论文题目：具有健康状态监测功能的IGBT驱动电路

摘要：大功率IGBT模块广泛应用于现代电能的高效变换、传输与利用,是大容量变流装置的核心器件。而IGBT能否发挥其最优性能,系统工况能否正常运行,关键在于IGBT驱动电路能否实现合理匹配。适当的门极驱动电路能够确保IGBT器件可靠开关,使IGBT模块工作在其安全工作区,并可降低开关应力,减少开关损耗。目前市面上绝大多数商业化IGBT驱动电路都采用传统的阻控型门极驱动技术,包括恒定电压、电阻驱动电路和基本的过欠压及短路过流故障检测,再辅以门极有源钳位或软关断技术。极少数IGBT驱动产品新增了驱动电源保护、有源门极驱动或多电平软关断技术,提升了控制精度与保护性能。现阶段,IGBT驱动电路仅能够根据当前时刻的运行工况,对IGBT模块进行驱动及保护。随着门极驱动技术精细化、智能化以及驱动控制回路特征参数大数据挖掘技术的发展,通过驱动电路对IGBT器件开通关断运行状态进行全面监测已成为一种可能。本文提出一种具有健康状态监测功能的IGBT驱动电路方案,以期对IGBT模块全寿命周期运行特性参数的变化进行监测,从底层对IGBT变流器运行维护提供保障。论文首先调研了现有IGBT器件参数的运行特性以及IGBT驱动电路的基本功能构造,构建了IGBT模块等效电路模型,推导分析出模块内部寄生参数对饱和导通压降Vce（sat）、短路电流Isc、开通延迟时间tdon及门极峰值电流Igpeak等状态参数的影响规律,并利用其在不同老化程度下的变化范围构建IGBT模块的全寿命安全工作区。对IGBT驱动电路的状态检测原理及实现方法进行了分析比对。论文对IGBT过流短路检测方法进行了研究,并对短路故障的保护策略和故障反馈方法进行了介绍。针对IGBT器件短路耐受能力,提出了一种利用驱动电路核心控制芯片检测记录并反馈短路次数的方法,通过对累计短路故障次数进行记录与反馈。该方案可实现驱动电路重新上电不丢失原有短路故障次数的功能,保证与驱动电路适配的IGBT器件全寿命周期的短路状态监测。论文以Vce（sat）与tdon作为观测对象,研究了基于IGBT器件全寿命安全工作区的特定阈值设定,提出了一种量化电压并行比较状态参数检测方法。通过对观测信号进行量化检测,基于阈值量化多级比较电路的比较逻辑输出实时监测并归纳特征参数的变化区间,判定IGBT器件的老化程度,实现对IGBT模块运行生命周期的预测。论文最后介绍了集成短路状态监测与全寿命周期运行状态监测的IGBT驱动电路的总体设计方案,研制了驱动电路样品,进行了驱动电路的焊接调试。搭建低压和高压实验平台,对IGBT驱动电路进行弱电功能测试及开关特性测试,实验结果验证了本文提出的集成健康状态监测功能的驱动电路方案的可行性。

关键词：短路检测与记录;状态参数;量化电压;全寿命安全工作区;IGBT驱动电路

学科专业：电气工程

致谢

摘要

ABSTRACT

1 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 IGBT模块技术

1.2.2 IGBT门极驱动技术

1.2.3 IGBT状态检测技术

1.3 论文主要研究内容

2 IGBT模块工作状态特性

2.1 IGBT模块关键状态参数

2.1.1 IGBT状态参数理论分析与公式推导

2.1.2 全寿命安全工作区

2.1.3 状态参数变化趋势及范围仿真分析

2.2 IGBT驱动电路状态检测技术

2.2.1 IGBT正常工况检测

2.2.2 IGBT故障工况检测

2.3 本章小结

3 集成健康状态监测的IGBT驱动电路

3.1 短路故障状态检测与记录方法

3.1.1 短路故障状态检测与记录理论分析

3.1.2 短路故障状态检测与记录仿真分析

3.2 量化电压并行比较状态参数检测方法

3.2.1 量化电压并行比较检测方法理论分析

3.2.2 量化电压并行比较检测方法仿真分析

3.3 IGBT驱动电路总体设计方案

3.3.1 功能层叠型驱动保护电路

3.3.2 驱动电路控制逻辑

3.4 本章小结

4 IGBT驱动电路实验及结果分析

4.1 驱动电路控制逻辑测试

4.1.1 模拟短路保护实验

4.1.2 短路故障次数记录与反馈实验

4.2 双脉冲实验

4.3 短路实验

4.4 V_(ce(sat))状态监测实验

4.4.1 模拟老化实验

4.4.2 单脉冲功率实验

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 后续工作展望

参考文献