基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护装置的制作方法

本实用新型涉及一种大功率IGBT故障诊断及保护装置，尤其涉及一种基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护装置。

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装置，对于提高电力电子系统的可靠性具有很大意义。

技术实现要素：

本实用新型提出了以IGBT的门极电荷Qg作为特征参数的IGBT故障保护及诊断装置，旨在快速、准确的实现对IGBT 7类典型的故障诊断及保护。

本实用新型按以下技术方案实现：

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。

本实用新型有益效果：

1)本实用新型通过在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)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)由于本实用新型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)运用本实用新型能够实现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装置结构图；

图2是本实用新型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。

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实用新型进行详细描述。

如图1所示，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1、故障输出模块2、FPGA/CPLD逻辑处理模块3、推挽电路4、电流采样电路5、积分电路6、高速AD采集模块7。

PWM输入模块1与FPGA/CPLD逻辑处理模块3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3；故障输出模块2与FPGA/CPLD逻辑处理模块3相连，用于将FPGA/CPLD逻辑处理模块 3监测到的IGBT故障信息发送至主控制器；推挽电路4与FPGA/CPLD逻辑处理模块3相连，用于完成IGBT的正常开关处理；电流采集电路5一端与推挽电路4相连，另一端通过门极电流采样电阻Rg,shunt与推挽电路4相连，用于将采集到的IGBT门极电流信号传递给积分电路6；积分电路6一端与电流采集电路5 相连，另一端与高速AD采集模块7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7一端与积分电路电路相连，另一端与FPGA/CPLD逻辑处理模块3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3；FPGA/CPLD逻辑处理模块3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。

图2给出了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。

电流采集电路5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6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。

由此可知，本实用新型通过在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；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；由于本实用新型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；运用本实用新型能够实现IGBT上电前自检和在线实时监测，大大降低了IGBT损坏风险。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本实用新型的保护范围，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实用新型权利要求所保护的范围。