū)動(dòng)器反饋信號(hào)故障檢測故障模式

0　引言

IGBT集合了高頻、高壓、大電流三大技術(shù)優(yōu)勢［3］，在變頻器、開關(guān)電源等電力電子技術(shù)領(lǐng)域中，越來越成為各種主回路的首選功率開關(guān)器件，而IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路一直伴隨IGBT技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在市場上流行著很多種類非常成熟的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路專用產(chǎn)品［4］，成為大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師的首選。瑞士Concept公司是全球領(lǐng)先的IGBT驅(qū)動(dòng)器（中、大功率）的制造商，尤其是SCALE系列的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用非常廣泛，但由于該驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)大多采用單根光纖介質(zhì)進(jìn)行回饋，針對(duì)這種情況，常用的做法是通過檢測反饋信號(hào)的無光電平寬度進(jìn)行故障判斷，沒有將驅(qū)動(dòng)信號(hào)與反饋信號(hào)的相位關(guān)系結(jié)合起來，上級(jí)控制系統(tǒng)雖然能夠檢測到故障，但實(shí)時(shí)性較差［3］，且無法準(zhǔn)確定位故障模式。本設(shè)計(jì)針對(duì)SCALE系列驅(qū)動(dòng)器，通過CPLD對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)的相位關(guān)系進(jìn)行解析，獲得IGBT的故障模式信息，有利于故障分析與定位，提高了工作效率。

1　故障檢測電路架構(gòu)

本設(shè)計(jì)的故障檢測電路主要由信號(hào)接口電路、DSP芯片、CPLD芯片、芯片外圍電路及光纖收發(fā)電路等組成，如圖1所示。

圖1中，DSP完成功率回路特征信號(hào)采集、控制算法和PWM生成的功能。CPLD芯片完成反饋信號(hào)檢測、故障中斷產(chǎn)生和故障信息鎖存及驅(qū)動(dòng)信號(hào)封鎖等功能。

2　CPLD程序設(shè)計(jì)

CPLD程序設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，CPLD程序包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)閉鎖模塊、多個(gè)故障檢測模塊及總線接口與數(shù)據(jù)緩沖模塊。當(dāng)系統(tǒng)工作正常時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)閉鎖模塊將來自DSP的驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳至光纖收發(fā)器，當(dāng)檢測到故障信號(hào)ERR_all為低電平時(shí)，立即封鎖驅(qū)動(dòng)輸出，保證功率器件的安全。總線接口與數(shù)據(jù)緩沖模塊主要將DSP發(fā)出通道檢測使能設(shè)置解析后傳至各個(gè)故障檢測模塊，同時(shí)將來自故障檢測模塊的故障信息鎖存，等待DSP的訪問。

圖1　故障檢測電路架構(gòu)

故障檢測模塊是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，該模塊通過對(duì)反饋信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位關(guān)系的分析，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的故障檢測和故障模式識(shí)別。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，該模塊輸出故障信號(hào)ERRx（x=1～n），經(jīng)邏輯門后送至驅(qū)動(dòng)信號(hào)閉鎖模塊用于封鎖所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)將故障模式信息傳至總線接口與數(shù)據(jù)緩沖模塊。

圖2　CPLD程序設(shè)計(jì)框圖

圖3為SCALE系列IGBT驅(qū)動(dòng)器反饋信號(hào)的特性，驅(qū)動(dòng)器反饋的故障模式有短路故障、門極監(jiān)控故障和驅(qū)動(dòng)電源欠壓故障三種。由圖3可以看出，正常情況下，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿或下降沿到來后約250 ns，驅(qū)動(dòng)器會(huì)輸出寬度約700 ns的無光信號(hào)，而其他時(shí)刻一直輸出有光信號(hào)；當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)輸出一個(gè)寬度大于1.5 μs的無光信號(hào)；當(dāng)發(fā)生門極監(jiān)控故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)輸出一個(gè)寬度約1 μs左右的無光信號(hào)；當(dāng)發(fā)生驅(qū)動(dòng)電源欠壓故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)在欠壓的時(shí)間段發(fā)出響應(yīng)寬度的無光信號(hào)。

圖3　驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)與反饋相位關(guān)系

根據(jù)圖3，本設(shè)計(jì)CPLD程序中的故障檢測模塊采用逐步排除的方式進(jìn)行檢測，其故障檢測及故障模式識(shí)別的流程圖如圖4所示。

根據(jù)上述流程圖，故障模式與故障信息寄存器ERRINFO的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1　故障模式與故障信息對(duì)應(yīng)表

圖4中，T1為線路延時(shí)、驅(qū)動(dòng)器自身延時(shí)、及驅(qū)動(dòng)器反饋信號(hào)無光寬度之和，線路延時(shí)根據(jù)具體的傳輸介質(zhì)和中間電路參數(shù)而定，本設(shè)計(jì)中線路延時(shí)約為60 ns，驅(qū)動(dòng)器自身延時(shí)約250 ns，正常情況下無光寬為700 ns，考慮裕量后，本設(shè)計(jì)中取T1=1.1 μs。T2為驅(qū)動(dòng)器反饋信號(hào)的無光持續(xù)時(shí)間，根據(jù)圖3和本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電源掉電特性，并考慮到時(shí)序誤差后，取Ta=15 μs，Tb=1.5 μs，Tc=900 ns。

圖 4 故障檢測與識(shí)別流程圖

3　仿真

通過Quartus II設(shè)計(jì)工具對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真和分析，如圖5和圖6。

圖5中，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿后T1時(shí)間之外，反饋信號(hào)出現(xiàn)10 μs無光狀態(tài)，因而圖輸出的故障信號(hào)ERR立即變?yōu)榱说碗娖?，且故障信息寄存器ERRINFO的值變?yōu)榱?011，表示當(dāng)前故障為短路故障。

圖5　故障檢測與識(shí)別仿真波形1

圖6中，反饋信號(hào)的無光狀態(tài)在驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿后T1時(shí)間內(nèi)到達(dá)，但T1時(shí)間后，反饋信號(hào)仍為無光狀態(tài)，因而CPLD輸出的故障信號(hào)ERR立即變?yōu)榈碗娖剑性捶答佇盘?hào)的無光寬度T2大于Ta（15 μs），故障信息寄存器ERRINFO的值變?yōu)榱?101，表示當(dāng)前故障為驅(qū)動(dòng)電源欠壓故障。

圖6　故障檢測與識(shí)別仿真波形

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的故障檢測和故障模式識(shí)別的電路，解決了在應(yīng)用SCALE系列的IGBT驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，故障檢測實(shí)時(shí)性較差且無法準(zhǔn)確定位故障模式的問題。通過對(duì)本設(shè)計(jì)的仿真，證明該設(shè)計(jì)能夠?qū)GBT驅(qū)動(dòng)模塊的故障類型進(jìn)行有效地識(shí)別，本設(shè)計(jì)的方法在工程中已得到實(shí)際應(yīng)用，可廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速等領(lǐng)域IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的故障檢測中。

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Fault Detection and Mode Identification of Integrated IGBT Driver

Liang Baoming1，Yuan Qili2，Jiang Keyang1，Peng Xi1
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China； 2.Naval Representatives Office in Hunan，Xiangtan 411101，Hunan，China）

Abstract：The IGBT and integrated driver are widely used in power electronics converter system.Aimed at IGBT integrated drivers of SCALE series，this paper gives a fault detection circuit through analyzing the character of feedback signal and the relationship to drive signal.The paper realizes identification of fault mode through programming of CPLD，and improves the real-timing of fault detection.The design is verified through simulation.

Keywords：IGBT Driver； feedback signal； fault detection； fault mode

中圖分類號(hào)：TM571TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）06-0015-03

收稿日期：2015-12-23

作者簡介：梁寶明（1979-），男，高級(jí)工程師。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。