一种快速检测IGBT元件自损坏的方法

    1、引言

    某厂五机架轧机主传动装置采用日立公司hivectol-con/vsi-mh系列交-直-交3电平pwm大容量变频传动装置。其中最大容量为8800kva，采用4组igbt单元并联组成，每个单元中功率元件采用三菱3.3kv/1.2ka大容量igbt。自投运以来，先后发生多起igbt及快熔大面积击穿烧损的重大故障。例如在2005年12月的一次故障中，一套整流器内的所有12个igbt单元、12个快熔全部烧毁，故障处理时间超过33h，直接经济损失达131.7万元，严重影响工厂的正常生产。经过检查分析，发现故障的起因是整流器r相1个igbt元件劣化自损坏引起，而由于原系统igbt脉冲封锁过程时间过长，造成故障大面积扩大。

    经过改进，投入了一种新的igbt元件自损快速检测装置，使检测判断、脉冲封锁等过程时间只需几十微秒，大大降低了故障扩大化的可能性。工厂多次重复试验也证明了该方法的有效性。

    2、igbt元件保护几种方法以及优缺点

    由于igbt元件电流、电压能力的限制，在实际使用的大容量传动装置系统中，往往采用多并联形式。如果发生某个igbt元件击穿等短路故障时，若不及时快速封锁igbt脉冲，就可能导致并联回路中大量igbt损坏，扩大故障范围。

    在传动装置系统中，进、出线主回路一般都设置有霍尔ct，用于检测主回路电流，并通过主控板的硬件和软件来处理、判断过流情况。如果发出重故障跳闸信号，就要快速封锁脉冲，保护igbt元件。其优点是对负载引起的过流保护效果比较明显，但缺点是过流检出到脉冲封锁的过程时间太长，需要几个毫秒，而且直流回路的短路也保护不了(实际系统中没有直流回路电流检测ct)。因此，仅靠该保护方式显然不能满足igbt保护的实际要求。

    为此，还必须采取其它的快速检测方法。目前常用的方法有以下几种:

    (1) igbt vce电压监测法
   
    这是比较常用的方法。利用集电极电流ic升高时vge或vce也会升高的这一现象，当vge或vce超过设定允许值时，输出信号去封锁igbt的脉冲。由于vge在发生故障时变化较小，难以掌握，一般较少使用。而vce的变化较大，因此实际中一般常常采用vce监测法来对igbt进行保护。这种方法的优点是检测灵敏，动作迅速，有效地避免了并联回路igbt大面积损坏。但这种方法的缺点也比较明显:需要配线，将每个igbt的集电极与发射极之间的电压信号引入脉冲驱动板。另外由于igbt关断时，集电极与发射极之间的电压比较高，需要增加脉冲放大板相应的绝缘与电位隔离措施。图1是利用检测集电极与发射极之间电压vce对igbt进行保护的一个例子。

图1 vce电压监测以及保护的原理

    (2) igbt门极电压fb监控法
   
    通过监控igbt元件的门极电压vge来判断igbt元件是否损坏。如果判断出igbt元件损坏，立即快速封锁传动装置中的所有igbt元件，其原理如图2所示。这种方法的优点是结构简单，比较实用。缺点是只有当某个igbt损坏时才能判断出，对一般的过流不起作用。而且，由于igbt损坏短路时，因为放大板上电容的作用，门极电压vce变化缓慢，一般需要经过1ms左右的延迟才能正确判断和封锁脉冲，如图3所示。在这期间，并联回路大量igbt就可能受到损害，扩大了故障范围。

图2 门极电压检测以及保护原理图

图3 igbt损坏时门极电压变化及检出

    3、一种新型igbt元件自损快速检测法(即门极电流ig检测法)
   
    当igbt元件损坏时，门极与发射极之间也被击穿，但由于结电容的作用，门极电压变化缓慢。但根据电路理论i=cdu/dt可知，门极电流ig变化比门极电压vge快得多。因此，可以综合igbt的门极脉冲指令与门极电流来准确、快速地判断igbt是否损坏。一旦检测到某个igbt损坏，立即封锁igbt脉冲指令，能完全避免并联回路大量igbt损坏，不会扩大故障范围。具体原理图如图4所示。

图4 门极电流检测以及保护原理图

    igbt元件正常时，当门极电压给定信号从on切换成off后，igbt门极电流ig数值比较小，具体数值与igbt元件有关，我们已经掌握了三菱3.3kv/1.2ka大容量igbt的电流数值以及延时时间。igbt损坏时门极电流变化以及检出如图5所示。当检测出igbt有异常时，立即发出脉冲封锁命令，防止故障扩大化。
   
    该方式的优点是检测、封锁时间极短，只有几个微秒，能完全避免igbt大面积损坏。缺点是在igbt导通工作时，无法判断其是否异常，只有在igbt off指令发出时才可以判断igbt是否自损坏。

图5 igbt损坏时门极电流变化以及检出

    4、现场改造及效果
   
    原来现场变频器中采用的是门极电压fb监控法。由于脉冲封锁无法快速及时，在某个igbt损坏时造成其它igbt大面积损坏，故障损失惨重，必须对现场进行技术改造。
   
    如果采用vce电压监测法对igbt过电流进行保护，虽然比较成熟和常用，但需要对原变频器大动干戈，主回路要增加很多接线，脉冲放大板的改动量也较大。同时由于原变频器没有太多空间来布线及采取绝缘措施，无论从改造工作量和成本上都不太可行。所以vce电压监测法不适合采用。
   
    采用门极电流ig检测法就方便、简单许多。只要在原变频器igbt保护功能的基础上进行局部改造，增加igbt门极电流检测功能即可。这样一旦门极导通电流超过设定值，且经过x微秒左右的延时后，门极电流仍然超过设定值，就判断该igbt损坏或异常，立刻发出所有igbt脉冲封锁指令，及时进行有效保护，防止大面积igbt损坏。

图6 改造后的保护原理图

    图6为改造后的保护原理图，其中灰色部分是新增的门极电流ig检测功能部分。
   
    5、结束语
   
    从2006年5月到2006年10月，将这种快速检测igbt元件自损坏的方法对所有主传动系统进行分期分批改造，改造后效果良好，设备运行稳定，再没有出现igbt与快熔大面积损坏的现象。