CN104237761B - 绝缘栅双极型晶体管的失效模式检测及保护的系统和方法 - Google Patents

绝缘栅双极型晶体管的失效模式检测及保护的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种包括绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的组件，其中的IGBT连接有栅极驱动器，该栅极驱动器用来接收用来驱动所述IGBT的选通信号，并提供所述IGBT的反馈信号，其中所述反馈信号反应了IGBT的集电极‑发射极电压的变化。所述组件还包括失效模式检测单元，用来基于所述选通信号和反馈信号的时间顺序来判断所述IGBT是否发生故障，并区分包括这些类型的故障：栅极驱动器故障、开通失败的故障、短路故障、开通过压故障和关断过压故障。

Description

绝缘栅双极型晶体管的失效模式检测及保护的系统和方法
技术领域
本发明涉及绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）的失效模式检测及保护的系统和方法。
背景技术
IGBT是一种开关晶体管，可在开通状态时让功率流进入，在关断状态时阻断功率流。IGBT是一种固态器件，没有移动部件，其不是通过打开和闭合一个物理连接来实现开关的，而是通过向半导体元件施加一定电压以使其改变极性来达到建立或断开电气连接的功能。在预定的情况下，IGBT普遍用作继路器和变频器中的开关元件，通过开通和关断电子装置来控制和转换电能。
IGBT可单独使用，也可以串联使用。作为一个简便直接的方法，串联操作的IGBT在高压功率转换中被普遍地使用。在串联的多个IGBT中，任何一个IGBT的失效都可能导致整个IGBT串的异常运行，更糟糕的是，还可能导致整个IGBT相桥损坏。比如，串联的多个IGBT中的任何一个失效都可能引发电位不平衡的问题，从而影响整个IGBT串的坚固性和可靠性。因此，有必要提供一种故障检测功能，能在串联的多个IGBT中快速而精确地检测出故障位置和故障类型。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种包括绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的组件，其中的IGBT连接有栅极驱动器，该栅极驱动器用来接收用来驱动所述IGBT的选通信号，并提供所述IGBT的反馈信号，其中所述反馈信号反应了IGBT的集电极-发射极电压的变化。所述组件还包括失效模式检测单元，用来基于所述选通信号和反馈信号的时间顺序来判断所述IGBT是否发生故障，并区分包括这些类型的故障：栅极驱动器故障、开通失败的故障、短路故障、开通过压故障和关断过压故障。
本发明的另一个实施例提供了一种绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的失效模式检测方法。在该方法中，获得用来驱动一个或多个串联的IGBT的选通信号，并获得每一个IGBT的反馈信号，该反馈信号反应了相应IGBT的集电极-发射极电压的变化，然后将每一IGBT的选通信号和反馈信号的时间顺序与一个参考时间顺序相比，来判断该IGBT是否发生了故障，并区分包括这些类型的故障：栅极驱动器故障、开通失败的故障、短路故障、开通过压故障和关断过压故障。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为一个实施例中的一种示例性组件的电路图，该组件包括一个或多个串连的绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT），且每一IGBT连接有一个失效模式检测单元。
图2显示了当IGBT处于正常工作模式时，发送到IGBT的选通信号（gating signal）和响应该选通信号的上升沿作出的反馈信号的时间顺序。
图3显示了在发生栅极驱动器故障时，发送到IGBT的选通信号和响应该选通信号的上升沿作出的反馈信号的时间顺序。
图4显示了在发生开通失败的故障时，发送到IGBT的选通信号和响应该选通信号的上升沿作出的反馈信号的时间顺序。
图5显示了在发生短路故障时，发送到IGBT的选通信号和响应该选通信号的上升沿作出的反馈信号的时间顺序。
图6显示了在发生开通过压故障时，发送到IGBT的选通信号和响应该选通信号的上升沿作出的反馈信号的时间顺序。
图7显示了当IGBT处于正常工作模式时，发送到IGBT的选通信号和响应该选通信号的下降沿作出的反馈信号的时间顺序。
图8显示了在发生关断过压故障时，发送到IGBT的选通信号和响应该选通信号的下降沿作出的反馈信号的时间顺序。
图9显示了一个是实例中的一种IGBT失效模式检测方法的流程图。
具体实施方式
为了确保平均故障间隔时间（mean time between failures，MTBF），对中压传动系统（medium voltage drive system）进行失效模式的监测和保护具有很重要的作用。由于中压传动系统通常会包括一个或多个绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolartransistor，IGBT），因此，为其中的一个或多个IGBT提供失效模式检测和保护单元/方法，以便快速准确地确定故障位置和故障类型也变得很重要。
本发明的实施例提供了一种包括一个或多个串联的IGBT的组件，其中，每一个IGBT连接有一个栅极驱动器，用来接收选通信号以驱动IGBT，并提供该IGBT的反馈信号，另外，每一个IGBT还配置有失效模式检测单元。经过程序编制，所述失效模式检测单元可基于所述选通信号和反馈信号的时间顺序来判断对应的IGBT是否发生故障并判断发生的故障的类型。所述失效模式检测单元能够区分可能发生于一个或多个串联的IGBT上的各种常见故障类型，包括栅极驱动器的故障、开通失败的故障、短路故障、开通过压故障和关断过压故障。
除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。
图1显示了一个组件的框图，该组件包括N个（N为自然数且N≥1）串联的IGBT，且每一IGBT配备有一个用来监测IGBT故障及故障类型的失效模式检测单元。如图1所示，每一IGBT包括栅极（G）、发射极（E）和集电极（C），其中栅极上连接有栅极驱动器102。每一IGBT的栅极驱动器102上连接有或结合有一个失效模式检测单元104。所述一个或多个失效模式检测单元104可以整合于一个用来控制整个所述组件的系统控制器，并且（或是）与该系统控制器联通。其中，适合用作所述系统控制器的控制装置包括但不限于：复杂可编程逻辑控制器件（complex programmable logic device，CPID）、可编程门阵列（field-programmablegate array，FPGA）和单片机（single chip microcomputer，SCM）。
选通信号（G1,G2,…,或Gn）被发送到各栅极驱动器102后，栅极驱动器102将选通信号转化成驱动功率，来驱动相应的IGBT快速地开通或关断。表示了各IGBT的集电极-发射极电压对应所述选通信号变化的反馈信号（FB1,FB2,…,或FBn）被输送到相应的失效模式检测单元104。经过程序编制，所述失效模式检测单元可基于所述选通信号和反馈信号的时间顺序来判断对应的IGBT是否发生故障，若发生故障还可判断发生的故障的类型。一旦故障位置和故障类型确定，所述系统控制器106可向发生故障的IGBT的栅极驱动器发出故障清除信号（FC1,FC2,…,或FCn）来处理该故障。
所述失效模式检测单元104经过程序编制，可通过处理其对应的IGBT的选通信号和反馈信号，来判断该IGBT是否发生故障，若发生故障还可进一步判断故障的类型，以下将对此进行详细的说明。
如图2-8所示，对于一个处于正常运作模式的IGBT来说，每次在IGBT的开通和关断瞬间的选通信号上升沿和下降沿出现之后，反馈信号中都会对应出现一个持续一段时间（如900纳秒）的脉冲。然而，一旦IGBT或其栅极驱动器发生故障，其反馈信号就可能会与正常模式下的不同。比如，当IGBT正常开通时，如图2所示，反馈信号会在选通信号的上升沿出现后的一定时间内出现一个持续一段时间的对应脉冲。一旦IGBT发生栅极驱动器的故障，如图3所示，则反馈信号中对应选通信号上升沿的脉冲会推迟出现，或者甚至是不出现。一旦IGBT发生开通失败的故障，如图4所示，所述反馈信号中对应选通信号上升沿的脉冲的持续时间便会延长。一旦IGBT发生短路故障或开通过压故障，如图5和6所示，则反馈信号中会在所述对应选通信号上升沿的正常脉冲之后再出现一个不正常的第二脉冲。当IGBT正常关断时，如图7所示，反馈信号会在选通信号的下降沿出现后的一定时间内出现一个持续一段时间的对应脉冲。一旦IGBT发生关断过压故障，则反馈信号中对应选通信号下降沿的脉冲会推迟出现，并且该脉冲的持续时间将会延长。
在一些实施例中，经过程序编制，所述失效模式检测单元104可将其对应的IGBT的选通信号和反馈信号的时间顺序（实际的时间顺序）与一个在正常模式下工作的IGBT的选通信号和反馈信号的标准时间顺序（参考的时间顺序）进行比较，从而判断相应的IGBT是否发生故障。此外，基于所述实际的时间顺序，还可以确定发生的故障属于哪种类型。
如图2-8所示，在一些具体的实施例中，所述失效模式检测单元104经过程序编制，可将：
（a）选通信号的上升沿和紧随其后的第一反馈信号脉冲的上升沿之间的时间间隔t1，与最大的开通确认等待时间（maximum turn-on ack-wait time）T1相比；
（b）所述第一反馈信号脉冲的持续时间t2，与最大的开通确认时间（maximumturn-on acktime）T2相比；
（c）所述第一反馈信号脉冲的下降沿和紧随其后的第二反馈信号脉冲的上升沿之间的时间间隔t3，分别与短路消隐时间（short-circuit blanking time）T3-1和过压消隐时间（over-voltage blanking time）T3-2相比；
（d）所述第二反馈信号脉冲的持续时间t4，与最大过压时间T4相比；
（e）选通信号的下降沿和紧随其后的第三反馈信号脉冲的上升沿之间的时间间隔t5，与最大的关断确认等待时间（maximum turn-off ack-wait time）T5相比；以及
（f）所述第三反馈信号脉冲的持续时间t6，与最大的关断确认时间（maximumturn-off acktime）T6相比，
从而确定相应的IGBT是否发生故障，并区分故障类型，包括栅极驱动器故障、开通失败的故障、短路故障、开通过压故障和关断过压故障。
在一个具体的实施例中，所述最大的开通确认等待时间T1约为160纳秒，所述与最大的开通确认时间T2约为800纳秒，所述短路消隐时间T3-1约为6微秒（6000纳秒），所述过压消隐时间T3-2约为500纳秒，所述最大过压时间T4约为800纳秒，所述最大的关断确认等待时间T5约为550纳秒，所述最大的关断确认时间T6约为1微秒（1000纳秒）。
在一些实施例中，所述失效模式检测单元104经过程序编制，可进行以下判断：
若t1>T1，则判断发生了栅极驱动故障；
若t1≤T1或t2>T2，则判断IGBT发生了开通失败的故障；
若t1≤T1，t2≤T2且T3-2≤t3≤T3-1，则判断IGBT发生了短路故障；
若t1≤T1，t2≤T2,t3≤T3-2且t4≥T4，则判断IGBT发生了开通过压故障；
若t5>T5且t6>T6，则判断IGBT发生了关断过压故障。
一旦一个或多个IGBT通过其对应的失效模式检测单元检测单元到发生了前述故障，将发回一个报错信号到系统控制器106，报告故障位置和故障类型。所述系统控制器106可根据所报告的故障类型发出一个对应的故障清除信号（FC1,FC2,…,或FCn）来处理该故障。所述故障清除信号可以是一个可关断所述发送到一个或多个IGBT的选通信号的指令，或是一个将发生故障的IGBT与其栅极驱动器断开从而使其与组件的其他部分隔离的指令，或者甚至是一个忽略所述故障的指令。所述系统控制器106可根据不同的故障类型作出不同的反应，从而发出不应不同故障类型的故障清除信号。
在一些实施例中，通过串联M个（M为自然数且1≤M≤N）余量IGBT到所述串联了N个IGBT的组件中，通过上述失效模式检测单元检测方法，可实现具有N+M余量的运行方式，来增加组件的实用性。比如，在一个实施例中，可在包括N个串联的IGBT的组件中多串联一个IGBT，使其实际具有N+1个串联的IGBT，一旦组件中的某一个IGBT发生了故障，可仅将发生故障的那个IGBT忽略或将其阻隔，而不将整个IGBT串的选通信号关断，只有当有第二个IGBT也发生了故障时，才将选通信号关断，这样就从而实现了N+1余量的运行模式。在一个具体的实施例中，可通过打开发生了故障的IGBT和其栅极驱动器之间的开关，使其与组件的其余部分隔离，来实现将发生了故障的IGBT阻隔的目的。因此，在这样的实施例中，当组件中第一个IGBT发生了故障时，系统控制器106发出一个故障清除信号来使所述发生了故障的IGBT断开与其栅极驱动器的连接，从而与隔离组件的其余部分隔离开来，当组件中有第二个IGBT发生故障时，系统控制器106发出一个故障清除信号来关断所述发送到所有IGBT的选通信号。
本发明的另一方面还提供了一种相应的IGBT失效模式检测方法。在该方法中，对于包括一个或多个串联的IGBT的组件，可发送选通信号来驱动所述一个或多个IGBT，并提供每一个IGBT的反馈信号，该反馈信号显示了其集电极-发射极电压对应所述选通信号的变化。通过前文描述的方法，通过IGBT的选通信号和反馈信号的时间顺序与参考的时间顺序的比较，可判断该IGBT是否发生故障，若发生了故障，该故障为哪种类型。
在一个具体的实施例中，如图9所示，在一个IGBT失效模式检测方法200中，在步骤201中，向多个串联的IGBT提供选通信号，开始进行选通；在步骤202中，针对每一个IGBT判断其是否发生栅极驱动器故障、开通失败的故障、短路故障、开通过压故障或关断过压故障；在步骤203中，判断是否有两个或更多的IGBT发生故障；若有两个或更多的IGBT发生故障，则在步骤204中将所述选通信号关断。虽然图9中显示的是余量M=1的例子，但M可以是1或任何其他更大的数量，取决于需要多少的余量。在余量的大于1的情况下，是隔离还是关断取决于是否有多于余量的IGBT发生了故障。
所述失效模式检测单元或方法给多级串联的IGBT提供了一种自诊功能，来确定故障的位置和故障的类型，可以正确地辨认栅极驱动器故障、开通失败的故障、短路故障、开通过压故障或关断过压故障。此外，使用所述失效模式检测单元或方法的组件还可以实现N+M余量的运行模式。因此，本发明所描述的失效模式检测单元或方法不仅可以降低硬件功率测试周期，还可以大大地减小硬件维护的成本。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (12)

1.一种可实现失效模式检测的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)组件，其包括：
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，连接有栅极驱动器，该栅极驱动器用来接收用来驱动所述IGBT的选通信号，并提供所述IGBT的反馈信号，其中所述反馈信号反应了IGBT的集电极-发射极电压的变化；
失效模式检测单元，用来基于所述选通信号和反馈信号的时间顺序来判断所述IGBT是否发生故障，并区分包括这些类型的故障：栅极驱动器故障、开通失败的故障、短路故障、开通过压故障和关断过压故障。
2.如权利要求1所述的组件，进一步包括系统控制器，其经过程序编制，在所述IGBT发生故障时关断所述选通信号或隔离所述IGBT。
3.如权利要求1所述的组件，其中所述IGBT包括一个连接有第一栅极驱动器的第一IGBT，所述失效模式检测单元包括第一失效模式检测单元，且该组件进一步包括：至少一个另外的连接有第二栅极驱动器的第二IGBT和至少一个第二失效模式检测单元，其中所述第一IGBT和所述另外的IGBT是串联的。
4.如权利要求3所述的组件，其中所述第一IGBT和另外的IGBT中包括一定数量的余量IGBT，在每一IGBT及其栅极驱动器之间有开关，该组件进一步包括系统控制器，该系统控制器经过程序编制，可在发生故障的IGBT的数量小于或等于所述余量IGBT的数量时，发出隔离信号，以让发生故障的IGBT与其栅极驱动器的开关断开。
5.如权利要求4所述的组件，其中所述系统控制器过程序编制，还可在发生故障的IGBT的数量大于所述余量IGBT的数量时，关断所述选通信号。
6.如权利要求1-5中任一项所述的组件，其中所述失效模式检测单元经过程序编制，可将：
(a)选通信号的上升沿和紧随其后的第一反馈信号脉冲的上升沿之间的时间间隔t1，与最大的开通确认等待时间T1相比；
(b)所述第一反馈信号脉冲的持续时间t2，与最大的开通确认时间T2相比；
(c)所述第一反馈信号脉冲的下降沿和紧随其后的第二反馈信号脉冲的上升沿之间的时间间隔t3，分别与短路消隐时间T3-1和过压消隐时间T3-2相比；
(d)所述第二反馈信号脉冲的持续时间t4，与最大过压时间T4相比；
(e)选通信号的下降沿和紧随其后的第三反馈信号脉冲的上升沿之间的时间间隔t5，与最大的关断确认等待时间T5相比；以及
(f)所述第三反馈信号脉冲的持续时间t6，与最大的关断确认时间T6相比，
并进行以下判断：
若t1>T1，则判断发生了栅极驱动故障；
若t1≤T1或t2>T2，则判断IGBT发生了开通失败的故障；
若t1≤T1，t2≤T2且T3-2≤t3≤T3-1，则判断IGBT发生了短路故障；
若t1≤T1，t2≤T2,t3≤T3-2且t4≥T4，则判断IGBT发生了开通过压故障；以及
若t5>T5且t6>T6，则判断IGBT发生了关断过压故障。
7.如权利要求6所述的组件，其中所述T1、T2、T3-1、T3-2、T4、T5和T6分别约为160纳秒、800纳秒、6微秒、500纳秒、800纳秒、550纳秒和1微秒。
8.一种绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的失效模式检测方法，其包括：
获得用来驱动一个或多个串联的IGBT的选通信号；
获得每一个IGBT的反馈信号，该反馈信号反应了相应IGBT的集电极-发射极电压的变化；以及
将每一IGBT的选通信号和反馈信号的时间顺序与一个参考时间顺序相比，来判断该IGBT是否发生了故障，并区分包括这些类型的故障：栅极驱动器故障、开通失败的故障、短路故障、开通过压故障和关断过压故障。
9.如权利要求8所述的方法，若所述一个或多个串联的IGBT中包括一定数量的余量IGBT，该方法进一步包括：在发生故障的IGBT的数量小于或等于所述余量IGBT的数量时，发出隔离信号，以让发生故障的IGBT与其栅极驱动器断开连接。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：在发生故障的IGBT的数量大于所述余量IGBT的数量时，关断所述选通信号。
11.如权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述判断IGBT是否发生了故障并区分故障类型的步骤包括：
将：
(a)选通信号的上升沿和紧随其后的第一反馈信号脉冲的上升沿之间的时间间隔t1，与最大的开通确认等待时间T1相比；
(b)所述第一反馈信号脉冲的持续时间t2，与最大的开通确认时间T2相比；
(c)所述第一反馈信号脉冲的下降沿和紧随其后的第二反馈信号脉冲的上升沿之间的时间间隔t3，分别与短路消隐时间T3-1和过压消隐时间T3-2相比；
(d)所述第二反馈信号脉冲的持续时间t4，与最大过压时间T4相比；
(e)选通信号的下降沿和紧随其后的第三反馈信号脉冲的上升沿之间的时间间隔t5，与最大的关断确认等待时间T5相比；以及
(f)所述第三反馈信号脉冲的持续时间t6，与最大的关断确认时间T6相比，
并进行以下判断：
若t1>T1，则判断发生了栅极驱动故障；
若t1≤T1或t2>T2，则判断IGBT发生了开通失败的故障；
若t1≤T1，t2≤T2且T3-2≤t3≤T3-1，则判断IGBT发生了短路故障；
若t1≤T1，t2≤T2,t3≤T3-2且t4≥T4，则判断IGBT发生了开通过压故障；以及
若t5>T5且t6>T6，则判断IGBT发生了关断过压故障。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述T1、T2、T3-1、T3-2、T4、T5和T6分别约为160纳秒、800纳秒、6微秒、500纳秒、800纳秒、550纳秒和1微秒。
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