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一種IGBT元件自損快速檢測新方法

發布時間:2013-08-21 責任編輯:eliane

【導讀】IGBT元件往往采用多并聯形式,因此如果某個IGBT元件發生故障,將會導致并聯回路中的大量IGBT損壞。而常用的快速檢測方法中或多或少存在著一些無法避免的缺點,因此需要一種新的快速檢測法來滿足滿足IGBT保護的實際要求。

IGBT元件保護幾種方法以及優缺點

由于 IGBT元件電流、電壓能力的限制,在實際使用的大容量傳動裝置系統中,往往采用多并聯形式。如果發生某個IGBT元件擊穿等短路故障時,若不及時快速封鎖IGBT脈沖,就可能導致并聯回路中大量IGBT損壞,擴大故障范圍。

在傳動裝置系統中,進、出線主回路一般都設置有霍爾ct,用于檢測主回路電流,并通過主控板的硬件和軟件來處理、判斷過流情況。如果發出重故障跳閘信號,就要快速封鎖脈沖,保護IGBT元件。其優點是對負載引起的過流保護效果比較明顯,但缺點是過流檢出到脈沖封鎖的過程時間太長,需要幾個毫秒,而且直流回路的短路也保護不了(實際系統中沒有直流回路電流檢測ct)。因此, 僅靠該保護方式顯然不能滿足IGBT保護的實際要求。

為此,還必須采取其它的快速檢測方法。目前常用的方法有以下幾種:

1、IGBT vce電壓監測法

這是比較常用的方法。利用集電極電流ic升高時vge或vce也會升高的這一現象,當vge或vce超過設定允許值時,輸出信號去封鎖IGBT的脈沖。由于vge在發生故障時變化較小,難以掌握,一般較少使用。而vce的變化較大,因此實際中一般常常采用vce監測法來對 IGBT進行保護。這種方法的優點是檢測靈敏,動作迅速,有效地避免了并聯回路IGBT大面積損壞。但這種方法的缺點也比較明顯:需要配線,將每個 IGBT的集電極與發射極之間的電壓信號引入脈沖驅動板。另外由于IGBT關斷時,集電極與發射極之間的電壓比較高,需要增加脈沖放大板相應的絕緣與電位 隔離措施。圖1是利用檢測集電極與發射極之間電壓vce對IGBT進行保護的一個例子。

圖1:vce電壓監測以及保護的原理
圖1:vce電壓監測以及保護的原理
2、IGBT門極電壓fb監控法

通過監控IGBT元件的門極電壓vge來判斷IGBT元 件是否損壞。如果判斷出IGBT元件損壞,立即快速封鎖傳動裝置中的所有IGBT元件,其原理如圖2所示。這種方法的優點是結構簡單,比較實用。缺點是只有當某個IGBT損壞時才能判斷出,對一般的過流不起作用。而且,由于IGBT損壞短路時,因為放大板上電容的作用,門極電壓vce變化緩慢,一般需要經 過1ms左右的延遲才能正確判斷和封鎖脈沖,如圖3所示。在這期間,并聯回路大量IGBT就可能受到損害,擴大了故障范圍。

圖2:門極電壓檢測以及保護原理圖
圖2:門極電壓檢測以及保護原理圖
圖3:IGBT損壞時門極電壓變化及檢出
圖3:IGBT損壞時門極電壓變化及檢出
 
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3、一種新型IGBT元件自損快速檢測法(即門極電流ig檢測法)

當IGBT元件損壞時,門極與發射極之間也被擊穿,但由于結電容的作用,門極電壓變化緩慢。但根據電路理論i=cdu/dt可知,門極電流ig變化比門 極電壓vge快得多。因此,可以綜合IGBT的門極脈沖指令與門極電流來準確、快速地判斷IGBT是否損壞。一旦檢測到某個IGBT損壞,立即封鎖 IGBT脈沖指令,能完全避免并聯回路大量IGBT損壞,不會擴大故障范圍。具體原理圖如圖4所示。

圖4 門極電流檢測以及保護原理圖
圖4:門極電流檢測以及保護原理圖
 
IGBT元件正常時,當門極電壓給定信號從on切換成off后,IGBT門極電流ig數值比較小,具體數值與IGBT元件有關,我們已經掌握了 三菱3.3kv/1.2ka大容量IGBT的電流數值以及延時時間。IGBT損壞時門極電流變化以及檢出如圖5所示。當檢測出IGBT有異常時,立即發出 脈沖封鎖命令,防止故障擴大化。

該方式的優點是檢測、封鎖時間極短,只有幾個微秒,能完全避免IGBT大面積損壞。缺點是在IGBT導通工作時,無法判斷其是否異常,只有在 IGBT off指令發出時才可以判斷IGBT是否自損壞。

圖5:IGBT損壞時門極電流變化以及檢出
圖5:IGBT損壞時門極電流變化以及檢出

現場改造及效果

原來現場變頻器中采用的是門極電壓fb監控法。由于脈沖封鎖無法快速及時,在某個IGBT損壞時造成其它IGBT大面積損壞,故障損失慘重,必須對現場進行技術改造。

如果采用vce電壓監測法對IGBT過電流進行保護,雖然比較成熟和常用,但需要對原變頻器大動干戈,主回路要增加很多接線,脈沖放大板的改動量也較大。同時由于原變頻器沒有太多空間來布線及采取絕緣措施,無論從改造工作量和成本上都不太可行。所以vce電壓監測法不適合采用。

采用門極電流ig檢測法就方便、簡單許多。只要在原變頻器IGBT保護功能的基礎上進行局部改造,增加IGBT門極電流檢測功能即可。這樣一旦門極導通電流超過設定值,且經過 x微秒左右的延時后,門極電流仍然超過設定值,就判斷該IGBT損壞或異常,立刻發出所有IGBT脈沖封鎖指令,及時進行有效保護,防止大面積IGBT損壞。

圖6 改造后的保護原理圖
圖6:改造后的保護原理圖
 
圖6為改造后的保護原理圖,其中灰色部分是新增的門極電流ig檢測功能部分。

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