一種快速檢測IGBT元件自損壞的方法

　　1　引言

　　某廠五機架軋機主傳動裝置采用日立公司hivectol-con/vsi-mh系列交-直-交3電平pwm大容量變頻傳動裝置。其中最大容量為8800kva，采用4組igbt單元并聯組成，每個單元中功率元件采用三菱3.3kv/1.2ka大容量igbt。自投運以來，先后發生多起igbt及快熔大面積擊穿燒損的重大故障。例如在2005年12月的一次故障中，一套整流器內的所有12個igbt單元、12個快熔全部燒毀，故障處理時間超過33h，直接經濟損失達131.7萬元，嚴重影響工廠的正常生產。經過檢查分析，發現故障的起因是整流器r相1個igbt元件劣化自損壞引起，而由于原系統igbt脈沖封鎖過程時間過長，造成故障大面積擴大。

　　經過改進，投入了一種新的igbt元件自損快速檢測裝置，使檢測判斷、脈沖封鎖等過程時間只需幾十微秒，大大降低了故障擴大化的可能性。工廠多次重復試驗也證明了該方法的有效性。

　　2　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。

　　(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。

　　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。

　　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igbtoff指令發出時才可以判斷igbt是否自損壞。

　　4　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。

　　5　結束語

　　從2006年5月到2006年10月，將這種快速檢測igbt元件自損壞的方法對所有主傳動系統進行分期分批改造，改造后效果良好，設備運行穩定，再沒有出現igbt與快熔大面積損壞的現象。