CN108957278B - 基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于门极电荷Q g 的大功率IGBT故障诊断及保护方法，该方法包括，采集IGBT的门极电流信号;将采集到的IGBT门极电流信号进行积分和复位运算，得到IGBT在不同开关区间的门极电荷模拟信号Q g ；将得到的门极电荷模拟信号Q g 转换为数字信号；将采集到的IGBT的不同开关区间的门极电荷进行实时监测，与正常开关状态下相应开关区间的门极电荷进行对比，根据比较结果判断出具体的故障类型，并输出故障类型信息；根据故障类型信息，采取直接关断IGBT，或者将故障信息传递至上位机，由上位机进行IGBT关断处理，从而实现系统的快速保护及安全停机。运用本发明能够实现IGBT上电前自检和在线实时监测，大大降低了IGBT损坏风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种大功率IGBT故障诊断及保护方法，尤其涉及一种基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gated Bipolar Transistor,IGBT)是广泛应用于中到大功率电力电子设备中的一种电压全控型功率半导体器件。它结合了电力晶体管(GTR)与金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的优点，具有开关频率高、驱动电路简单、输入阻抗高、输出阻抗低等优点。
相关研究证明，大约34％的电力电子系统故障是由于功率器件IGBT失效造成的，可见主功率器件的失效是电力电子系统失效的主要原因。因此研究IGBT的保护与故障诊断方法对于大容量电力电子系统的可靠性具有重要的意义。
目前常见的IGBT故障主要包括短路故障和开路故障。其中短路故障时间短，对系统的破坏性大，因此IGBT驱动板上都集成了相关硬件保护。但随着功率半导体技术的发展，IGBT芯片的热容参数逐渐减小，导致其短路耐受能力降低，因此对IGBT短路保护时间提出了更高的要求。
目前关于IGBT开路故障的研究热点基本都是基于软件算法类，此类方法需要占用CPU资源，且诊断时间相对较长，不利于系统的可靠运行。同时，造成IGBT开路故障的原因不同，带来的故障现象和影响有所不同，因此，对于IGBT开路故障既期望以最快的速度进行故障识别，更需要准确定位故障原因。
IGBT故障类型存在多种，现有IGBT驱动技术对于故障类型的诊断仅限于短路故障，然而，事实上IGBT存在多种短路故障类型，如果能进一步区分IGBT的具体故障类型，对于故障分析具有重要意义。并且现有IGBT驱动技术也很少有针对过流保护及开路保护故障类型的诊断，虽然IGBT发生开路故障时，不会导致系统立即崩溃，但会降低系统的性能，如不能及时发现，会引起更大的事故。
因此，综上所述，设计一种能够对IGBT的各种故障类型进行诊断及保护的方法，对于提高电力电子系统的可靠性具有很大意义。
发明内容
本发明提出了以IGBT的门极电荷Qg作为特征参数的IGBT故障保护及诊断方法，旨在快速、准确的实现对IGBT 7类典型的故障诊断及保护。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法，其包括步骤如下：
步骤1：采集IGBT的门极电流信号；
步骤2：将采集到的IGBT门极电流信号进行积分和复位运算，得到IGBT在不同开关区间的门极电荷模拟信号Qg；
步骤3：将得到的门极电荷模拟信号Qg转换为数字信号；
步骤4：将采集到的IGBT的不同开关区间的门极电荷进行实时监测，与正常开关状态下相应开关区间的门极电荷进行对比，根据比较结果判断出具体的故障类型，并输出故障类型信息；
步骤5：根据故障类型信息，采取直接关断IGBT，或者将故障信息传递至上位机，由上位机进行IGBT关断处理。
优选的，所述步骤1中IGBT的门极电流信号的采集最优为IGBT门极采样电阻上的电流信号，电流信号的采集通过差分电路完成。
优选的，所述步骤2中积分和复位运算由可复位的积分电路完成。
优选的，所述积分和复位运算用于得到不同区间的门极电荷模拟信号，定义IGBT单个PWM开关周期门极电流积分区间I、II、III、IV，分别对应开通暂态、开通稳态、关断暂态和关断稳态四个阶段，具体积分和复位运算的过程如下：
(1)当IGBT在t0时刻接收到开通信号后，将积分电路进行复位，复位时间对应t0-t1时间段，复位完成后积分电路开始工作，t1-t2对应IGBT开关过程的第I区间，该区间的积分电路输出对应第I区间的门极电荷模拟信号。
(2)在t2时刻，开通暂态过程完成，需要将积分电路再次进行复位，复位时间对应t2-t3时间段，复位完成后积分电路重新开始工作，t3-t4时间段对应IGBT开关过程的第II区间，该区间的积分电路输出对应第II区间的门极电荷模拟信号。
(3)在t4时刻，IGBT接收到关断信号后，将积分电路进行复位，复位时间对应t4-t5时间段，复位完成后积分电路重新开始工作，t5-t6时间段对应IGBT开关过程的第III区间，该区间的积分电路输出对应第III区间的门极电荷模拟信号。
(4)在t6时刻，关断暂态过程完成，需要将积分电路再次进行复位，复位时间对应t6-t7时间段，复位完成后积分电路重新开始工作，t7-t8时间段对应IGBT开关过程的第IV区间，该区间的积分电路输出对应第IV区间的门极电荷模拟信号。
(5)当IGBT进入下一个开关周期时重复以上过程。
优选的，所述步骤4中根据比较结果判断出具体的故障类型的具体过程如下：
(1)首先复位积分电路，当IGBT接收到开通信号后，在开通暂态即第I积分区间对门极电荷进行监测，当门极电荷为0时，可以确定为门极开路故障。当门极电荷不为0时，根据IGBT故障时的门极电荷大小，可以将开通暂态门极电荷分为两个区间，以Qg,oc作为正常开通门极电荷与过流门极电荷的分界点，以Qg,sc作为短路与过流门极电荷的分界点。因此当门极电荷Qg<Qg,sc时为一类短路故障，当Qg,sc<Qg<Qg,oc时为过流故障，当Qg,oc<Qg<Qg,on时为正常开通；
(2)第I积分区间监测完成后，进入第II积分区间，第II积分区间在上电自检的基础之上，加上了二类短路故障，正常情况下开通稳态门极电荷为0，当监测到门极电荷为负值即Qg<0时，确定为二类短路故障。当监测到门极电荷Qg>0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障；取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征值，以Qg,int作为门极短路和门极漏电的分界点，当ΔQg>Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg<Qg,int时，为门极漏电故障；
(3)第II积分区间监测无故障后，当IGBT接收到关断信号后，复位积分电路；在第III积分区间进行门极电荷监测；当门极电荷不等于正常关断门极电荷Qg,off时，如果门极电荷Qg＝0，为门极开路故障；当门极电荷Qg<0且Qg>-Qg,off时，为局部绑定线脱落故障；
(4)第III积分区间如果门极电荷正常，则复位积分电路，进入第IV积分区间进行门极电荷监测，当监测到门极电荷Qg<0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障；取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征值，以Qg,int作为门极短路和门极漏电的分界点，当门极电荷ΔQg<-Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg>-Qg,int时，为门极漏电故障。
优选的，该方法能够用于对IGBT进行功率回路上电前的自检及在线实时监测。
优选的，所述IGBT进行功率回路上电前自检及在线实时监测步骤如下：
步骤(a):功率回路上电之前，对驱动电路的各项参数进行初始化；
步骤(b):初始化完成以后，运用基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法对IGBT进行自检；
步骤(c):自检完成后，如果出现异常，记录并输出当前故障信息；
步骤(d)：根据输出故障信息，进行故障检查；
步骤(e):自检通过后允许功率回路上电，变流装置开始运行IGBT已经正常工作，开始运用基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法对IGBT进行在线监测；
步骤(f):实时在线监测时如出现异常，立即进行停机处理，记录并输出当前故障信息；
步骤(g):根据输出故障信息，进行故障检查。
本发明还提供了一种基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护装置，包括：
PWM输入模块，其与FPGA/CPLD逻辑处理模块相连，用于接收电力电子装置主控制器的IGBT触发信号传送给FPGA/CPLD逻辑处理模块；
故障输出模块，其与FPGA/CPLD逻辑处理模块相连，用于将FPGA/CPLD逻辑处理模块监测到的IGBT故障信息发送至主控制器；
推挽电路，其与FPGA/CPLD逻辑处理模块相连，用于完成IGBT的正常开关处理；
电流采集电路，其一端与推挽电路相连，另一端通过门极电流采样电阻Rg,shunt与推挽电路相连，用于将采集到的IGBT门极电流信号传递给积分电路；
积分电路，其一端与电流采集电路相连，另一端与高速AD采集模块相连，用于将门极电流信号进行积分和复位运算，得不同开关区间的门极电荷Qg模拟信号；
高速AD采集模块，其一端与积分电路电路相连，另一端与FPGA/CPLD逻辑处理模块相连，用于将门极电荷模拟信号转换为数字信号传送至FPGA/CPLD逻辑处理模块；以及
FPGA/CPLD逻辑处理模块，用于将主控制器发送来的PWM信号经过推挽电路触发IGBT，同时给出控制积分电路的复位信号，并将采集到的IGBT的不同开关区间的门极电荷，与正常开关状态下相应开关区间的门极电荷进行对比，根据比较结果判断出具体的故障类型，并输出故障类型信息。
优选的，所述积分电路为可复位的积分电路。
优选的，所述可复位的积分电路由放大器OP2、积分电阻Rint、积分电容Cint以及复位开关S1组成；其中,电阻Rint的一侧连接放大器OP2的输出端，另一侧连接放大器OP2的负输入端；积分电容Cint与Rint并联，Cint的两端子分别连接Rint的两端，复位开关S1与Cint并联；放大器OP2的负输入端连接OP1的输出端；放大器OP2的正输入端接地；放大器OP2的输出端电压信号为VQg，代表门极电荷信号。
优选的，所述复位开关S1开关采用的是电子开关，且具备双向电流控制作用。
优选的，所述电流采集电路采用差分电路。
优选的，所述差分电路由放大器OP1以及电阻Rdiff1、电阻Rdiff2、电阻Rdiff3和电阻Rdiff4组成；其中，电阻Rdiff1的一侧连接放大器OP1的输出端，另一侧连接放大器OP1的负输入端；电阻Rdiff2的一侧连接放大器OP1的负输入端，另一侧连接门极采样电阻Rg,shunt的电流输入端；电阻Rdiff3的一侧连接放大器OP1的正输入端，另一侧连接门极采样电阻Rg,shunt的电流输出端；电阻Rdiff4的一侧连接放大器OP1的正输入端，另一侧接地。
从上述技术方案可以看出，本发明相比较现有技术，有如下有益效果：
1)本发明通过在IGBT的不同区间进行门极电荷采集，能够有效实现IGBT的保护及故障诊断，同时能够准确定位IGBT一般过流故障、一类短路故障、二类短路故障、门极开路、门极漏电故障、门极击穿故障、IGBT绑定线脱落7种典型的故障，便于故障分析；
2)通过复位运算有效的避免了开关暂态门极电流积分对稳态时的影响，也保大大降低了积分运算时零漂对开关暂态测量结果的影响；
3)由于本发明通过采用可编程逻辑器件FPGA或CPLD，以及高速电流采集以及积分电路，能够在尽短的时间内检查出故障，实施相应保护方案；
4)运用本发明能够实现IGBT上电前自检和在线实时监测，大大降低了IGBT损坏风险。
附图说明
图1是基于门极电荷Qg的IGBT故障在线诊断及保护方法流程图；
图2是IGBT门极电流积分区间；
图3是单开关周期门极电荷监测流程图；
图4是基于门极电荷Qg的IGBT故障在线诊断及保护装置结构图；
图5是本发明实施例提供的一种基于门极电荷Qg的IGBT故障在线诊断及保护装置的具体电路结构图；
图6是IGBT故障诊断流程图；
图7是IGBT上电前自检流程图；
图8是稳态时门极短路和门极漏电故障波形图；其中，图8a是关断稳态门极短路，图8b是关断稳态门极漏电，图8c是开通稳态门极短路，图8d是开通稳态门极漏电；
图9是门极开路故障波形图；
图10是绑定线脱落故障波形图；
图11是IGBT在线故障诊断流程图
图12是IGBT开通门极电荷随Ic变化趋势。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明内容，下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于门极电荷Qg的IGBT故障在线诊断及保护方法，其具体方法步骤如图1所示。该方法包括如下步骤：
步骤1：采集IGBT的门极电流信号；
步骤2：将采集到的IGBT门极电流信号进行积分和复位运算，得到IGBT在不同开关区间的门极电荷模拟信号Qg；
步骤3：将得到的门极电荷模拟信号Qg转换为数字信号；
步骤4：将采集到的IGBT的不同开关区间的门极电荷进行实时监测，与正常开关状态下相应开关区间的门极电荷进行对比，根据比较结果判断出具体的故障类型，并输出故障类型信息；
步骤5：根据故障类型信息，采取直接关断IGBT，或者将故障信息传递至上位机，由上位机进行IGBT关断处理，从而实现系统的快速保护及安全停机。
IGBT的门极电流信号的采集最优为IGBT门极采样电阻上的电压信号，电流信号的采集可以通过直接获取门极电流信号、或采集门极电阻上电压信号实现，如门极电流镜像电路、差分采集电路。通过采样门极电阻上的电压信号不会对原有的驱动信号造成影响。
定义IGBT单个PWM开关周期门极电流积分区间I、II、III、IV，分别对应开通暂态、开通稳态、关断暂态和关断稳态四个阶段，如图2所示。
积分和复位运算通过由可复位的积分电路完成来完成，下面以积分电路为例，详细的对门极电流进行积分和复位运算的流程进行说明，具体流程如图3所示。当IGBT在t0时刻接收到开通信号后，首先将积分电路进行复位，复位时间对应t0-t1时间段。复位完成后积分电路重新开始工作，t1-t2对应IGBT开关过程的第I区间，该区间的积分电路输出对应第I区间的门极电荷模拟信号。在t2时刻，开通暂态过程完成，该时刻的积分电路输出值即为开通暂态门极电荷Qg,on。t2时刻以后门极电流基本为0，但是积分电路具有保持功能，为了采集开通稳态时刻的门极电荷，需要再次将积分电路进行复位，复位时间对应t2-t3时间段。t3-t4时间段对应IGBT开关过程的第II区间，该区间的积分电路输出对应第II区间的门极电荷模拟信号。当IGBT在t4时刻接收到关断信号后，同理，需要将积分电路进行复位，复位时间对应t4-t5时间段。复位完成后积分电路重新开始工作，t5-t6时间段对应IGBT开关过程的第III区间，该区间的积分电路输出对应第III区间的门极电荷模拟信号。在t6时刻，关断暂态过程完成，该时刻的积分电路输出值即为关断暂态门极电荷Qg,off。t6时刻以后门极电流基本为0，但是积分电路具有保持功能，为了采集关断稳态时刻的门极电荷，需要再次将积分电路进行复位，复位时间对应t6-t7时间段。复位完成后积分电路重新开始工作，t7-t8时间段对应IGBT开关过程的第IV区间，该区间的积分电路输出对应第IV区间的门极电荷模拟信号。
当IGBT进入下一个开关周期时重复以上过程。为了保证在整个开关周期内都能有效对门极电荷进行监测，希望积分复位的时间越快越好。另外，经过分析总结得出IGBT开关暂态门极充放电时间主要由门极电阻和功率器件的特性决定，导通稳态和关断稳态的积分时间取决于IGBT的开关周期。
监测区间对应IGBT的不同开关区间，单个PWM开关周期可以分为开通暂态、开通稳态、关断暂态和关断稳态4个区间。IGBT发生不同故障时在不同区间的门极电荷变化不同。IGBT正常开通稳态和关断稳态对应的门极电荷均为0，而开通暂态和关断暂态对应的门极电荷依据具体的IGBT确定。在此，定义IGBT正常开通暂态对应的门极电荷为Qg,on，、正常关断暂态对应的门极电荷分别为Qg,off。
通过对IGBT各种故障分析，将不同故障情况下的门极电荷变化情况，以及与之对应的监测区间总结于表1中。
表1 IGBT故障诊断分类
将故障类型主要分为两类：过流短路故障和开路故障。其中过流短路故障进一步分为一般过流故障、一类短路故障以及二类短路故障。开路故障可进一步分为门极开路故障、门极短路故障、门极漏电故障、局部绑定线脱落故障。
将采集到的IGBT的不同开关区间的门极电荷，与表1中对应开关区间下的正常开关状态下IGBT的门极电荷进行对比，判断出具体的故障类型，并输出故障类型信息，根据比较结果判断出具体的故障类型的具体过程如下：
(1)首先复位积分电路，当IGBT接收到开通信号后，在开通暂态即第I积分区间对门极电荷进行监测，当门极电荷为0时，可以确定为门极开路故障。当门极电荷不为0时，根据IGBT故障时的门极电荷大小，可以将开通暂态门极电荷分为两个区间，以Qg,oc作为正常开通门极电荷与过流门极电荷的分界点，以Qg,sc作为短路与过流门极电荷的分界点。因此当门极电荷Qg<Qg,sc时为一类短路故障，当Qg,sc<Qg<Qg,oc时为过流故障，当Qg,oc<Qg<Qg,on时为正常开通；
(2)第I积分区间监测完成后，进入第II积分区间，第II积分区间在上电自检的基础之上，加上了二类短路故障，正常情况下开通稳态门极电荷为0，当监测到门极电荷为负值即Qg<0时，确定为二类短路故障。当监测到门极电荷Qg>0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障；取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征值，以Qg,int作为门极短路和门极漏电的分界点，当ΔQg>Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg<Qg,int时，为门极漏电故障；
(3)第II积分区间监测无故障后，当IGBT接收到关断信号后，复位积分电路；在第III积分区间进行门极电荷监测；当门极电荷不等于正常关断门极电荷Qg,off时，如果门极电荷Qg＝0，为门极开路故障；当门极电荷Qg<0且Qg>-Qg,off时，为局部绑定线脱落故障；
(4)第III积分区间如果门极电荷正常，则复位积分电路，进入第IV积分区间进行门极电荷监测，当监测到门极电荷Qg<0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障；取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征值，以Qg,int作为门极短路和门极漏电的分界点，当门极电荷ΔQg<-Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg>-Qg,int时，为门极漏电故障。
根据故障类型信息，采取直接关断IGBT，或者将故障信息传递至上位机，由上位机进行IGBT关断处理，从而实现系统的快速保护及安全停机。
本发明还提供了一种基于门极电荷Qg的IGBT故障在线诊断及保护装置,如图4所示。该包含PWM输入模块、故障输出模块、FPGA/CPLD逻辑处理模块、推挽电路、门极电流采样电阻Rg,shunt、电流采样电路、积分电路、高速AD采集模块。其中PWM输入模块，负责接收电力电子装置主控制器的IGBT触发信号。故障输出模块将FPGA/CPLD逻辑处理模块监测到的IGBT故障信息发送至主控制器。推完电路用于完成IGBT的正常开关处理；电流采集电路用于将采集到的IGBT门极电流信号传递给积分电路；积分电路用于将门极电流信号进行积分和复位运算，得到门极电荷Qg；高速AD采集电路将积分电路输出的门极电荷模拟信号VQg转换为数字信号传送至FPGA/CPLD逻辑处理模块。高速AD采集电路需具备双极性采集功能，既可以采集正的门极电荷信息也能够采集负的门极电荷信息。FPGA/CPLD逻辑处理模块负责将主控制器发送来的PWM信号经过推挽电路触发IGBT，同时给出控制积分电路的复位控制，并将采集到的IGBT的不同开关区间的门极电荷，与正常开关状态下相应开关区间的门极电荷进行对比，向主控制器发送具体的故障信息，实现IGBT的快速保护以及故障诊断。
图5是本发明实施例提供的一种基于门极电荷Qg的IGBT故障在线诊断及保护装置的具体电路结构图。
该装置中电流采集电路采用差分电路，差分电路的负责采集门极电流信号，差分由高速放大器OP1以及电阻Rdiff1、电阻Rdiff2、电阻Rdiff3和电阻Rdiff4组成。其中，电阻Rdiff1的一侧连接放大器OP1的输出端，另一侧连接放大器OP1的负输入端；电阻Rdiff2的一侧连接放大器OP1的负输入端，另一侧连接门极采样电阻Rg,shunt的电流输入端；电阻Rdiff3的一侧连接放大器OP1的正输入端，另一侧连接门极采样电阻Rg,shunt的电流输出端；电阻Rdiff4的一侧连接放大器OP1的正输入端，另一侧接地；放大器OP1的输出电压信号为VIg，代表门极电流信号。由于IGBT开通暂态和关断暂态门极电流方向相反，因此差分电路需具备双极性处理功能，即差分电路的输出信号为VIg可正，可负。
积分电路为可复位的积分电路，可复位的积分电路由高带宽放大器OP2、积分电阻Rint、积分电容Cint以及复位开关S1组成，其中,电阻Rint的一侧连接放大器OP2的输出端，另一侧连接放大器OP2的负输入端；积分电容Cint与Rint并联，Cint的两端子分别连接Rint的两端，复位开关S1与Cint并联；放大器OP2的负输入端连接OP1的输出端；放大器OP2的正输入端接地；放大器OP2的输出端电压信号为VQg，代表门极电荷信号。积分电路负责将差分电路采集的门极电流信号VIg进行积分运算，得到门极电荷Qg，与之相对应的输出信号为VQg。由于IGBT是电压控制型器件，IGBT的开关过程可以等效为对门极输入电容的充放电过程，因此IGBT只有在开通暂态和关断暂态存在门极电流。稳态情况下门极电流为0，相应的门极电荷也为0。根据IGBT不同故障状态下出现的门极电荷变化情况，将IGBT单个PWM开关周期分为4个门极电流积分区间。分别对应开通暂态门极电荷、开通稳态门极电荷、关断暂态门极电荷以及关断稳态门极电荷。为了避免各个门极电荷采样区间的相互影响，以及电路零漂对积分的影响，在各门极电流积分区间的开始以及结束时刻复位积分电路。为了提高驱动电路的带宽，希望S1开关的速度越快越好，在本实施例中，复位时间为240ns。由于S1采用的是电子开关，因此S1需具备双向电流控制作用，不仅可以实现开通暂态对应的正门极电荷清零，还可以实现关断暂态对应的负门极电荷清零。
门极电流采集电路以及积分电路需要满足IGBT开关暂态高带宽特性，负责会出现严重失真，不利于门极电荷采集，采用门极电荷识别开通过流和短路故障拾，门极电荷的采集区间很重要，选取得当能够降低误报故障的几率。
运用基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法进行IGBT故障诊断及保护的流程，如图6所示。由于，采用IGBT的电力电子变流装置控制回路上电一般要早于功率回路，因此在功率回路上电之前，首先对驱动电路的各项参数进行初始化，初始化完成以后对IGBT进行故障自检。IGBT上电前自检过程可以将IGBT损坏风险大大降低，自检过程主要实现门极开路、门极短路、门极漏电、以及局部绑定线脱落故障监测，详细的自检流程见图7。自检完成后，如果出现异常，记录当前故障，记录并输出当前故障信息。自检通过后可以允许功率回路上电，变流装置开始运行。此时由于IGBT已经正常工作，需要实时在线监测。实时在线监测时如出现异常，立即进行停机处理，记录并输出当前故障信息。在线监测可以实现IGBT 7种故障的保护与诊断，详细的在线实时监测流程见图11。
以下对上电自检过程和在线实时监测进行详细说明具体的保护与故障诊断过程。
上电前自检主要完成IGBT门极开路、门极漏电、门极击穿以及局部绑定线脱落故障监测。详细的上电前自检流程图如图7所示。
由于IGBT在初始状态为关断状态，因此首先在第IV积分区间对门极电荷实时监测，当IGBT处于关断稳态时，当监测到门极电荷Qg<0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障，对应图8(a)和(b)中的VQg信号。由于门极电流大，因此门极短路故障对应的门极电荷信号VQg斜率要大于门极漏电故障。为了更精确的区分门极短路和门极漏电两种故障，取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征参数。假设在Δt时间(t1-t2时间段)内，门极短路故障对应的电荷变化值为QgB，门极漏电故障对应的电荷变化值为QgL。因此可以取QgB和QgL的中间值Qg,int作为分界点，识别两种故障。当ΔQg<-Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg>-Qg,int时，为门极漏电故障。
在第IV积分区间对门极电荷实时监测完成后，复位积分电路，同时对IGBT施加开通信号，在第I积分区间对门极电荷实时监测。定义正常开通暂态对应的门极电荷为Qg,on，当门极电荷为0时，可以确定为门极开路故障，对应图9中的VQg信号，可以看出在IGBT开关暂态对应的t1时刻门极电荷为0。当Qg>0且Qg<Qg,on时为绑定线脱落故障，对应图10中的VQg信号。
在第I积分区间对门极电荷实时监测完成后，复位积分电路，在第II积分区间对门极电荷实时监测，实施方法类与第IV积分区间相同。当监测到门极电荷Qg>0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障；取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征值，以Qg,int作为门极短路和门极漏电的分界点，当ΔQg>Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg<Qg,int时，为门极漏电故障。门极短路故障和门极漏电故障波形对应图8中的(c)和(d)。
在第II积分区间对门极电荷实时监测完成后，复位积分电路，同时对IGBT施加关断信号，在第III积分区间对门极电荷实时监测。当门极电荷Qg＝0时为门极开路故障，当Qg<0且Qg>-Qg,off时为绑定线脱落故障，实施方法与第I积分区间相同。测量结果对应图9和图10中的关断暂态。
图11为IGBT运行过程中的实时在线故障诊断流程图。由于IGBT在运行过程中对门极开路、门极短路、门极漏电、以及局部绑定线脱落故障诊断方法与自检过程相同，因此重点对IGBT的过流和短路故障进行说明。
首先复位积分电路，当IGBT接收到开通信号后，在开通暂态即第I积分区间对门极电荷进行监测，当门极电荷为0时，可以确定为门极开路故障。实验证明随着电流增大，门极电荷在故障监测区间内减小，对应图10所示。当门极电荷不为0时，根据IGBT故障时的门极电荷大小，可以将开通暂态门极电荷分为两个区间，以Qg,oc作为正常开通门极电荷与过流门极电荷的分界点，以Qg,sc作为短路与过流门极电荷的分界点。因此当门极电荷Qg<Qg,sc时为短路故障，当Qg,sc<Qg<Qg,oc时为过流故障，当Qg,oc<Qg<Qg,on时为正常开通。
在开通暂态完成后，进入第II积分区间，第II积分区间在上电自检的基础之上，加上了二类短路故障，正常情况下开通稳态门极电荷为0，当监测到门极电荷为负值即Qg<0时，确定为二类短路故障。当监测到门极电荷Qg>0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障；取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征值，以Qg,int作为门极短路和门极漏电的分界点，当ΔQg>Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg<Qg,int时，为门极漏电故障。门极短路故障和门极漏电故障监测方法与上电自检过程相同。
开通稳态监测无故障后，当IGBT接收到关断信号后，复位积分电路。在第III积分区间，即关断暂态进行门极电荷监测。当门极电荷不等于正常关断门极电荷Qg,off时，如果门极电荷Qg＝0，为门极开路故障。当门极电荷Qg<0且Qg>-Qg,off时，为局部绑定线脱落故障。
关断暂态如果门极电荷正常，则复位积分电路，进入关断稳态进行门极电荷监测。与自检过程相同，当门极电荷ΔQg<-Qg,int时，为门极短路故障，当Qg<0且ΔQg>-Qg,int时，为门极漏电故障。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
Claims (9)
1.一种基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法，其特征在于：包括步骤如下：
步骤1：采集IGBT的门极电流信号；
步骤2：将采集到的IGBT门极电流信号进行积分和复位运算，得到IGBT在不同开关区间的门极电荷模拟信号Qg；
步骤3：将得到的门极电荷模拟信号Qg转换为数字信号；
步骤4：将采集到的IGBT的不同开关区间的门极电荷进行实时监测，与正常开关状态下相应开关区间的门极电荷进行对比，根据比较结果判断出具体的故障类型，并输出故障类型信息；
步骤5：根据故障类型信息，采取直接关断IGBT，或者将故障信息传递至上位机，由上位机进行IGBT关断处理;
定义IGBT单个PWM开关周期门极电流积分区间I、II、III、IV，分别对应开通暂态、开通稳态、关断暂态和关断稳态四个阶段；
所述步骤4中根据比较结果判断出具体的故障类型的具体过程如下：
(1)首先复位积分电路，当IGBT接收到开通信号后，在开通暂态即第I积分区间对门极电荷进行监测，当门极电荷为0时，可以确定为门极开路故障；当门极电荷不为0时，根据IGBT故障时的门极电荷大小，可以将开通暂态门极电荷分为两个区间，以Qg,oc作为正常开通门极电荷与过流门极电荷的分界点，以Qg,sc作为短路与过流门极电荷的分界点；因此当门极电荷Qg<Qg,sc时为一类短路故障，当Qg,sc<Qg<Qg,oc时为过流故障，当Qg,oc<Qg<Qg,on时为正常开通；
(2)第I积分区间监测完成后，进入第II积分区间，第II积分区间在上电自检的基础之上，加上了二类短路故障，正常情况下开通稳态门极电荷为0，当监测到门极电荷为负值即Qg<0时，确定为二类短路故障；当监测到门极电荷Qg>0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障；取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征值，以Qg,int作为门极短路和门极漏电的分界点，当ΔQg>Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg<Qg,int时，为门极漏电故障；
(3)第II积分区间监测无故障后，当IGBT接收到关断信号后，复位积分电路；在第III积分区间进行门极电荷监测；当门极电荷不等于正常关断门极电荷Qg,off时，如果门极电荷Qg＝0，为门极开路故障；当门极电荷Qg<0且Qg>-Qg,off时，为局部绑定线脱落故障；
(4)第III积分区间如果门极电荷正常，则复位积分电路，进入第IV积分区间进行门极电荷监测，当监测到门极电荷Qg<0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障；取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征值，以Qg,int作为门极短路和门极漏电的分界点，当门极电荷ΔQg<-Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg>-Qg,int时，为门极漏电故障。
2.根据权利要求1所述的基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法，其特征在于：所述步骤1中IGBT的门极电流信号的采集最优为IGBT门极采样电阻上的电流信号，电流信号的采集通过差分电路完成。
3.根据权利要求1或2所述的基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法，其特征在于：所述步骤2中积分和复位运算由可复位的积分电路完成。
4.根据权利要求3所述的基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法，其特征在于：所述积分和复位运算用于得到不同区间的门极电荷模拟信号，定义IGBT单个PWM开关周期门极电流积分区间I、II、III、IV，分别对应开通暂态、开通稳态、关断暂态和关断稳态四个阶段，具体积分和复位运算的过程如下：
(1)当IGBT在t0时刻接收到开通信号后，将积分电路进行复位，复位时间对应t0-t1时间段，复位完成后积分电路开始工作，t1-t2对应IGBT开关过程的第I区间，该区间的积分电路输出对应第I区间的门极电荷模拟信号；
(2)在t2时刻，开通暂态过程完成，需要将积分电路再次进行复位，复位时间对应t2-t3时间段，复位完成后积分电路重新开始工作，t3-t4时间段对应IGBT开关过程的第II区间，该区间的积分电路输出对应第II区间的门极电荷模拟信号；
(3)在t4时刻，IGBT接收到关断信号后，将积分电路进行复位，复位时间对应t4-t5时间段，复位完成后积分电路重新开始工作，t5-t6时间段对应IGBT开关过程的第III区间，该区间的积分电路输出对应第III区间的门极电荷模拟信号；
(4)在t6时刻，关断暂态过程完成，需要将积分电路再次进行复位，复位时间对应t6-t7时间段，复位完成后积分电路重新开始工作，t7-t8时间段对应IGBT开关过程的第IV区间，该区间的积分电路输出对应第IV区间的门极电荷模拟信号；
(5)当IGBT进入下一个开关周期时重复以上过程。
5.根据权利要求1所述的基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法，其特征在于，该方法能够用于对IGBT进行功率回路上电前的自检及在线实时监测。
6.根据权利要求5所述的基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法，其特征在于，所述IGBT进行功率回路上电前自检及在线实时监测步骤如下：
步骤(a)：功率回路上电之前，对驱动电路的各项参数进行初始化；
步骤(b)：初始化完成以后，运用基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法对IGBT进行自检；
步骤(c)：自检完成后，如果出现异常，记录并输出当前故障信息；
步骤(d)：根据输出故障信息，进行故障检查；
步骤(e)：自检通过后允许功率回路上电，变流装置开始运行IGBT已经正常工作，开始运用基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法对IGBT进行在线监测；
步骤(f)：实时在线监测时如出现异常，立即进行停机处理，记录并输出当前故障信息；
步骤(g)：根据输出故障信息，进行故障检查。
7.一种基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护装置，其特征在于，包括：
PWM输入模块，其与FPGA/CPLD逻辑处理模块相连，用于接收电力电子装置主控制器的IGBT触发信号传送给FPGA/CPLD逻辑处理模块；
故障输出模块，其与FPGA/CPLD逻辑处理模块相连，用于将FPGA/CPLD逻辑处理模块监测到的IGBT故障信息发送至主控制器；
推挽电路，其与FPGA/CPLD逻辑处理模块相连，用于完成IGBT的正常开关处理；
电流采集电路，其一端与推挽电路相连，另一端通过门极电流采样电阻Rg,shunt与推挽电路相连，用于将采集到的IGBT门极电流信号传递给积分电路；
积分电路，其一端与电流采集电路相连，另一端与高速AD采集模块相连，用于将门极电流信号进行积分和复位运算，得到不同开关区间的门极电荷Qg模拟信号；
高速AD采集模块，其一端与积分电路电路相连，另一端与FPGA/CPLD逻辑处理模块相连，用于将门极电荷模拟信号转换为数字信号传送至FPGA/CPLD逻辑处理模块；以及
FPGA/CPLD逻辑处理模块，用于将主控制器发送来的PWM信号经过推挽电路触发IGBT，同时给出控制积分电路的复位信号，并将采集到的IGBT的不同开关区间的门极电荷，与正常开关状态下相应开关区间的门极电荷进行对比，根据比较结果判断出具体的故障类型，并输出故障类型信息；
定义IGBT单个PWM开关周期门极电流积分区间I、II、III、IV，分别对应开通暂态、开通稳态、关断暂态和关断稳态四个阶段；
根据比较结果判断出具体的故障类型的具体过程如下：
(1)首先复位积分电路，当IGBT接收到开通信号后，在开通暂态即第I积分区间对门极电荷进行监测，当门极电荷为0时，可以确定为门极开路故障；当门极电荷不为0时，根据IGBT故障时的门极电荷大小，可以将开通暂态门极电荷分为两个区间，以Qg,oc作为正常开通门极电荷与过流门极电荷的分界点，以Qg,sc作为短路与过流门极电荷的分界点；因此当门极电荷Qg<Qg,sc时为一类短路故障，当Qg,sc<Qg<Qg,oc时为过流故障，当Qg,oc<Qg<Qg,on时为正常开通；
(2)第I积分区间监测完成后，进入第II积分区间，第II积分区间在上电自检的基础之上，加上了二类短路故障，正常情况下开通稳态门极电荷为0，当监测到门极电荷为负值即Qg<0时，确定为二类短路故障；当监测到门极电荷Qg>0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障；取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征值，以Qg,int作为门极短路和门极漏电的分界点，当ΔQg>Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg<Qg,int时，为门极漏电故障；
(3)第II积分区间监测无故障后，当IGBT接收到关断信号后，复位积分电路；在第III积分区间进行门极电荷监测；当门极电荷不等于正常关断门极电荷Qg,off时，如果门极电荷Qg＝0，为门极开路故障；当门极电荷Qg<0且Qg>-Qg,off时，为局部绑定线脱落故障；
(4)第III积分区间如果门极电荷正常，则复位积分电路，进入第IV积分区间进行门极电荷监测，当监测到门极电荷Qg<0时，IGBT发生门极短路或门极漏电故障；取两次采集时间的门极电荷变化值ΔQg作为特征值，以Qg,int作为门极短路和门极漏电的分界点，当门极电荷ΔQg<-Qg,int时，为门极短路故障，当ΔQg>-Qg,int时，为门极漏电故障。
8.根据权利要求7所述的基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护装置，其特征在于：所述积分电路为可复位的积分电路；
所述可复位的积分电路由放大器OP2、积分电阻Rint、积分电容Cint以及复位开关S1组成；
其中,电阻Rint的一侧连接放大器OP2的输出端，另一侧连接放大器OP2的负输入端；积分电容Cint与Rint并联，Cint的两端子分别连接Rint的两端，复位开关S1与Cint并联；放大器OP2的负输入端连接OP1的输出端；放大器OP2的正输入端接地；放大器OP2的输出端电压信号为VQg，代表门极电荷信号。
9.根据权利要求7所述的基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护装置，其特征在于：所述电流采集电路采用差分电路；
所述差分电路由放大器OP1以及电阻Rdiff1、电阻Rdiff2、电阻Rdiff3和电阻Rdiff4组成；
其中，电阻Rdiff1的一侧连接放大器OP1的输出端，另一侧连接放大器OP1的负输入端；电阻Rdiff2的一侧连接放大器OP1的负输入端，另一侧连接门极采样电阻Rg,shunt的电流输入端；电阻Rdiff3的一侧连接放大器OP1的正输入端，另一侧连接门极采样电阻Rg,shunt的电流输出端；电阻Rdiff4的一侧连接放大器OP1的正输入端，另一侧接地。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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