一種快速檢測(cè)IGBT元件自損壞的方法

　　1　引言

　　某廠五機(jī)架軋機(jī)主傳動(dòng)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(dòng)裝置。其中最大容量為8800kva，采用4組igbt單元并聯(lián)組成，每個(gè)單元中功率元件采用三菱3.3kv/1.2ka大容量igbt。自投運(yùn)以來，先后發(fā)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(nèi)的所有12個(gè)igbt單元、12個(gè)快熔全部燒毀，故障處理時(shí)間超過33h，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)131.7萬(wàn)元，嚴(yán)重影響工廠的正常生產(chǎn)。經(jīng)過檢查分析，發(fā)現(xiàn)故障的起因是整流器r相1個(gè)igbt元件劣化自損壞引起，而由于原系統(tǒng)igbt脈沖封鎖過程時(shí)間過長(zhǎng)，造成故障大面積擴(kuò)大。

　　經(jīng)過改進(jìn)，投入了一種新的igbt元件自損快速檢測(cè)裝置，使檢測(cè)判斷、脈沖封鎖等過程時(shí)間只需幾十微秒，大大降低了故障擴(kuò)大化的可能性。工廠多次重復(fù)試驗(yàn)也證明了該方法的有效性。

　　2　igbt元件保護(hù)幾種方法以及優(yōu)缺點(diǎn)

　　由于igbt元件電流、電壓能力的限制，在實(shí)際使用的大容量傳動(dòng)裝置系統(tǒng)中，往往采用多并聯(lián)形式。如果發(fā)生某個(gè)igbt元件擊穿等短路故障時(shí)，若不及時(shí)快速封鎖igbt脈沖，就可能導(dǎo)致并聯(lián)回路中大量igbt損壞，擴(kuò)大故障范圍。

　　在傳動(dòng)裝置系統(tǒng)中，進(jìn)、出線主回路一般都設(shè)置有霍爾ct，用于檢測(cè)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(fā)出重故障跳閘信號(hào)，就要快速封鎖脈沖，保護(hù)igbt元件。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)負(fù)載引起的過流保護(hù)效果比較明顯，但缺點(diǎn)是過流檢出到脈沖封鎖的過程時(shí)間太長(zhǎng)，需要幾個(gè)毫秒，而且直流回路的短路也保護(hù)不了(實(shí)際系統(tǒng)中沒有直流回路電流檢測(cè)ct)。因此，僅靠該保護(hù)方式顯然不能滿足igbt保護(hù)的實(shí)際要求。

　　為此，還必須采取其它的快速檢測(cè)方法。目前常用的方法有以下幾種：

　　(1)igbt vce電壓監(jiān)測(cè)法

　　這是比較常用的方法。利用集電極電流ic升高時(shí)vge或vce也會(huì)升高的這一現(xiàn)象，當(dāng)vge或vce超過設(shè)定允許值時(shí)，輸出信號(hào)去封鎖igbt的脈沖。由于vge在發(fā)生故障時(shí)變化較小，難以掌握，一般較少使用。而vce的變化較大，因此實(shí)際中一般常常采用vce監(jiān)測(cè)法來對(duì)igbt進(jìn)行保護(hù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)靈敏，動(dòng)作迅速，有效地避免了并聯(lián)回路igbt大面積損壞。但這種方法的缺點(diǎn)也比較明顯：需要配線，將每個(gè)igbt的集電極與發(fā)射極之間的電壓信號(hào)引入脈沖驅(qū)動(dòng)板。另外由于igbt關(guān)斷時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的電壓比較高，需要增加脈沖放大板相應(yīng)的絕緣與電位隔離措施。圖1是利用檢測(cè)集電極與發(fā)射極之間電壓vce對(duì)igbt進(jìn)行保護(hù)的一個(gè)例子。

　　(2)igbt門極電壓fb監(jiān)控法

　　通過監(jiān)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(dòng)裝置中的所有igbt元件，其原理如圖2所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較實(shí)用。缺點(diǎn)是只有當(dāng)某個(gè)igbt損壞時(shí)才能判斷出，對(duì)一般的過流不起作用。而且，由于igbt損壞短路時(shí)，因?yàn)榉糯蟀迳想娙莸淖饔?，門極電壓vce變化緩慢，一般需要經(jīng)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(lián)回路大量igbt就可能受到損害，擴(kuò)大了故障范圍。

　　3　一種新型igbt元件自損快速檢測(cè)法(即門極電流ig檢測(cè)法)

　　當(dāng)igbt元件損壞時(shí)，門極與發(fā)射極之間也被擊穿，但由于結(jié)電容的作用，門極電壓變化緩慢。但根據(jù)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(zhǔn)確、快速地判斷igbt是否損壞。一旦檢測(cè)到某個(gè)igbt損壞，立即封鎖igbt脈沖指令，能完全避免并聯(lián)回路大量igbt損壞，不會(huì)擴(kuò)大故障范圍。具體原理圖如圖4所示。

　　igbt元件正常時(shí)，當(dāng)門極電壓給定信號(hào)從on切換成off后，igbt門極電流ig數(shù)值比較小，具體數(shù)值與igbt元件有關(guān)，我們已經(jīng)掌握了三菱3.3kv/1.2ka大容量igbt的電流數(shù)值以及延時(shí)時(shí)間。igbt損壞時(shí)門極電流變化以及檢出如圖5所示。當(dāng)檢測(cè)出igbt有異常時(shí)，立即發(fā)出脈沖封鎖命令，防止故障擴(kuò)大化。

　　該方式的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)、封鎖時(shí)間極短，只有幾個(gè)微秒，能完全避免igbt大面積損壞。缺點(diǎn)是在igbt導(dǎo)通工作時(shí)，無法判斷其是否異常，只有在igbtoff指令發(fā)出時(shí)才可以判斷igbt是否自損壞。

　　4　現(xiàn)場(chǎng)改造及效果

　　原來現(xiàn)場(chǎng)變頻器中采用的是門極電壓fb監(jiān)控法。由于脈沖封鎖無法快速及時(shí)，在某個(gè)igbt損壞時(shí)造成其它igbt大面積損壞，故障損失慘重，必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)改造。

　　如果采用vce電壓監(jiān)測(cè)法對(duì)igbt過電流進(jìn)行保護(hù)，雖然比較成熟和常用，但需要對(duì)原變頻器大動(dòng)干戈，主回路要增加很多接線，脈沖放大板的改動(dòng)量也較大。同時(shí)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(jiān)測(cè)法不適合采用。

　　采用門極電流ig檢測(cè)法就方便、簡(jiǎn)單許多。只要在原變頻器igbt保護(hù)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改造，增加igbt門極電流檢測(cè)功能即可。這樣一旦門極導(dǎo)通電流超過設(shè)定值，且經(jīng)過x微秒左右的延時(shí)后，門極電流仍然超過設(shè)定值，就判斷該igbt損壞或異常，立刻發(fā)出所有igbt脈沖封鎖指令，及時(shí)進(jìn)行有效保護(hù)，防止大面積igbt損壞。

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

　　5　結(jié)束語(yǔ)

　　從2006年5月到2006年10月，將這種快速檢測(cè)igbt元件自損壞的方法對(duì)所有主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分期分批改造，改造后效果良好，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，再?zèng)]有出現(xiàn)igbt與快熔大面積損壞的現(xiàn)象。