團隊介紹

黃先進

北京交通大學電氣工程學院，副教授，博士生導師。IEEE會員，中國電源學會高級會員。主要從事半導體器件驅動保護應用技術，變流器控制與設計技術，變流系統的溫升與熱場分析設計等研究。主持或參加多項國際合作項目、北京市科委研究項目以及國家重點研發計劃。發表SCI/EI檢索論文多篇，授權專利多項。

李鑫

北京交通大學電氣工程學院，碩士研究生，主要研究方向為 IGBT 驅動保護電路。

項目研究背景

作為電力電子裝置的功率電路與控制電路之間的接口，IGBT驅動電路與功率器件正常可靠工作及系統的安全穩定運行密不可分。通過門極驅動電路進行狀態監測與保護是目前能夠對IGBT模塊實現故障診斷最快的方法。但IGBT模塊通常采用密閉封裝，無法開封放入測量裝置，使得狀態監測遇到較大阻礙。

已有研究表明，隨著IGBT模塊的逐漸老化，其外部特性參數會呈現出一定的變化趨勢，能夠反映出器件的老化水平。因此，通過驅動電路監測相關狀態參數，對當前運行狀態進行判斷，能夠為IGBT的老化失效與健康管理奠定研究基礎。

論文所解決的問題及意義

本文提出一種基于量化電壓并行比較的IGBT狀態監測保護電路，通過設定量化電壓，將狀態參數的檢測值進行量化，利用邏輯輸出判斷IGBT模塊的健康狀態。

構建多芯片并聯封裝IGBT模塊的等效電路模型，分析模塊內部寄生參數對飽和導通壓降Vce(sat)、短路電流Isc、開通延遲時間tdon及門極峰值電流Igpeak等狀態參數的影響，并根據其變化范圍構建IGBT模塊的全壽命安全工作區，為量化電壓的設定提供依據。以Vce(sat)與tdon作為檢測信號，通過量化電壓并行比較的方法實時監測并辨別短路故障與老化程度，從而保護IGBT模塊，提高器件運行可靠性。

論文方法及創新點

如圖1所示，為多芯片并聯封裝IGBT模塊的等效電路，將寄生參數改變、芯片開路故障兩種情況作為鍵合線老化脫落的標準，對飽和導通壓降Vce(sat)、短路電流Isc、開通延遲時間tdon及門極峰值電流Igpeak等狀態參數進行定量分析。

根據理論推導與仿真分析，隨著IGBT模塊內部鍵合線逐漸老化脫落，飽和導通壓降Vce(sat)逐漸增大，短路電流Isc與門極峰值電流Igpeak均呈現出下降趨勢，而開通延遲時間tdon有所不同，當鍵合線脫落導致寄生參數改變時，tdon會增大，當鍵合線脫落導致芯片開路故障時，tdon則會減小，如表1所示。此外，相比于寄生參數改變，當模塊內部發生芯片開路故障時，各狀態參數的變化較大。

圖1 多芯片并聯IGBT模塊等效電路

表1 不同老化情況下的狀態參數變化趨勢

因此，利用IGBT模塊內部發生開路故障的芯片數量表征其老化程度，并分為正常狀態，老化早期、老化晚期與臨界失效四種，各狀態參數從IGBT模塊正常狀態至臨界失效的變化范圍共同構成全壽命安全工作區。

相比于正常狀態，隨著IGBT模塊老化程度不斷加深，各狀態參數的變化也會逐漸增大。當其處于臨界失效時，各狀態參數發生最大范圍改變。不同老化程度下的各狀態參數可利用輸出特性曲線、短路特性及內部寄生參數計算獲得，以上條件均可通過查詢相應型號IGBT模塊的數據手冊獲得。

如圖2所示，為狀態監測電路示意圖，選取Vce(sat)、tdon作為采集對象，根據全壽命安全工作區設定多個量化閾值，其中Vref1~Vref3為Vce(sat)的狀態監測閾值，Vref5為tdon的結束判別閾值，Vref4、Vref6為短路故障檢測閾值。

與Vce(sat)狀態監測不同，tdon狀態監測需要通過軟件編程實現延時測量與狀態監測。利用Vce(sat)及tdon檢測電路，將狀態參數的檢測值與設定閾值相比較，使得IGBT驅動電路能夠對模塊的老化情況進行實時監測、識別與警告。

為了驗證狀態監測方案的可行性，利用Pspice搭建相應的電路模型，通過逐漸增大負載電流模擬飽和導通壓降Vce(sat)不斷上升的趨勢，仿真波形如圖3所示，驗證該方法的正確性與可行性。

圖2 狀態監測電路

圖3 Vce(sat)狀態監測仿真波形

結論

本文提出了一種基于量化電壓并行比較的IGBT狀態監測保護電路，并通過Pspice仿真驗證了該方法的可行性。通過理論分析與仿真驗證，Vce(sat)、短路電流Isc、開通延遲時間tdon及門極峰值電流Igpeak等狀態參數隨著IGBT模塊老化程度的不斷加深會呈現相應的變化趨勢，并構成相應的全壽命安全工作區。

以IGBT驅動電路為基礎，針對Vce(sat)及tdon等狀態參數設定多個量化閾值并實時監測，根據比較電路的邏輯輸出來判斷IGBT模塊的老化程度，對其可靠性研究具有參考意義。

引用本文

黃先進, 李鑫, 劉宜鑫, 王風川, 高冠剛. 基于量化電壓并行比較的 IGBT 狀態監測保護電路[J]. 電工技術學報, 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.