基于24 V電源測(cè)試大功率IGBT模塊的方法與分析

蔡文軒，何 麗，祁海波，李長(zhǎng)久，岳 健

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子工程系，河北 承德 067000;2.解放軍第266醫(yī)院，河北 承德 067000;3.承德技師學(xué)院，河北 承德 067000;4.北京金風(fēng)科技股份有限公司，北京 100176)

變流器是風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中占有非常重要的地位。隨著大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的迅猛發(fā)展，變流器的核心全控器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)也朝著大電流、高電壓、快通斷、易觸發(fā)等方向不斷發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的變流器運(yùn)行工況特殊，功率、頻率、電流和電壓等參數(shù)隨風(fēng)的變化而變化。[1-3］

國(guó)內(nèi)風(fēng)電變流器中普遍采用的IGBT產(chǎn)品有英飛凌、西門康等，對(duì)于這種大功率級(jí)的IGBT器件測(cè)試方法始終是基于高壓大電流的測(cè)試條件下才可以完成測(cè)試，例如“H橋”測(cè)試、“三相橋”測(cè)試等等[4-5］。這些測(cè)試方法，不僅需要大容量的電源設(shè)備，還需要專用的測(cè)試設(shè)備，費(fèi)用較高，危險(xiǎn)性較大，要求操作人員需要較高的技術(shù)水平。為了規(guī)避設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)減少測(cè)試投資，需要設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、適用、安全、高效的大功率IGBT模塊驅(qū)動(dòng)測(cè)試儀和測(cè)試方法，該方法基于24 V電源測(cè)試大功率器件(額定電壓1 700 V、額定電流2 400 A、IPM(智能功率半導(dǎo)體)封裝)，通過(guò)向IGBT發(fā)送2.5 kHz、5 kHz的PWM脈沖測(cè)試IPM的耗散電流來(lái)確定IGBT是否完好。

1 新型IGBTA模塊測(cè)試儀的總體設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)框圖

此測(cè)試儀有兩部分組成，分別為SKiiP測(cè)試儀主控板與SKiiP測(cè)試儀接口板。主板主要完成電流信號(hào)、溫度信號(hào)采樣、IGBT故障信號(hào)的判斷、IGBT短路保護(hù)、發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖、(LCD)提供人機(jī)接口等;接口板主要完成IGBT耗散電流的檢測(cè)，并將檢測(cè)后的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波與放大后，輸出給萬(wàn)用表。其中，兩塊測(cè)試板通過(guò)14PIN的扁平電纜進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)IGBT供電、驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集、信號(hào)保護(hù)、耗散電流檢測(cè)等功能，IGBT測(cè)試儀系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 SKiiP電流和溫度反饋分析

根據(jù)SKiiP2403電流反饋說(shuō)明進(jìn)行如圖2所示電流采樣電路設(shè)計(jì)。

SKiiP2403電流采樣原理如圖3所示，此模塊電流采樣使用閉環(huán)原理，當(dāng)主電路(一次側(cè))有電流流過(guò)后，在補(bǔ)償線圈與電磁探針中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電磁探針輸出直接受補(bǔ)償線圈的控制，當(dāng)補(bǔ)償線圈中磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，電磁探針通過(guò)PWM調(diào)節(jié)原理將此磁回路補(bǔ)償線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)與感生磁場(chǎng)進(jìn)行相互抵消，實(shí)現(xiàn)電磁探針感應(yīng)為零，通過(guò)采集此電路的輸出便可知一次側(cè)電流大小。

根據(jù)SKiiP2403模塊溫度反饋曲線如圖3所示。

由圖3可知，SKiiP2403溫度反饋從30℃后反饋電壓與SKiiP2403模塊溫度基本呈線性，根據(jù)外部環(huán)境溫度特點(diǎn)，戶外溫度絕對(duì)不會(huì)超過(guò)60℃，所以對(duì)SKiiP2403模塊的溫度采樣閥值設(shè)計(jì)到60℃是絕對(duì)安全可靠的，模擬反饋電壓為4 V。

3 關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)及原理

這種新型IGBT模塊測(cè)試儀比較以往的測(cè)試儀具有簡(jiǎn)單的人機(jī)界面，驅(qū)動(dòng)脈沖可調(diào)，檢測(cè)功能齊全(溫度信號(hào)檢測(cè)、電流信號(hào)檢測(cè)、IGBT短路電流保護(hù)等)，性價(jià)比更高等優(yōu)點(diǎn)。

此IGBT模塊測(cè)試儀主要完成如下測(cè)試功能:

1)IGBT驅(qū)動(dòng)板電源短路保護(hù)功能;2)測(cè)試IGBT故障信號(hào)功能;3)測(cè)試IGBT電流檢測(cè)與溫度檢測(cè)功能;4)分別測(cè)試IGBT上、下橋臂響應(yīng)信號(hào)功能;5)測(cè)試IGBT全橋臂響應(yīng)信號(hào)功能。

3.1 IGBT驅(qū)動(dòng)板電源短路保護(hù)電路

測(cè)試板使用24 V電源進(jìn)行IGBT測(cè)試，不會(huì)對(duì)操作人員造成傷害，保證了測(cè)試人員的安全，測(cè)試板中具有電源短路保護(hù)功能，主要是防止IGBT驅(qū)動(dòng)板中電源部分失效導(dǎo)致電源短路從而影響測(cè)試板的正常使用，保護(hù)原理如圖4所示。

圖4電路主要保護(hù)測(cè)試板24 V電源，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)刻，C31抑制了Q2的導(dǎo)通從而使Q1先于Q2導(dǎo)通，當(dāng)Q1導(dǎo)通后Q5導(dǎo)通，Q5導(dǎo)通后驅(qū)動(dòng)MOS管Q4導(dǎo)通，Q4導(dǎo)通后通過(guò)R53抑制了Q2的導(dǎo)通，使24 V電源正常供給IGBT模塊完成正常的上電過(guò)程。當(dāng)24 V電源出現(xiàn)短路時(shí)，R53直接將Q2基極拉低，導(dǎo)致Q2導(dǎo)通，從而抑制了Q1的導(dǎo)通，使電路關(guān)閉，從而起到IGBT電源回路保護(hù)的作用。

3.2 IGBT故障檢測(cè)原理電路

測(cè)試系統(tǒng)的故障信號(hào)檢測(cè)功能是通過(guò)比較器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)IGBT故障后故障輸出為OC門斷路，由于上拉電阻的作用，直接將驅(qū)動(dòng)信號(hào)拉為高電平，CPU檢測(cè)到此高電平后報(bào)出故障，檢測(cè)成功，IGBT故障檢測(cè)原理如圖5所示。

圖5中D9主要是易于判斷IGBT故障的發(fā)生，即故障時(shí)刻點(diǎn)亮，IGBT正常D9熄滅。

當(dāng)IGBT沒有電流流過(guò)時(shí)，IGBT電流與溫度反饋為正常值，測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試此反饋信號(hào)進(jìn)行AD采用，并在軟件中設(shè)定比較值，當(dāng)此信號(hào)的幅值達(dá)到比較值(電流信號(hào)＞0.65 V、溫度信號(hào)＞2.6 V)時(shí)，報(bào)出溫度、電流反饋故障。

3.3 IGBT耗散電流測(cè)試原理

IGBT耗散電流測(cè)試原理是將0.5歐姆的采樣電阻串聯(lián)到測(cè)試系統(tǒng)的地線上，向IGBT上橋臂或下橋臂發(fā)出2.5 kHz的PWM信號(hào)時(shí)，因IGBT需要響應(yīng)此信號(hào)，IGBT驅(qū)動(dòng)板需要向IGBT的門極電容進(jìn)行充電和放電操作，當(dāng)IGBT響應(yīng)此信號(hào)后流過(guò)采樣電阻的電流會(huì)增加，通過(guò)模擬電路對(duì)采樣電阻兩端的電壓進(jìn)行放大與濾波后輸出，使用萬(wàn)用表測(cè)試反饋電壓，從而判斷IGBT驅(qū)動(dòng)板是否正常，IGBT耗散電流檢測(cè)電路如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

各功能單元電路與控制核心CPU進(jìn)行功能接口對(duì)接，構(gòu)成一個(gè)完整的IGBT模塊驅(qū)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。這種新型IGBT模塊驅(qū)動(dòng)測(cè)試儀目前已在國(guó)內(nèi)大型電氣設(shè)備生產(chǎn)廠家進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，成為IGBT入廠檢測(cè)和出廠檢測(cè)的環(huán)節(jié)之一;同時(shí)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電廠，作為變流器內(nèi)IGBT故障判斷的手段之一。這種新型IGBT模塊驅(qū)動(dòng)測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)了通過(guò)科學(xué)的手段將產(chǎn)品質(zhì)量的驗(yàn)證結(jié)果和測(cè)試結(jié)果反饋出來(lái)，而不是通過(guò)人的主觀性去判斷，無(wú)論是在企業(yè)生產(chǎn)還是操作維護(hù)，都具有很好的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笇?dǎo)意義。

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