一种自发短路电流实现IGBT状态监测的驱动电路

一种自发短路电流实现igbt状态监测的驱动电路
技术领域
1.本发明涉及igbt驱动电路及故障监测技术领域，特别是涉及一种自发短路电流实现igbt状态监测的驱动电路。


背景技术：

2.随着我国对新能源科技的大力发展，风力发电、智能电网、新能源汽车等工业市场在不断的增长。igbt(绝缘栅双极晶体管)由于其优异的导通和开关性能，已经成为新能源变流系统的核心器件，但在其运行过程中要面临高温、高压、过流等各种恶劣工况，极易造成igbt的损坏。根据研究显示，igbt的服役时间越长，故障率就越大，其主要故障形式是键合线断裂。当键合线断裂数量到达一定的值时，igbt就会发生老化失效，危害整个系统的安全。因此，对igbt进行状态监测，在发生老化失效前更换igbt，对整个系统的经济和安全都具有重大意义。
3.键合线在igbt模块的内部具有重要作用，可实现igbt芯片的顶部与输出端子之间的电气连接。当igbt发生键合线断裂时，会改变内部的电阻、电感等分布参数，造成igbt外部电气量的变化。通过监测相应电气量的变化就可以监测igbt的状态，从而判断igbt是否发生老化失效。
4.igbt驱动电路与igbt密切相关，是控制igbt正常工作的重要保障。通过igbt驱动电路监测igbt的状态能够快速、准确地对igbt电气量的变化进行识别判定，无需对igbt进行拆卸，可实现在线监测的功能。
5.现有专利技术一，其申请号：cn201610223894.x，公布号：cn105911446a公开了igbt老化状态监测方法及装置，其方法如下：利用一种门极电压可连续变化的igbt驱动电路和直流电源，监测过程和数据的采集处理均由上位机完成。在igbt关断的过程中，门极电压缓慢减小到阈值电压以下，通过数据采集卡获得连续变化的门极电压和集电极电流，最终获得igbt的传输特性曲线，依据传输特性的变化可实现对igbt老化状态的监测。
6.该技术方案无法实现对igbt的在线监测，需对igbt进行拆卸，而拆卸的过程更易造成igbt的损坏，影响测量结果。在该技术方案中，数据的采集和处理均需要上位机的参与，增大了监测系统的体积，增加了操作的复杂性。
7.现有专利技术二，其申请号：cn201610537013.1，公布号：cn106249069a公开了一种igbt模块在线监测方法，其方法如下：由一个测试igbt和一个待测igbt构成桥式测量电路，由控制器向两个igbt发送不同的控制信号，使待测igbt处于短路工况，依据短路电流的大小监测igbt的老化状态。
8.该技术方案中对igbt的状态监测至少需要两个igbt，增大了监测系统的成本；并且该技术方案中的短路能量由变流系统提供，短路过程会对变流系统造成冲击，减小整个系统的寿命。


技术实现要素：

9.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种自发短路电流实现igbt状态监测的驱动电路，在不改变电力电子装置系统硬件结构，无需拆卸igbt的情况下，实现对igbt特征参数及工况的在线监测。监测过程无需手动操作，不必增加专门的控制系统，也无需修改原控制系统的运行状态，由集成状态监测功能的驱动电路自行判断igbt的健康状态，降低状态监测的成本和操作的复杂度。
10.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
11.一种自发短路电流实现igbt状态监测的驱动电路，包括高压隔离多路输出电源、欠压检测单元、短路检测单元、驱动信号功率处理单元、逻辑控制单元、信号采集单元、结温监测单元和igbt自发短路单元。
12.高压隔离多路输出电源用于为驱动板各个功能单元提供不同等级电源。
13.欠压检测单元用于高压隔离多路输出电源的掉电保护，并将欠压检测信号发送给逻辑控制单元，若高压隔离多路输出电源发生欠压，则触发欠压保护功能，逻辑控制单元会发送igbt关断信号。
14.驱动信号功率处理单元连接到igbt的门极端子，用于接收来自逻辑控制单元的信号，通过开关不同的mos管来调整igbt的门极电压，从而控制igbt的开通与关断。
15.逻辑控制单元是整个驱动电路的数据处理核心，用于对接收到的信号进行各种逻辑处理运算，并控制不同单元的工作时刻及工作方式。
16.短路检测单元连接到igbt的功率集电极端子和辅助发射极端子，用于在普通驱动模式下监测igbt短路工况，当igbt发生短路故障后，短路检测单元会将短路故障信号发送给逻辑控制单元，逻辑控制单元发出igbt关断信号。
17.信号采集单元连接到igbt的功率集电极端子和辅助发射极端子，用于采集igbt的集电极和发射极之间的电压信号，并将采集到的电压信号送入逻辑控制单元。若驱动电路进入状态监测模式，信号采集单元也可以采集igbt自发短路单元的短路电流信号，并将短路电流信号送入逻辑控制单元。
18.结温监测单元连接到igbt的功率集电极端子和辅助发射极端子，用于对igbt结温进行识别并产生结温判定信号。结温监测单元将结温判定信号送入逻辑控制单元，逻辑控制单元判断并控制igbt自发短路单元是否工作。
19.igbt自发短路单元连接到igbt的功率集电极端子、辅助发射极端子和门极端子，接收来自逻辑控制单元的信号，可实现igbt的自发短路。
20.逻辑控制单元依据信号采集单元采集到的集电极和发射极之间电压信号与控制信号进行判断，确定驱动电路的工作模式。若驱动电路为普通驱动模式，则驱动电路依据控制信号正常的开关igbt模块。若驱动电路为状态监测模式，则会率先使能结温监测单元。在结温满足要求的情况下，使能igbt自发短路单元，igbt经驱动板形成短路回路，产生短路电流，信号采集单元采集来自igbt自发短路单元的短路电流信号，并将采集到的短路电流信号送入逻辑控制单元，逻辑控制单元依据采集到的短路电流信号相应的判断igbt的老化状态。
21.igbt自发短路单元包括恒压源、多个电容、开关s1和mos管m3。恒压源与多个电容并联连接，共同为igbt提供短路电流；mos管m3连接到igbt的门极端子。igbt自发短路单元
通过控制开关s1来控制igbt的自发短路，当s1闭合时，igbt经驱动板形成短路回路，产生短路电流。在igbt自发短路之前，mos管m3会开通，将igbt的门极电压调整为设定值v
cc2
，该设定值略大于igbt的门极阈值电压。
22.驱动信号功率处理单元由两个mos管和两个门极电阻构成。
23.逻辑控制单元由逻辑控制芯片和外部信号处理电路构成。
24.短路检测单元由电压采样电路、比较器电路和短路阈值设定电路构成。
25.信号采集单元由多个差分运放电路、多个比较器电路和多个阈值设定电路构成。
26.结温监测单元由一恒流源电路和集射极电压采样电路构成。
27.本发明的有益效果：
28.(1)将igbt状态监测电路集成在驱动电路上，在不改变电力电子装置系统硬件结构，无需拆卸igbt的情况下，实现对igbt特征参数及工况的在线监测。
29.(2)监测过程无需手动操作，不必增加专门的控制系统，也无需修改原控制系统的运行状态，由集成状态监测功能的驱动电路自行判断igbt的健康状态，可降低状态监测的成本和操作的复杂度。
30.(3)对驱动电路的工作模式进行划分，通过设定相应的判定条件，在保证igbt正常驱动功能不受影响的同时，实现了igbt的在线监测功能。
31.(4)通过同时监测短路电流和结温的方式实现igbt的在线监测，保证了监测数据的准确性；同时数据的采集和处理均由驱动电路完成，降低了数据在传输过程中出现误差的可能性，提高了检测结果的可靠性。
附图说明
32.本发明有如下附图：
33.图1本发明驱动电路与igbt电气连接示意图。
34.图2本发明自发短路电流实现igbt状态监测的驱动电路结构示意图。
35.图3本发明不同门极电压下的igbt短路电流曲线。
具体实施方式
36.以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。
37.本发明提出一种自发短路电流实现igbt状态监测的驱动电路，其与igbt的电气连接如图1所示。该驱动电路需要连接到igbt的功率集电极端子、门极端子和辅助发射极端子，用于实现设计的功能。该驱动电路可以接收来自控制器的控制信号，同时也可以输出反馈信号给控制器。
38.本发明的一种自发短路电流实现igbt状态监测的驱动电路，其电路结构图如图2所示。该驱动电路除了具有欠压检测、短路检测、逻辑处理和功率放大等传统功能外，新增了状态监测的功能。状态监测的功能采用“结温监测单元+信号采集单元+igbt自发短路单元”的结构，能够通过驱动电路使igbt形成短路回路，产生短路电流。在igbt结温满足要求的情况下，驱动板通过监测igbt的短路电流就可以在线监测igbt键合线断裂引起的老化失效。以英飞凌的ff450r12me4为例，数据手册中给出了健康状态下不同门极电压的igbt短路电流曲线(转移特性曲线)，如图3所示，以此曲线为判断依据，当同等温度和门极电压下的
短路电流小于曲线上的值，则判定igbt发生老化失效。
39.本发明的一种自发短路电流实现igbt状态监测的驱动电路具有两种工作模式：普通驱动模式和状态监测模式。普通驱动模式为驱动电路的首选工作模式，无需任何设置即可正常地驱动和保护igbt；而状态监测模式依据驱动电路采集的外部信号决定何时启动，当采集到的信号满足判定条件时，驱动电路进入状态监测模式，自发产生短路电流并检测短路电流的大小，最终由驱动电路自行判断igbt的老化状态。状态监测功能是在普通驱动功能基础上新增的专用功能，只在igbt不工作时，驱动电路才进入状态监测模式。以变流器igbt为例，只有当变流器不工作、主功率回路下电时，驱动电路才进入状态监测模式。驱动电路的状态监测模式判定的依据是：驱动电路输入的控制信号为关断信号且采集到的igbt集射极电压小于设定值。否则，驱动电路工作在普通驱动模式。
40.本发明的自发短路电流实现igbt状态监测的驱动电路，其电路结构及工作原理如下：
41.高压隔离多路输出电源，用于为驱动板各个功能单元提供不同等级电源。
42.欠压检测单元，用于高压隔离多路输出电源的掉电保护，并将欠压检测信号发送给逻辑控制单元，若高压隔离多路输出电源发生欠压，则触发欠压保护功能，逻辑控制单元会发送igbt关断信号。
43.驱动信号功率处理单元，由两个mos管和两个门极电阻构成，连接到igbt的门极端子。驱动信号功率处理单元用于接收来自逻辑控制单元的信号，通过开关不同的mos管来调整igbt的门极电压，从而控制igbt的开通与关断。
44.逻辑控制单元，是整个驱动电路的数据处理核心，用于对接收到的信号进行各种逻辑处理运算，并控制不同单元的工作时刻及工作方式，其主要由一逻辑控制芯片和外部信号处理电路构成。
45.短路检测单元，主要由电压采样电路、比较器电路和短路阈值设定电路构成，用于在普通驱动模式下监测igbt短路工况，连接到igbt的功率集电极端子和辅助发射极端子。当igbt发生短路故障后，短路检测单元会将短路故障信号发送给逻辑控制单元，逻辑控制单元发出igbt关断信号，以保护igbt。
46.信号采集单元，由多个差分运放电路、多个比较器电路和多个阈值设定电路构成，连接到igbt的功率集电极端子和辅助发射极端子，可以采集igbt的集电极和发射极之间的电压信号，并将采集到的电压信号送入逻辑控制单元。
47.逻辑控制单元依据信号采集单元采集到的电压信号和控制信号进行判断，确定驱动电路的工作模式。若驱动电路为普通驱动模式，则驱动电路依据控制信号正常的开关igbt模块。若驱动电路为状态监测模式，则会率先使能结温监测单元；在结温满足要求的情况下，使能igbt自发短路单元，igbt经驱动板形成短路回路，产生短路电流，信号采集单元采集来自igbt自发短路单元的短路电流信号，并将采集到的短路电流信号送入逻辑控制单元，逻辑控制单元依据采集到的短路电流信号相应的判断igbt的老化状态。
48.结温监测单元，由一恒流源电路和集射极电压采样电路构成，连接到igbt的功率集电极端子和辅助发射极端子，用于对igbt结温进行识别并产生结温判定信号。结温监测单元将结温判定信号送入逻辑控制单元，逻辑控制单元判断并控制igbt自发短路单元是否工作。
49.igbt自发短路单元，连接到igbt的功率集电极端子、辅助发射极端子和门极端子，并接收来自逻辑控制单元的信号。
50.igbt自发短路单元包括恒压源、多个电容、开关s1和mos管m3。恒压源与多个电容并联连接，共同为igbt提供短路电流；mos管m3连接到igbt的门极端子。igbt自发短路单元通过控制开关s1来控制igbt的自发短路，当s1闭合时，igbt经驱动板形成短路回路，产生短路电流。在igbt自发短路之前，mos管m3会开通，将igbt的门极电压调整为设定值v
cc2
，该设定值略大于igbt的门极阈值电压，设置v
cc2
的目的是为了降低短路电流，保证igbt的安全。
51.以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
52.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。