集成IGBT驅動器的故障檢測與故障模式識別

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

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集成IGBT驅動器的故障檢測與故障模式識別

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

摘要：現代電力電子變流系統中，IGBT以及集成化的IGBT驅動器得到越來越廣泛的應用，本文針對Concept公司的SCALE系列IGBT驅動器，通過對該驅動器反饋信號特性以及與驅動信號的相位關系等方面的分析，進行了故障檢測的電路設計。通過CPLD程序設計，實現了集成IGBT驅動器的故障模式識別，有效提高了故障檢測的實時性，最后通過仿真對本設計進行了驗證。

關鍵詞：IGBT驅動器反饋信號故障檢測故障模式

0　引言

IGBT集合了高頻、高壓、大電流三大技術優勢［3］，在變頻器、開關電源等電力電子技術領域中，越來越成為各種主回路的首選功率開關器件，而IGBT驅動保護電路一直伴隨IGBT技術的發展而發展，現在市場上流行著很多種類非常成熟的IGBT驅動保護電路專用產品［4］，成為大多數設計工程師的首選。瑞士Concept公司是全球領先的IGBT驅動器（中、大功率）的制造商，尤其是SCALE系列的驅動器應用非常廣泛，但由于該驅動器的工作狀態大多采用單根光纖介質進行回饋，針對這種情況，常用的做法是通過檢測反饋信號的無光電平寬度進行故障判斷，沒有將驅動信號與反饋信號的相位關系結合起來，上級控制系統雖然能夠檢測到故障，但實時性較差［3］，且無法準確定位故障模式。本設計針對SCALE系列驅動器，通過CPLD對驅動信號和反饋信號的相位關系進行解析，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

本設計的故障檢測電路主要由信號接口電路、DSP芯片、CPLD芯片、芯片外圍電路及光纖收發電路等組成，如圖1所示。

圖1中，DSP完成功率回路特征信號采集、控制算法和PWM生成的功能。CPLD芯片完成反饋信號檢測、故障中斷產生和故障信息鎖存及驅動信號封鎖等功能。

2　CPLD程序設計

CPLD程序設計框圖如圖2所示，CPLD程序包括驅動信號閉鎖模塊、多個故障檢測模塊及總線接口與數據緩沖模塊。當系統工作正常時，驅動信號閉鎖模塊將來自DSP的驅動信號傳至光纖收發器，當檢測到故障信號ERR_all為低電平時，立即封鎖驅動輸出，保證功率器件的安全。總線接口與數據緩沖模塊主要將DSP發出通道檢測使能設置解析后傳至各個故障檢測模塊，同時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

故障檢測模塊是本文設計的重點，該模塊通過對反饋信號與驅動信號的相位關系的分析，實現驅動器的故障檢測和故障模式識別。當發生故障時，該模塊輸出故障信號ERRx（x=1～n），經邏輯門后送至驅動信號閉鎖模塊用于封鎖所有驅動信號，同時將故障模式信息傳至總線接口與數據緩沖模塊。

圖2　CPLD程序設計框圖

圖3為SCALE系列IGBT驅動器反饋信號的特性，驅動器反饋的故障模式有短路故障、門極監控故障和驅動電源欠壓故障三種。由圖3可以看出，正常情況下，在驅動信號的上升沿或下降沿到來后約250 ns，驅動器會輸出寬度約700 ns的無光信號，而其他時刻一直輸出有光信號；當發生短路時，驅動器會輸出一個寬度大于1.5 μs的無光信號；當發生門極監控故障時，驅動器會輸出一個寬度約1 μs左右的無光信號；當發生驅動電源欠壓故障時，驅動器會在欠壓的時間段發出響應寬度的無光信號。

圖3　驅動器驅動與反饋相位關系

根據圖3，本設計CPLD程序中的故障檢測模塊采用逐步排除的方式進行檢測，其故障檢測及故障模式識別的流程圖如圖4所示。

根據上述流程圖，故障模式與故障信息寄存器ERRINFO的對應關系見表1。

表1　故障模式與故障信息對應表

圖4中，T1為線路延時、驅動器自身延時、及驅動器反饋信號無光寬度之和，線路延時根據具體的傳輸介質和中間電路參數而定，本設計中線路延時約為60 ns，驅動器自身延時約250 ns，正常情況下無光寬為700 ns，考慮裕量后，本設計中取T1=1.1 μs。T2為驅動器反饋信號的無光持續時間，根據圖3和本設計中驅動電源掉電特性，并考慮到時序誤差后，取Ta=15 μs，Tb=1.5 μs，Tc=900 ns。

圖 4 故障檢測與識別流程圖

3　仿真

通過Quartus II設計工具對本設計進行了仿真和分析，如圖5和圖6。

圖5中，在驅動信號上升沿后T1時間之外，反饋信號出現10 μs無光狀態，因而圖輸出的故障信號ERR立即變為了低電平，且故障信息寄存器ERRINFO的值變為了1011，表示當前故障為短路故障。

圖5　故障檢測與識別仿真波形1

圖6中，反饋信號的無光狀態在驅動信號上升沿后T1時間內到達，但T1時間后，反饋信號仍為無光狀態，因而CPLD輸出的故障信號ERR立即變為低電平，有源反饋信號的無光寬度T2大于Ta（15 μs），故障信息寄存器ERRINFO的值變為了1101，表示當前故障為驅動電源欠壓故障。

圖6　故障檢測與識別仿真波形

4　結論

本文設計了一種IGBT驅動模塊的故障檢測和故障模式識別的電路，解決了在應用SCALE系列的IGBT驅動器進行工程設計時，故障檢測實時性較差且無法準確定位故障模式的問題。通過對本設計的仿真，證明該設計能夠對IGBT驅動模塊的故障類型進行有效地識別，本設計的方法在工程中已得到實際應用，可廣泛應用于變頻調速等領域IGBT驅動模塊的故障檢測中。

參考文獻：

［1］魯欣等.數字電路設計方案的比較與選擇.電子技術應用，2002，1：6-8

［2］雷鳴，程善美，于孟春，等.基于變門極電阻的IGBT軟關斷實現［J］.電力電子技術，2012，46（12）：46-48.

［3］Laurent Dulau，Serge Pontarollo，Anthony Boimond.A New Gate Driver Integrated Circuit for IGBT Devices With Advanced Protections［J］.IEEE Transactions On Power Electronics，2006，21（1）：38-44.

［4］田亞松，甘正華，孫燁，等.一種新型IGBT驅動及保護電的研究［J］.電焊機，2007，37（7）：61-63.

［5］劉志星，劉憾宇，李明，等.用于風力發電系統的大功率IGBT短路保護的研究［J］.變頻器世界，2010，（2）：43-45.

［6］Dan Deng.FPGA implementation of PWM pattern generators.Electrical and Computer Engineering，2001 Canadian Conference on，Vol.2，2001：1279-1284.

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：TM571TP274

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0015-03

收稿日期：2015-12-23

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