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近年來柔性直流輸電系統(tǒng)快速發(fā)展，國內(nèi)已相繼建成上海南匯±30kV/18MW、南澳三端±160kV/200MW、舟山五端±200kV/1000MW、廈門柔直±320kV/1000MW、魯西±350kV/1000MW等工程，張北地區(qū)正在建設(shè)一個(gè)±500kV/3000MW四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng)。

IGBT作為一種全控器件，因其相對(duì)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)、快速的開關(guān)速度、較高的功率密度而被廣泛用于柔性直流換流閥，是構(gòu)成閥子模塊的主要功率器件。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明功率器件失效率非常高，IGBT是閥子模塊中較為脆弱的部件，過電壓、過電流以及過高的di/dt都會(huì)引起IGBT芯片發(fā)生損壞，IGBT損壞是最常見的子模塊故障原因之一。

與此同時(shí)，隨著柔性直流工程電壓等級(jí)不斷提高、輸送容量不斷擴(kuò)大，巨大的電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力加速了IGBT封裝老化過程，有研究指出封裝老化的累積甚至?xí)?dǎo)致IGBT模塊開路。因此，有必要對(duì)IGBT的狀態(tài)——包括正常工作狀態(tài)、封裝老化過程以及故障狀態(tài)（短路、開路）進(jìn)行檢測(cè)與診斷，以提高換流閥運(yùn)行的可靠性。

針對(duì)短路故障，目前主要的檢測(cè)方法是欠飽和檢測(cè)法和電流鏡法——前者通過IGBT飽和導(dǎo)通壓降Uce_sat與電壓閾值的比較對(duì)IGBT短路故障與否進(jìn)行判斷，反應(yīng)時(shí)間在1～5μs，而IGBT只能承受大約10μs的短路電流，該方法的響應(yīng)速度略慢；電流鏡法通過額外的一只IGBT與待測(cè)IGBT組成電流鏡來檢測(cè)待測(cè)IGBT的集電極電流，該方法實(shí)施簡(jiǎn)單但成本較高。

針對(duì)開路故障，有些學(xué)者發(fā)布相關(guān)研究成果，但是這些方法能夠有效檢測(cè)IGBT的開路故障，但檢測(cè)時(shí)間均在ms級(jí)，不能實(shí)現(xiàn)故障的快速檢測(cè)。

圖1 IGBT芯片結(jié)電容分布及其模型

針對(duì)封裝老化過程，丹麥Aalborg大學(xué)、重慶大學(xué)和浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)IGBT的封裝熱阻進(jìn)行建模，但是熱阻模型的動(dòng)態(tài)更新困難，不適用于老化狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。英國Duham大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用逆變器輸出諧波的幅值變化間接反映封裝老化；重慶大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過鍵合線壓降、鍵合線電阻、鍵合線電感等檢測(cè)電路中雜散參數(shù)的變化間接反映IGBT封裝老化，這些方法通過外部電參數(shù)的檢測(cè)可以實(shí)時(shí)反映封裝老化狀態(tài)，但是無法對(duì)IGBT的故障進(jìn)行檢測(cè)。

綜上，目前IGBT短路故障檢測(cè)方法、IGBT開路故障檢測(cè)方法以及IGBT封裝老化過程檢測(cè)方法彼此之間相互獨(dú)立，尚沒有一種方法能夠?qū)崿F(xiàn)正常狀態(tài)、老化狀態(tài)以及不同故障狀態(tài)的快速、實(shí)時(shí)同步檢測(cè)。因此，重慶大學(xué)、惠州供電局等單位的研究人員提出一種基于脈沖耦合響應(yīng)實(shí)現(xiàn)IGBT正常、老化以及故障狀態(tài)檢測(cè)的方法。

圖2 脈沖注入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

該方法向IGBT集射極端口注入短時(shí)脈沖，在IGBT的柵射極端口測(cè)取響應(yīng)電壓，根據(jù)響應(yīng)電壓幅值以及邊沿振蕩波形數(shù)據(jù)，采用閾值判斷以及最小二乘算法，能夠?qū)崿F(xiàn)在1μs內(nèi)對(duì)IGBT的狀態(tài)進(jìn)行快速判斷。

另外，研究人員認(rèn)為：通過閾值判斷算法，能夠識(shí)別IGBT的故障類型（開路、短路）；通過最小二乘算法，能提取IGBT柵射引線電感，發(fā)現(xiàn) IGBT柵射引線電感隨引線斷裂數(shù)目增大而增大，從而間接反映IGBT封裝老化。

此外，脈沖耦合響應(yīng)法從IGBT外部端口特性出發(fā)進(jìn)行檢測(cè)，不需要對(duì)IGBT內(nèi)部封裝進(jìn)行改造，易于和商用IGBT器件兼容使用；測(cè)量系統(tǒng)與柵射極并聯(lián)，易于與驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)整合。這些特點(diǎn)有利于脈沖耦合響應(yīng)法的在線應(yīng)用。

以上研究成果發(fā)表在2020年第15期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，標(biāo)題為“基于脈沖耦合響應(yīng)的IGBT故障檢測(cè)方法”，作者為姚陳果、李孟杰、余亮、董守龍、廖瑞金。