如何在1微秒内快速检测IGBT运行状态？重庆大学科研人员发布研究成果

柔性直流换流阀的可靠运行很大程度上取决于阀子模块内的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）器件，除了子模块的冗余设计，实时检测子模块内IGBT的状态同样具有重大意义。现行的检测手段难以实现IGBT正常状态、老化状态、不同故障状态的快速诊断以及实时同步检测。

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、广东电网有限责任公司惠州供电局的研究人员姚陈果、李孟杰、余亮、董守龙、廖瑞金，在2020年第15期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于脉冲耦合响应的状态检测方法，该方法通过向集射极注入短时高压脉冲激励，分析脉冲下IGBT等效二端口网络的输出响应，可以在1μs内快速检测IGBT运行状态，并在故障情况下识别故障类型。

近年来柔性直流输电系统快速发展，国内已相继建成上海南汇±30kV/18MW、南澳三端±160kV/200MW、舟山五端±200kV/1000MW、厦门柔直±320kV/1000MW、鲁西±350kV/1000MW等工程，张北地区正在建设一个±500kV/3000MW四端环形柔性直流电网。

IGBT作为一种全控器件，因其相对简单的驱动、快速的开关速度、较高的功率密度而被广泛用于柔性直流换流阀，是构成阀子模块的主要功率器件。有关统计数据表明功率器件失效率非常高，IGBT是阀子模块中较为脆弱的部件，过电压、过电流以及过高的di/dt都会引起IGBT芯片发生损坏，IGBT损坏是最常见的子模块故障原因之一。

与此同时，随着柔性直流工程电压等级不断提高、输送容量不断扩大，巨大的电气应力和热应力加速了IGBT封装老化过程，有研究指出封装老化的累积甚至会导致IGBT模块开路。因此，有必要对IGBT的状态——包括正常工作状态、封装老化过程以及故障状态（短路、开路）进行检测与诊断，以提高换流阀运行的可靠性。

针对短路故障，目前主要的检测方法是欠饱和检测法和电流镜法——前者通过IGBT饱和导通压降Uce_sat与电压阈值的比较对IGBT短路故障与否进行判断，反应时间在1～5μs，而IGBT只能承受大约10μs的短路电流，该方法的响应速度略慢；电流镜法通过额外的一只IGBT与待测IGBT组成电流镜来检测待测IGBT的集电极电流，该方法实施简单但成本较高。

针对开路故障，有些学者发布相关研究成果，但是这些方法能够有效检测IGBT的开路故障，但检测时间均在ms级，不能实现故障的快速检测。

图1  IGBT芯片结电容分布及其模型

针对封装老化过程，丹麦Aalborg大学、重庆大学和浙江大学的研究团队对IGBT的封装热阻进行建模，但是热阻模型的动态更新困难，不适用于老化状态的实时检测。英国Duham大学研究团队利用逆变器输出谐波的幅值变化间接反映封装老化；重庆大学研究团队通过键合线压降、键合线电阻、键合线电感等检测电路中杂散参数的变化间接反映IGBT封装老化，这些方法通过外部电参数的检测可以实时反映封装老化状态，但是无法对IGBT的故障进行检测。

综上，目前IGBT短路故障检测方法、IGBT开路故障检测方法以及IGBT封装老化过程检测方法彼此之间相互独立，尚没有一种方法能够实现正常状态、老化状态以及不同故障状态的快速、实时同步检测。因此，重庆大学、惠州供电局等单位的研究人员提出一种基于脉冲耦合响应实现IGBT正常、老化以及故障状态检测的方法。

图2  脉冲注入实验现场

该方法向IGBT集射极端口注入短时脉冲，在IGBT的栅射极端口测取响应电压，根据响应电压幅值以及边沿振荡波形数据，采用阈值判断以及最小二乘算法，能够实现在1μs内对IGBT的状态进行快速判断。

另外，研究人员认为：通过阈值判断算法，能够识别IGBT的故障类型（开路、短路）；通过最小二乘算法，能提取IGBT栅射引线电感，发现 IGBT栅射引线电感随引线断裂数目增大而增大，从而间接反映IGBT封装老化。

此外，脉冲耦合响应法从IGBT外部端口特性出发进行检测，不需要对IGBT内部封装进行改造，易于和商用IGBT器件兼容使用；测量系统与栅射极并联，易于与驱动电路实现整合。这些特点有利于脉冲耦合响应法的在线应用。

以上研究成果发表在2020年第15期《电工技术学报》，标题为“基于脉冲耦合响应的IGBT故障检测方法”，作者为姚陈果、李孟杰、余亮、董守龙、廖瑞金。