基于24 V電源測試大功率IGBT模塊的方法與分析

蔡文軒，何 麗，祁海波，李長久，岳 健

(1.承德石油高等專科學校電氣與電子工程系，河北 承德 067000;2.解放軍第266醫院，河北 承德 067000;3.承德技師學院，河北 承德 067000;4.北京金風科技股份有限公司，北京 100176)

變流器是風電機組的核心部件之一，在風力發電系統中占有非常重要的地位。隨著大型風力發電機組的迅猛發展，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、易觸發等方向不斷發展。風力發電機組中的變流器運行工況特殊，功率、頻率、電流和電壓等參數隨風的變化而變化。[1-3］

國內風電變流器中普遍采用的IGBT產品有英飛凌、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備，還需要專用的測試設備，費用較高，危險性較大，要求操作人員需要較高的技術水平。為了規避設備風險減少測試投資，需要設計一種簡單、適用、安全、高效的大功率IGBT模塊驅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(智能功率半導體)封裝)，通過向IGBT發送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計方案及系統框圖

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、發送驅動脈沖、(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IGBT供電、驅動、信號采集、信號保護、耗散電流檢測等功能，IGBT測試儀系統框圖如圖1所示。

2 SKiiP電流和溫度反饋分析

根據SKiiP2403電流反饋說明進行如圖2所示電流采樣電路設計。

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

根據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，根據外部環境溫度特點，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計到60℃是絕對安全可靠的，模擬反饋電壓為4 V。

3 關鍵功能設計及原理

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，驅動脈沖可調，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)，性價比更高等優點。

此IGBT模塊測試儀主要完成如下測試功能:

1)IGBT驅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、下橋臂響應信號功能;5)測試IGBT全橋臂響應信號功能。

3.1 IGBT驅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驅動板中電源部分失效導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，當系統上電時刻，C31抑制了Q2的導通從而使Q1先于Q2導通，當Q1導通后Q5導通，Q5導通后驅動MOS管Q4導通，Q4導通后通過R53抑制了Q2的導通，使24 V電源正常供給IGBT模塊完成正常的上電過程。當24 V電源出現短路時，R53直接將Q2基極拉低，導致Q2導通，從而抑制了Q1的導通，使電路關閉，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

測試系統的故障信號檢測功能是通過比較器進行檢測，當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故障的發生，即故障時刻點亮，IGBT正常D9熄滅。

當IGBT沒有電流流過時，IGBT電流與溫度反饋為正常值，測試系統通過測試此反饋信號進行AD采用，并在軟件中設定比較值，當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到測試系統的地線上，向IGBT上橋臂或下橋臂發出2.5 kHz的PWM信號時，因IGBT需要響應此信號，IGBT驅動板需要向IGBT的門極電容進行充電和放電操作，當IGBT響應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驅動板是否正常，IGBT耗散電流檢測電路如圖6所示。

4 結語

各功能單元電路與控制核心CPU進行功能接口對接，構成一個完整的IGBT模塊驅動測試系統。這種新型IGBT模塊驅動測試儀目前已在國內大型電氣設備生產廠家進行驗證測試，成為IGBT入廠檢測和出廠檢測的環節之一;同時應用在風力發電廠，作為變流器內IGBT故障判斷的手段之一。這種新型IGBT模塊驅動測試方法實現了通過科學的手段將產品質量的驗證結果和測試結果反饋出來，而不是通過人的主觀性去判斷，無論是在企業生產還是操作維護，都具有很好的應用價值和科學嚴謹的指導意義。

[1]陳奇栓，路澤永.基于NRF905溫室無線測控系統的研究[J］.承德石油高等專科學校學報，2014，16(5):33－35.

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