数字化IGBT智能驱动与故障监测存储系统设计

文阳，杨媛，高勇

（1.西安理工大学自动化学院，陕西 西安 710048；2.西安工程大学电子信息学院，陕西 西安 710048）

数字化IGBT智能驱动与故障监测存储系统设计

文阳1，2，杨媛1，高勇1，2

（1.西安理工大学自动化学院，陕西 西安 710048；2.西安工程大学电子信息学院，陕西 西安 710048）

介绍了一种新颖的数字化IGBT智能驱动与故障数据监测存储系统。结合IGBT多发故障设计出了相应的驱动保护与故障测量存储电路，对IGBT进行实时保护和数据监测存储，并运用仿真和实验验证了设计电路的正确性和有效性。对于在复杂环境下运行的IGBT的寿命、安全性和可靠性，以及相关的维护有着很重要的作用。

IGBT智能驱动；过流保护；故障监测存储；数据测量

本文设计的系统在实现IGBT的智能驱动与保护的基础上，对各种故障数据进行监测、存储，最终可供上位机读取，大大降低了IGBT故障率和维护的成本。系统框图如图1所示。驱动信号经过智能驱动器对IGBT进行优化的开通和关断，并且提供可靠的保护；当IGBT发生故障时，故障采集存储单元对故障信号进行采集存储，供上位机读取查看。

1　智能驱动器设计

图1　驱动保护与故障存储系统框图Fig.1　Drive protection and fault storage system block diagram

本文所设计的驱动保护电路主要包括4部分：驱动信号的光电转换、FPGA数字控制、多级栅极驱动、故障的检测及保护。功能框图如图2所示。

1.1多级动态栅极驱动

传统的栅极驱动结构不能兼顾开关损耗和di/dt引起的电流、电压尖峰。在本设计中采用多级动态栅电阻，利用Mosfet的组合即可实现多等级动态栅极驱动电阻，从而更精确控制开通和关断过程。如图3所示。

图2　驱动保护电路系统框图Fig.2　Drive protection system block diagram

图3　多等级动态栅极驱动结构Fig.3　Multi-level dynamic gate driver structure

1.2保护电路设计

1）过流保护。当IGBT正常开通时，Vce饱和时的压降只有2～3 V，当IGBT短路后，IGBT快速退饱和，Vce快速上升，如图4a所示。通过硬件比较电路与设置的保护阈值Vref相比较，比较器翻转送出故障信号S1，FPGA决策后快速关断IGBT，如图4b所示。

图4　短路检测原理与保护电路Fig.4　Principle of short-circuit detection and protection circuit

当IGBT在开通瞬间发生短路，Ic急剧增大，导致di/dt增大，在寄生电感LeE（辅助发射极e和功率发射极E之间很小的寄生电感）上感应出电压VeE=-LeE×（di/dt），如图4b所示。通过硬件比较电路捕捉此电压变化，送出故障信号S2并由FPGA做出保护动作。

2）过压保护。在变流器过载或桥臂短路时关断IGBT，会产生非常高的电压尖峰，此时IGBT极易损坏。为此采用有源钳位的方法来抑制关断过压尖峰。如图5所示，当集电极电位过高时，TVS管D2被击穿，电流Iz向栅极注入电流，抬高栅极电压，减慢关断过程。为防止Vge被过大抬升导致IGBT损坏，利用双向TVS管D3进行栅极钳位。

图5　Vce过压保护Fig.5　Protection ofVceover-voltage

3）欠压保护。欠压包括电源欠压和栅极欠压。电源欠压导致驱动信号不能正确传输、逻辑控制电路发生错误，严重影响驱动器功能的可靠性；栅极欠压有可能使正在运行的IGBT退出饱和区，严重威胁IGBT的寿命。为此采用电压检测芯片对电源电压和栅极电压进行实时检测，一旦有欠压发生，关断IGBT。

2　故障采集存储设计

本文所设计的采集存储电路主要包括7个部分：信号采集电路、信号调理电路、ADC数模转换电路、FPGA控制模块、FLASH、SDRAM和USB组成。如图6所示。

图6　数据采集存储框图Fig.6　Block diagram of the data acquisition and storage

2.1Vce测量电路设计

本设计采用2个测量支路分别对关断电压和导通压降进行测量。集电极电压测量电路如图7所示，IGBT关断时的关断电压测量由电阻R4，R5完成；IGBT导通时饱和压降测量支路由二极管D4，D5，开关S，电流源I1，I2及电阻R5组成。稳压管D6保护输出后级电路。Uout为测量输出电压。

图7　集电极电压测量电路原理图Fig.7　Collector voltage measuring circuit schematic

当IGBT处于关断状态时，开关S断开，D4承受反压，此时集电极电压经由R4，R5分压，则

式中：Uceoff为IGBT关断集电极电压。

当IGBT导通后，开关S闭合。电流源I1，I2分别流过二极管D5，D4。此时IGBT的导通电阻相比较于R5小得多，因此I2几乎全部流过D4；而相对二极管D5的导通电阻，R4阻值很大，可认为R4开路，I1全部从D5流过。

此时饱和压降有如下关系式：

当I1和I2大小相等、D4，D5型号相同，且所处环境温度相同时，UD4，UD5基本相等，即可得出

式中：Uceon为IGBT集电极饱和压降；UD4，UD5为二极管D4，D5的导通压降。

2.2温度测量电路设计

针对IGBT功率模块栅极驱动电压的信号特征，把热传感器NTC作为分压电路的一部分来实现温度的测量，测量电路如图8所示。

图8　温度测量电路Fig.8　Temperature measurement circuit

2.3栅压Vge和电源电压测量

本设计采用+15 V电源供电，为栅极提供可靠的驱动电压与电流。根据电源电压和栅压Vge的特点，采取电阻分压的方式进行测量。

上述测量得到的模拟信号经过信号调理电路，通过ADC转换供采集电路采样，并送往FPGA进行运算处理后，存储在SDRAM中。当IGBT发生故障（短路、过温、欠压、栅极驱动信号过频等），保护电路立即动作。同时，存储电路将此故障发生前一段时间内的数据转存至FLASH中，在系统断电后通过USB供上位机读取。

3　仿真及实验分析

3.1仿真分析

为验证所设计Vce测量电路的有效性，根据基于Saber2007设计方案，对图7所示集电极电压测量电路进行了双脉冲仿真。仿真参数：IGBT 为5SNA1200E330100，R4=4 MΩ，R5=40 kΩ，I1=5 mA，I2=5 mA，仿真结果如图9所示。

图9　集电极测量电路仿真Fig.9　Simulation of collector measuring circuit

在不同母线电压等级的阻断电压仿真结果如图9a中所示，母线电压分别为1 200 V，1 000 V，800 V。可以看出，在IGBT阻断状态下，根据式（1）可得集电极关断电压测量值和实际值相差约2 V，说明测量电路能较好地跟踪母线电压的变化，测量范围可根据实际需要进行参数调整。从图9b可以看出，在IGBT饱和导通状态下，饱和压降测量值和实际值重合性好，测量误差小于10 mV。

从以上仿真结果可以得出，此测量电路能较精确地测量IGBT关断和开通时的集电极电压。

3.2实验分析

为了验证电路系统的正确性，搭建了IGBT实验平台（见图10），进行双脉冲实验与短路实验（见图11、图12），图10中，母线电压1 200 V，负载L为60 μH感性负载，驱动信号为双脉冲信号。

图10　IGBT测试平台原理图Fig.10　Schematic of IGBT test platform

从图11a看出IGBT可靠开通关断，驱动电路正常工作。实验双脉冲频率为25 kHz，超出了预设的频率范围，触发过频保护，如图11b所示。Vge和Vce信号很好地被记录下来，而由于实验过程短暂，温度一直维持在室温状态。电源电压没有出现过大波动呈+15 V。

图11　双脉冲实验Fig.11　Double pulse experiment

将双脉冲平台上管IGBT用1个粗短的铜排短接，并用了1个宽度为10 μs的脉冲进行短路实验。Vce=1 200 V。从图12a中可看出，从IGBT开始导通到检测到短路信号用时不到2 μs（一般短路保护需要8～10 μs），保护电路快速将IGBT关断，很好地起到了保护作用。图12b为此次“故障”的上位机界面，采集存储电路很好地记录下了实验的整个过程。

不同母线电压下的阻断与饱和电压值对比如表1所示。

表1　不同母线电压下的阻断与饱和电压值对比Tab.1　Contrast of blocking and saturation voltage value at different bus voltage

由表1可以看出，在相同的实验条件下，随着母线电压的升高，饱和压降也逐渐增加。在相同母线电压下，阻断电压的理论值、仿真值、实测值相差约5 V。饱和压降的理论值、仿真值、实测值相差约10 mV。

图12　短路试验Fig.12　Short-circuit test

4　结论

本文提出了一种新颖的IGBT数字化驱动保护与故障数据存储系统，利用数字芯片FPGA对驱动信号、保护电路的保护动作以及故障数据存储进行相应的软件设计，相对于分立器件，数字芯片对信号的处理大大提高了电路的集成度和运行的可靠性，通过实验验证了设计的正确性。

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Digital IGBT Intelligent Drive and Failt Monitoring Storage System Design

WEN Yang1，2，YANG Yuan1，GAO Yong1，2
（1.College of Automation，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；
2.College of Electronics&Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

A novel digital intelligent drive and failure data storage system monitoring of IGBT was described. Considering various failures of IGBT，corresponding drive protection and fault measuring memory circuit was designed for IGBT protection and data monitoring of storage in real-time，and used simulation and experiment to verify the correctness and effectiveness of the design circuits.The life，safety and reliability of IGBT operating in a complex environment，as well as associated maintenance has a very important role.

IGBT intelligent drive；over-current protection；fault monitoring storage；data measurement

TM502

A

2015-06-24

修改稿日期：2016-01-20

国家自然科学基金项目（51477138）；陕西省教育厅服务地方专项计划项目（15JF026）；

陕西省科技厅工业攻关项目（201406-01）；陕西省科技统筹创新工程项目（2013KTCQ01-26）；

西安市产学研协同创新计划项目（CXY1501）

文阳（1990-）男，博士研究生，Email：wyxput@163.com