CN105896948A - 一种具有igbt元件运行寿命预判功能的驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，所述驱动器包括电源输入单元、光纤通讯单元、逻辑控制器、IGBT保护单元和监测控制单元；所述电源输入单元和光纤通讯单元分别与所述监测控制单元双向连接，所述光纤通讯单元、监测控制单元和IGBT保护单元分别和所述逻辑控制器双向连接。本发明的具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，在完成正常IGBT驱动器触发及保护功能的基础上，增加IGBT运行环境温度检测、运行电压及开关频率综合监控，将记录结果实时上传，通过综合分析软件，对IGBT模块运行状态进行分析，实现器件寿命预判。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器。
背景技术
与基于自然换相技术的电流源型换流器的传统直流输电不同，柔性直流输电技术是一种以电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制(PWM技术)为基础的新型直流输电技术，电压源换流器(voltage source converter简称VSC)是柔性直流输电系统的核心装备。这种输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。
柔性直流输电的控制方式和运行方式灵活，传输的有功功率和无功功率可以独立控制，而且适合中小功率的系统运行，目前已有12个柔性直流输电工程在运行。以VSC为换流单元的柔性直流输电所具有的技术经济特点十分适合不同规模的风力、太阳能等可再生能源的并网发电。电压源换流器既能满足不同规模的可再生能源并网发电需求，也能满足整个电网的安全、稳定、经济运行的要求，避免因采用其他输电方式对电网产生的不利影响。
由于柔性直流输电系统输电电压等级逐渐提高，由最初的几十千伏到现今投运最高电压等级±320kV，换流阀子模块应用的可关断器件数量由最初的几百片上升到近万片，则换流阀核心可关断器件IGBT失效特性成为影响柔性直流输电系统可靠性的关键因素。半导体材料的寿命是复杂且影响因素较多的参数，并不存在计算寿命的系统和简单化的方法，多数情况下只能给出合理有效的估测。IGBT模块可靠性问题的根源在于热应力引起的材料机械变形，这是在热-机械过程中，IGBT模块通态损耗和开关损耗引起的器件节温上升，随输出功率的不同，损耗功率也不同，使器件不断经历温度循环。在柔性直流输电领域，由于系统输电功率随负荷不断变化而不断调整，造成IGBT通态损耗不断变化；柔直换流阀特别是采用MMC拓扑结构的换流阀，由于采用电压平衡控制方式，由于换流阀子模块器件一致性差异，针对每台子模块中IGBT模块开关频率调节也是实时变化，故IGBT元件的开关损耗也是不断变化的。总体而言，应用于柔性直流换流领域的IGBT模块的损耗是不断变化的，则器件也是不断的经历温度循环。由于IGBT模块是采用不同材料封装在一起的多层结构，由于膨胀系数的差异，不同材料在经历温度循环过程中的膨胀度不同，使材料受到不同程度的压缩和拉伸应力，进一步破坏模块连接部分，造成IGBT模块失效。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，在完成正常IGBT驱动器触发及保护功能的基础上，增加IGBT运行环境温度检测、运行电压及开关频率综合监控，将记录结果实时上传，通过综合分析软件，对IGBT模块运行状态进行分析，实现器件寿命预判。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，所述驱动器包括电源输入单元、光纤通讯单元、逻辑控制器、IGBT保护单元和监测控制单元；所述电源输入单元和光纤通讯单元分别与所述监测控制单元双向连接，所述光纤通讯单元、监测控制单元和IGBT保护单元分别和所述逻辑控制器双向连接。
所述电源输入单元为逻辑控制器及监测控制单元提供电源，实现15V输入电源隔离以及15V到3.3V电源转换。
所述驱动器通过光纤通讯单元实现与电压源换流器中主控制器的通讯，所述光纤通讯单元将主控制器发出的光信号转换为相应的电信号传输给逻辑控制器，并将逻辑控制器发出的控制保护信号转换为光信号返回给主控制器。
所述逻辑控制器根据主控制器的控制信息发出IGBT驱动信号，同时根据IGBT保护单元返回的反馈信息发出相应IGBT闭锁信号，并将相应信息回传主控制器。
所述IGBT保护单元包括短路检测单元、VCE钳位电路和VGE钳位电路；通过检测集电极和发射极之间的电压VCE以及栅极与发射极之间的电压VGE，实现IGBT元件的短路检测，并将相应故障信息回传逻辑控制器，实现IGBT元件保护功能。
所述逻辑控制器通过门极控制电路实现对IGBT元件的控制。
所述监测控制单元通过对电源输入单元输入的电压、IGBT元件的本体温度、IGBT元件的门极信息以及IGBT元件的集电极信息进行检测，将检测得到的信息回传给逻辑控制器，实现IGBT元件运行寿命预判功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，精确了解IGBT元件运行温度，为IGBT器件使用寿命预判提供关键参数；通过对于IGBT元件运行温度、运行电压、开关频率进行综合预判，为IGBT元件运行寿命预估提供判据。
附图说明
图1是本发明实施例中柔性直流换流阀子模块示意图；
图2是本发明实施例中柔性直流换流阀子模块IGBT驱动器逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
在柔性直流输电领域，采用模块化多电平输电技术，随输电电压等级逐渐提高，由最初的几十千伏到现今投运最高电压等级±320kV，换流阀子模块应用的可关断器件数量由最初的几百片上升到近万片，则换流阀核心可关断器件IGBT失效特性成为影响柔性直流输电系统可靠性的关键因素。研发可以协助实现IGBT元件寿命预判功能的IGBT驱动器，以提高柔性直流输电系统换流阀整体运行可靠性。
本发明通过针对每块可关断电力电子器件IGBT的驱动器进行优化设计，完成对于IGBT模块运行环境温度、VCE电压、开关频率的监控，实现对于IGBT模块运行节温的预估，完成对于IGBT模块运行寿命进行预判。在柔直换流站定期维护过程中根据IGBT运行寿命预判结果更换相应有隐患的模块，以达到整体提高柔性直流换流阀运行可靠性的目的。
本发明完成了IGBT元件运行环境温度的测量，IGBT元件运行电压的监控，以及IGBT元件开关频率的监控。
(1)IGBT元件运行环境温度的测量；
对于模块化多电平柔直直流输电系统换流阀子模块IGBT运行温度的测量方案，采用测量IGBT驱动板环境温度的方法解决。由于模块化多电平柔性直流输电系统换流阀子模块结构的紧密性，IGBT模块及其驱动器的空间间距极小，可以将IGBT驱动运行的环境温度等同于IGBT模块的运行温度。通过监测IGBT驱动器本体运行环境温度折算出IGBT模块运行环境温度。
(2)IGBT元件运行电压的监控；
对于模块化多电平柔性直流换流阀子模块IGBT元件运行电压监控，分为两种情况分别实施。根据IGBT驱动器门极触发电压情况对IGBT模块VCE电压进行监控。当IGBT驱动器门极触发电压大于14V时(正常IGBT开通门极触发电压为15V)，认为VCE＝ICRCE，将计算判定的VCE电压回传给子模块控制器，用于IGBT元件整体损耗分析；当IGBT驱动器门极触发电压为负值室，通过IGBT驱动板的上的分压回路，将VCE电压分压后传入比较器，通过多级比较器处理，将电压信号传输给子模块控制器，用于IGBT元件整体损耗分析。
IGBT元件运行电压监控是本发明重点解决的技术之一。
(3)IGBT开关频率的监控；
IGBT驱动器核心控制器采用智能混合信号FPGA实现，在内部设计专用软件模块监视并控制IGBT模块开通关断情况。Control_Protect模块将IGBT开关命令信号输入到IGBT_TRIG触发脉冲模块，并最小脉宽限制处理后输出到FPGA芯片引脚，并进一步通过IGBT驱动回路输出给IGBT门极。Control_Protect模块在输出IGBT触发命令后将触发信息存入相应标志位并计数，并以1秒的时间窗口不断巡检计数位的变化值，同时以100us为周期将相应的IGBT开通关断次数回报给多电平柔性直流换流阀子模块主控制器，以用于IGBT开关频率检测。
图1是柔性直流换流阀子模块示意图，其中C为储能电容器，R为均压电阻，S1S2为IGBT模块，GDU为IGBT驱动模块，PW为子模块核心控制器，K为旁路开关，T为保护晶闸管。
如图2，采用IGBT驱动板本体核心控制芯片自带的测温功能，实现对于环境温度的监测功能。采用Actel公司SmartFusion A2F200芯片，其芯片内置温敏二极管，此二极管的通态电流和其环境温度成线性关系，通过监测其串联回路电阻电压值，达到对环境温度的监测目的。其测量精度可以达到2℃，将温度信号实时上传给控制芯片进行信息综合处理。
通过实时监测IGBT元件运行电压VCE达到对元件运行状态进行监测。在实际应用过程中，IGBT的VGE电压幅值也影响着饱和导通压降，VGE增加时，饱和导通电压将减小。故在对VCE的监测同时也对VGE进行监控，将VGE、VCE实时测量信息上传给控制芯片进行信息综合处理。
对IGBT元件开关频率进行监控，通过驱动板控制芯片进行IGBT元件开通关断频率统计，以1s的时间窗口，对IGBT开通关断次数进行实时统计，结合IGBT监控数据信息以100us的时间周期，打包上传给控制芯片进行信息综合处理。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，其特征在于：所述驱动器包括电源输入单元、光纤通讯单元、逻辑控制器、IGBT保护单元和监测控制单元；所述电源输入单元和光纤通讯单元分别与所述监测控制单元双向连接，所述光纤通讯单元、监测控制单元和IGBT保护单元分别和所述逻辑控制器双向连接。
2.根据权利要求1所述的具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，其特征在于：所述电源输入单元为逻辑控制器及监测控制单元提供电源，实现15V输入电源隔离以及15V到3.3V电源转换。
3.根据权利要求1所述的具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，其特征在于：所述驱动器通过光纤通讯单元实现与电压源换流器中主控制器的通讯，所述光纤通讯单元将主控制器发出的光信号转换为相应的电信号传输给逻辑控制器，并将逻辑控制器发出的控制保护信号转换为光信号返回给主控制器。
4.根据权利要求1或3所述的具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，其特征在于：所述逻辑控制器根据主控制器的控制信息发出IGBT驱动信号，同时根据IGBT保护单元返回的反馈信息发出相应IGBT闭锁信号，并将相应信息回传主控制器。
5.根据权利要求1所述的具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，其特征在于：所述IGBT保护单元包括短路检测单元、VCE钳位电路和VGE钳位电路；通过检测集电极和发射极之间的电压VCE以及栅极与发射极之间的电压VGE，实现IGBT元件的短路检测，并将相应故障信息回传逻辑控制器，实现IGBT元件保护功能。
6.根据权利要求1、3或5所述的具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，其特征在于：所述逻辑控制器通过门极控制电路实现对IGBT元件的控制。
7.根据权利要求1所述的具有IGBT元件运行寿命预判功能的驱动器，其特征在于：所述监测控制单元通过对电源输入单元输入的电压、IGBT元件的本体温度、IGBT元件的门极信息以及IGBT元件的集电极信息进行检测，将检测得到的信息回传给逻辑控制器，实现IGBT元件运行寿命预判功能。
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