北京交通大学黄先进、李鑫 等：基于量化电压并行比较的IGBT状态监测保护电路
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黄先进
北京交通大学电气工程学院，副教授，博士生导师。IEEE会员，中国电源学会高级会员。主要从事半导体器件驱动保护应用技术，变流器控制与设计技术，变流系统的温升与热场分析设计等研究。主持或参加多项国际合作项目、北京市科委研究项目以及国家重点研发计划。发表SCI/EI检索论文多篇，授权专利多项。
李鑫
北京交通大学电气工程学院，硕士研究生，主要研究方向为 IGBT 驱动保护电路。
相比于传统门极驱动电路，新一代IGBT驱动电路集成功率放大、故障识别与状态监测等功能，不但能够保证功率器件可靠安全运行，还能够对其开通、关断运行状态进行全面监测，从底层对IGBT变流器运行维护提供保障。本文提出一种基于量化电压并行比较的IGBT状态监测保护电路，通过设定量化电压，将状态参数的检测值进行量化，利用逻辑输出判断IGBT模块的健康状态，实现对IGBT模块运行生命周期的预测。
项目研究背景
作为电力电子装置的功率电路与控制电路之间的接口，IGBT驱动电路与功率器件正常可靠工作及系统的安全稳定运行密不可分。通过门极驱动电路进行状态监测与保护是目前能够对IGBT模块实现故障诊断最快的方法。但IGBT模块通常采用密闭封装，无法开封放入测量装置，使得状态监测遇到较大阻碍。
已有研究表明，随着IGBT模块的逐渐老化，其外部特性参数会呈现出一定的变化趋势，能够反映出器件的老化水平。因此，通过驱动电路监测相关状态参数，对当前运行状态进行判断，能够为IGBT的老化失效与健康管理奠定研究基础。
论文所解决的问题及意义
本文提出一种基于量化电压并行比较的IGBT状态监测保护电路，通过设定量化电压，将状态参数的检测值进行量化，利用逻辑输出判断IGBT模块的健康状态。
构建多芯片并联封装IGBT模块的等效电路模型，分析模块内部寄生参数对饱和导通压降Vce(sat)、短路电流Isc、开通延迟时间tdon及门极峰值电流Igpeak等状态参数的影响，并根据其变化范围构建IGBT模块的全寿命安全工作区，为量化电压的设定提供依据。以Vce(sat)与tdon作为检测信号，通过量化电压并行比较的方法实时监测并辨别短路故障与老化程度，从而保护IGBT模块，提高器件运行可靠性。
论文方法及创新点
如图1所示，为多芯片并联封装IGBT模块的等效电路，将寄生参数改变、芯片开路故障两种情况作为键合线老化脱落的标准，对饱和导通压降Vce(sat)、短路电流Isc、开通延迟时间tdon及门极峰值电流Igpeak等状态参数进行定量分析。
根据理论推导与仿真分析，随着IGBT模块内部键合线逐渐老化脱落，饱和导通压降Vce(sat)逐渐增大，短路电流Isc与门极峰值电流Igpeak均呈现出下降趋势，而开通延迟时间tdon有所不同，当键合线脱落导致寄生参数改变时，tdon会增大，当键合线脱落导致芯片开路故障时，tdon则会减小，如表1所示。此外，相比于寄生参数改变，当模块内部发生芯片开路故障时，各状态参数的变化较大。
图1 多芯片并联IGBT模块等效电路
表1 不同老化情况下的状态参数变化趋势
因此，利用IGBT模块内部发生开路故障的芯片数量表征其老化程度，并分为正常状态，老化早期、老化晚期与临界失效四种，各状态参数从IGBT模块正常状态至临界失效的变化范围共同构成全寿命安全工作区。
相比于正常状态，随着IGBT模块老化程度不断加深，各状态参数的变化也会逐渐增大。当其处于临界失效时，各状态参数发生最大范围改变。不同老化程度下的各状态参数可利用输出特性曲线、短路特性及内部寄生参数计算获得，以上条件均可通过查询相应型号IGBT模块的数据手册获得。
如图2所示，为状态监测电路示意图，选取Vce(sat)、tdon作为采集对象，根据全寿命安全工作区设定多个量化阈值，其中Vref1~Vref3为Vce(sat)的状态监测阈值，Vref5为tdon的结束判别阈值，Vref4、Vref6为短路故障检测阈值。
与Vce(sat)状态监测不同，tdon状态监测需要通过软件编程实现延时测量与状态监测。利用Vce(sat)及tdon检测电路，将状态参数的检测值与设定阈值相比较，使得IGBT驱动电路能够对模块的老化情况进行实时监测、识别与警告。
为了验证状态监测方案的可行性，利用Pspice搭建相应的电路模型，通过逐渐增大负载电流模拟饱和导通压降Vce(sat)不断上升的趋势，仿真波形如图3所示，验证该方法的正确性与可行性。
图2 状态监测电路
图3 Vce(sat)状态监测仿真波形
结论
本文提出了一种基于量化电压并行比较的IGBT状态监测保护电路，并通过Pspice仿真验证了该方法的可行性。通过理论分析与仿真验证，Vce(sat)、短路电流Isc、开通延迟时间tdon及门极峰值电流Igpeak等状态参数随着IGBT模块老化程度的不断加深会呈现相应的变化趋势，并构成相应的全寿命安全工作区。
以IGBT驱动电路为基础，针对Vce(sat)及tdon等状态参数设定多个量化阈值并实时监测，根据比较电路的逻辑输出来判断IGBT模块的老化程度，对其可靠性研究具有参考意义。
引用本文
黄先进, 李鑫, 刘宜鑫, 王风川, 高冠刚. 基于量化电压并行比较的 IGBT 状态监测保护电路[J]. 电工技术学报, 2021, 36(12): 2535-2547. Huang Xianjin, Li Xin, Liu Yixin, Wang Fengchuan, Gao Guangang. Condition Monitoring and Protection Circuit for IGBTs Based on Parallel Comparison Methods of Quantized Voltages[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2535-2547.
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90451