（物理电子学专业论文）逆变器中igbt的保护和故障诊断研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 基于i g b t 的逆变器由于受i g b t 稳定性和可靠性的影响，容易 出现烧坏、寿命不长等工程问题。因此研究基于i g b t 的逆变器的保 护与故障诊断，对于提高设备利用率和使用寿命、降低故障率等都具 有重要意义。本文设计了5 0 k v a 有源电力滤波器样机主电路和基于 波形相似匹配的逆变器故障诊断算法。 对于5 0 k v a 的a p f 主电路，本文设计了i g b t 的驱动和过流保 护电路、放电阻止型缓冲电路、散热措施和基于p t c 热敏电阻的过 热检测电路。驱动和过流保护模块具有通用性，该模块具有通用型外 围电路的接口，并且适用于1 2 0 0 v 1 7 0 0 v 且频率小于1 0 k h z 的i g b t 。 基于p t c 热敏电阻的过热检测电路具有多响应特点，能对不同的温 度发出报警信号和关断信号。a p f 样机实验结果表明i g b t 的驱动和 保护电路运行稳定，满足a p f 驱动和保护需求。 针对逆变器故障诊断算法，研究了基于小波变换和矩阵奇异值分 解的分类特征向量提取方法，采用基于h u f f m a n 树的支持向量机对历 史故障波形进行样本训练和对当前故障波形实现分类；建立统一的正 交基作为相似匹配的标准，实现类中故障波形的相似匹配。将该方法 与其它方法的对比实验结果表明，该方法在抗噪性和相似值准确性好 于直接小波法和小波奇异值法。文章搭建了逆变器p s p i c e 仿真平台 提供i g b t 的故障波形，验证故障诊断算法。 a p f 样机的运行结果和故障诊断算法的软硬实现，证明i g b t 驱 动和保护设计的有效性，并为基于波形的故障诊断奠定基础。 关键词逆变器，i g b t ，小波变换，故障诊断 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ei m p a c to fi g b t ss t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , t h ee n g i n e e r i n g p r o b l e mo fp o w e rd e v i c es u c ha se a s yf a i l u r ea n ds h o r tl i f ea leh a r dt o v o i d t h u s ，t h ep r o t c t i o nc i r c u i to fi g b t a n dt h ei n v e r t e rf a u l td i a g n o s i s a l g o r i t h mb a s e do nw a v e f o r ms i m i l a rm a t c h i n g ，w h i c ha r ev e r yu s e f u lt o i m p r o v el i f ea n de 伍c i e n t c yo fd e v i c ea n dt or e d u c ef a u l tr a t e 。a r e p r o p o s e di nt h i sp a p e r a i d e ra n a l y z i n gt h ec u r r e n t ，v o l t a g ea n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so f 5 0 k v aa p f ，d r i v e ra n do v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t ，r c ds u b b e r c i r c u i t ，o n l i n ea n dr e a l t i m eo v e r h e a t i n gd e t e c t i o nc i r c u i tb a s e do l lp t c t h e r m i s t o rw e r ed e s i g n e d t h eu n i v e r s a ld i r v e ra n do v e r - c u r r e n t p r o t e c t i o nm o d u l eh a dag e n e r a l - p u r p o s ep e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t sa n d w a ss u i t a b l ef o r12 0 0 v 一17 0 0 vi g b ta p p l i c a b l et ol e s st h a n10 k h z c i r c u m s t a n c e t h eo v e r h e a t i n gd e t e c t i o nc i r c u i tb a s e do np t ct h e r m i s t o r w i t hm u l t i r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sf o rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sc o u l ds e n d o f fa l a r ma n dc l o s es i g n a l t h er u n n i n gr e s u l t so fa p fp r o t o t y p es h o w t l l a ti g b td i r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i tw e r es t a b i l i t ya n dm e tt h en e e d so f 5 0 k v aa p f t h ef a u l td i a g n o s i sa l g o r i t h mi n c l u d e dc l a s s i f i c a t i o na n ds i m i l a r i t y m e a s u r e m e n t f i r s t ，f e a t u r ev e c t o ro fc l a s s i f i c a t i o nw a se x t r a c t e db y w a v e l e tt r a n s f o r ma n ds i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n t h e ns u p p o r tv e c t o r m a c h i n ew a sc a r r i e do u tt ot r a i nt h eh i s t o r yf a u l tw a v e f o r m sa n dc l a s s i f y c u r r e n tf a u l tw a v e f o r m l a s t ，t h es i m i l a r i t ym e a s u r e m e n tb e t w e e nc u r r e n t f a u l tw a v e f o r i l la n dc l a s s i f i e dh i s t o r yf a u l tw a v e f o r m sw e r ea c h i e v e db y w a v e l e tm a t r i xt r a n s f o r mb a s e do nu n i f o r mb a s i s e x p e r i m e n tr e s u l t s ， c o m p a r i n gp r o p o s e dm e t h o dw i t hp l a i nw a v e l e ta n dw a v e l e ts v d ，s h o w t h a tp r o p o s e dm e t h o d sw e r eb e t t e rt h e no t h e rt w om e t h o d si na n t i - n o i s e a b i l i t ya n da c c u r a c yo fs i m i l a r i t yv a l u e t h er u n n i n gr e s u l to fa p fp r o t o t y p ea n ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e p r a c t i c eo ft h ef a u l td i a g n o s i sa l g o r i t h mp r o o ft h ee f f e c t i v n e s so fi g b t p r o t e c t i o na n dl a i dt h ef o u n d a t i o no ft h ef a u l td i a g n o s i sb a s e do nf a u l t w a v e f o r m s k e yw o r d s i n v e r t e r ，i g b t ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，f a u l td i a g n o s i s i i 中南大学硕士学位论文 符号说明 a p f i g b t g 豫 m o s f e t c p l d p c a p w m p t c s v m d s p u s b 加 j 虹g g p r s s m s 符号说明 a c t i v ep o w e rf i l t e r有源电力滤波器 i n s u l a t e d - g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r 绝缘栅双极晶体管 g i a n tt r a n s i s t e r大功率晶体管 m e t a l l i co x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l d金属氧化物半导体场效 c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s p u l s ew i d t l lm o d u l a t i o n p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s u n i v e r s a ls e r i a lb u s a n a l o g d i g i t a l j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 应晶体管 可编程逻辑器件 主成份分析 脉( 波) 宽( 度) 调变 正温度系数 支持向量机 数字信号处理器 通用串行总线 数字模拟 连接测试 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线电业务 s h o r tm e s s a g es e r v i c e短信息服务 v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 期： 年阜月日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究课题的背景和意义 高电压变频器可用于变频调速领域，使得高效、合理地利用电能成为可能， a p f 具有对畸变电流动态补偿性能好、补偿灵活等优点，对改善电能质量具有良 好的应用前景，它们在节能降耗、改善电能质量等领域发挥了非常重要的作用 【1 】【2 1 。i g b t 是由g t r 和m o s f e t 组成的复合全控型电压驱动的电力电子器件。 它综合g t r 和m o s f e t 性能，具有通流能力强、开关速度快、输入阻抗高、热 稳定性好、驱动功率小、驱动电路简单等优点，由它构成的逆变器已经成为这些 电力电子变流装置的核心部件。目前，高压变频器和有源电力滤波器中逆变器的 控制理论和方法等问题有大量的研究成果【3 】【4 】，但是对于在逆变器中如何更好的 应用i g b t ，使其保持稳定和可靠的系统研究并不多。事实上，i g b t 因受暂态 过程的影响、缺乏有效的保护措施和故障检测方法等，至使在实际应用中常出现 过压、过流和过热等工程问题，造成高压变频器和有源电力滤波器等设备的应用 受限【5 1 。这是因为，针对这些设备控制理论和方法的研究都是对i g b t 的结构和 热参数进行宏观上的假设，很少去考虑在大功率、恶劣环境等条件下造成i g b t 的过压、长时间过流和过热等问题。而且，i g b t 有一定的正反向耐压值、正向 电流值和温度要求，过高的电压、电流和温度都会影响i g b t 的正常工作，甚至 造成i g b t 的损坏，以致以逆变器为主要部件的设备失效。 因此，本文针对有源电力滤波器的逆变器，研究其在运行态下i g b t 的过压、 过流和过热保护，以及i g b t 发生故障后的诊断故障，这对提高以逆变器为核心 部件的大功率变流设备的使用寿命、效率和降低故障率等，具有重要的意义。 1 2 逆变器中l g b t 研究现状 逆变器工作时，经常会遇到各种工作状况，如：过载、负载短路、桥臂直通、 过高的电流增长率、过高的电压增长率、散热不好或者故障导致器件过热等，这 些因素都会影响i g b t 的正常工作，导致i g b t 性能下降，甚至烧坏i g b t 。因 此为了保证逆变器的稳定运行，需要对i g b t 配备电保护、热保护和故障诊断装 置。i g b t 的电保护通常包括i g b t 的驱动、过电流保护和过电压保护；i g b t 的 热保护通常包括i g b t 的散热设计以及i g b t 的过热检测；i g b t 的故障诊断则 是针对故障i g b t 故障特征，进行快速故障定位并排除故障，最大限度减小大型 变流设备因i g b t 故障而造成的损失。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 逆变器中i g b t 的电保护 1 i g b t 的驱动和过电流保护 i g b t 是电压型驱动全控器件，因此i g b t 工作时，需要驱动电路提供稳定、 可靠的驱动电压。i g b t 驱动电路通常有分立元件组成的驱动电路、c m o s 集成 块组成的驱动电路、专用集成驱动模块组成的驱动电路等。分立元件组成的驱动 电路有脉冲变压器直接驱动电路和光隔离正负偏压双电源驱动电路。脉冲变压器 直接驱动电路的缺点是存在漏感和肌肤效应，使得绕组工艺复杂，并且容易出现 振荡。光隔离正负偏压双电源驱动电路采用信号电路与驱动电路的隔离，提高信 号传输速度；其驱动电路输出级采用互补电路，降低驱动源的内阻，加快了i g b t 的关断过程。虽然后者是前者的改善，但是由于分立元件组成的驱动电路元件过 多、不稳定等缺点较突出，因此其实际应用较少。c m o s 集成块组成的驱动电路 是对分立元件组成驱动电路的改进，其电路中添加了c m o s 模块，使得电路驱 动能力有所提高，并且具有过流保护功能。然而该电路工作频率不高，并且受到 c m o s 管电路最高工作电压的限制，使得驱动能力有限。上述两种类型驱动电路 虽然经济、结构简单，但是功能不全、驱动能力有限。因此，众多厂家推出了专 用集成驱动模块，如日本富士通的e x b 8 4 1 、日本英达h r 0 6 5 、日本三菱m 5 7 9 5 9 l 等1 6 1 。专用集成驱动模块集成众多功能，可靠性和实用性较突出，因此如今i g b t 的驱动大部分采用专用集成驱动模块。 i g b t 受电流耐受能力影响，需要过流保护电路1 7 1 。目前过流保护难点集中 在过流检测的机制和检测到过流后保护电路对i g b t 安全关断。i g b t 的过流保 护通常根据检测过流的方法不同，主要分为分散式过流保护和集中式过流保护。 分散式过流保护是通过单个检测i g b t 集电极和发射极之间的电压，判定i g b t 的工作状况，从而判断i g b t 是否过流。当系统中某个i g b t 过流时，仅对当前 过流i g b t 进行保护，不影响其它i g b t 的正常工作。该方法的优点是防止i g b t 工作时的退饱和，并且及时检测i g b t 的过流。该方法的缺点是需要对每个i g b t 安置检测电路，且检测电路比较复杂、成本较高。集中式过流保护则是通过一定 的检测元件检测负载或主回路中的电流，当检测到过流时，通过控制电路封锁所 有i g b t 的驱动信号，使整个系统停止工作。通常采用霍尔电流传感器或分流器 检测过流信号，然后利用所检测的信号判定是否封锁整个系统的驱动信号。该方 法的优点是检测电路简单，比较经济。缺点是无法检测i g b t 因系统的瞬态过程 而引起的过流，无法防止i g b t 因驱动电路过小造成的退饱和运行，且对i g b t 的保护不及时。目前，众多集成驱动模块拥有过流保护功能，因此实际应用中较 多采用分散式过流保护。分散集成模块式过流保护包括过流检测电路和过流软关 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 断两部分，因各厂家的不同其过流保护模块的质量和功能都所差别。 目前由于集成工艺的迅速发展，集成模块已经广泛地应用于i g b t 的驱动和 过流保护【引，然而早期的集成驱动模块功能不够齐全有较多的缺点，部分学者对 其做了改进和优化工作。文献【9 】【1o 】针对e x b 8 4 1 的过流保护阈值过高、保护盲 区和负栅压不足进行了改进，但是e x b 8 4 1 缺乏无过流保护自锁功能，可能造成 i g b t 的损坏。此外，过多的改进会增加外围电路，从而导致驱动电路过于复杂、 功耗过高。文献【1 1 】 1 2 】研究并设计了基于c p l d 的智能化i g b t 驱动电路，它 克服了部分驱动模块无法过流自锁的缺点，但是从工程应用的角度出发，此驱动 电路显得有些复杂、设计出的驱动电路可靠性不高。 2 i g b t 的过压保护 i g b t 在工作过程中开关速度较高，一般工作频率达到1 0 k h z ，故i g b t 关 断和逆向恢复时会产生很高的电流增长率。由于逆变器中杂感的存在，主电路会 产生较高的关断浪涌电压。当关断浪涌电压超过i g b t 的正向耐压值时，可能导 致i g b t 的损坏。通常，i g b t 抑制过压的方法有加装缓冲电路吸收浪涌电压、 尽量降低主电路及缓冲电路的分布电感、优化驱动电路使电流增长率最小。目前 过压保护的设计大部分综合了三种方法，其中缓冲电路的设计是关键。 缓冲电路有无源和有源两种方式，无源方式因其结构简单和可靠性高被广泛 地应用【1 3 】。无源缓冲电路包括r c 缓冲电路、充放电型r c d 缓冲电路、放电阻 止型r c d 缓冲电路。对于r c 缓冲电路，其关断浪涌电压抑制效果比较的好， 适用于斩波电路，但是r c 吸收电路的电容c 的充电电流会在电阻r 上产生压 强，从而造成过高的过冲电压，并且当i g b t 容量较大时，可能会因集电极电流 增大而导致i g b t 功能受到限制。对于充放电型r c d 缓冲电路，它与r c 缓冲 电路相比，增加的缓冲二极管分流了电阻r 上的充电电流，克服了过冲电压较 高的缺点，但与放电阻止型r c d 缓冲电路相比，缓冲电路中的损耗( 主要由缓 冲电阻产生) 非常大，因此不适合高频电路。对于放电阻止型电路，最适合用于 高频开关，并且产生的损耗小，但是吸收能力不如r c d 充放电型。 目前，逆变器中i g b t 的缓冲电路的研究主要是针对特定环境和要求优化传 统的缓冲电路。文献【1 4 】【1 5 】【1 6 】是在总结传统i g b t 缓冲电路的基础上，根据特 定需求提出优化的新型i g b t 缓冲电路。然而，这些缓冲电路相对于传统缓冲电 路所需要的器件至少增加了一倍，增大了缓冲电路的体积和复杂度。针对无特殊 需求的逆变器，此设计方法实用性不高。文献【1 7 】针对尖峰电压采用模糊优化算 法对缓冲电路的参数进行了多目标优化设计，它考虑了关断尖峰电压的抑制和缓 冲电路成本问题。虽然降低成本具有一定的应用价值，但是缓冲电路元件相对于 i g b t 其成本较低，采用模糊优化算法的计算过于复杂。 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 逆变器中i g b t 的热保护 i g b t 工作时需要消耗功率，主要包括通态损耗和开关损耗，消耗功率会导 致i g b t 温度的升高。随着i g b t 基板温度上升，i g b t 的耗散功率和集电极电 流急剧下降，过高的温度可能造成i g b t 的烧毁，影响整个逆变器的工作【i 引。为 了防止i g b t 的过热通常采取过热保护，它包括散热器的选配和过热检测电路。 逆变器中i g b t 散热器选配工作主要集中在i g b t 损耗模型建立，损耗模型 主要有基于物理结构损耗模型和基于实验方法损耗模型。基于物理结构损耗模型 又包括h e f i a e r 物理模型、k r a u s 物理模型、s h e n g 物理模型【1 9 1 。基于实验方法的 损耗模型包括指数方法、线性化方法、多项式方法、三角方法、利用数据手册估 算法等方法。基于物理结构的损耗计算是在器件等效物理模型的基础上，通过仿 真得到的电流、电压数值计算i g b t 功耗，但建模比较困难。例如文献【2 0 】采用 p s p i e e 仿真i g b t 功耗，但是p s p i c e 仿真模型建立比较复杂，计算结果只是估 算方法。此外对于p w m 模式下工作的逆变器，其工作电压、电流等参数是不断 变化的，因此很难准确通过物理模型计算i g b t 的损耗耗【2 l 】。基于实验的方法的 损耗模型是以实验为基础，采用某种算法求出功率损耗与电流、电压、环境温度 等参数的函数关系，再由函数计算任意工作点的功耗【2 2 1 2 3 1 。这种模型避免了物 理建模过程中众多参数提取困难的缺点，计算速度快，且通用性较好。文献 2 4 】 拟合了瞬态热阻抗曲线，得到热模型的相关参数，过程简单、效果好。计算损耗 后，可根据损耗进行散热器的选配。散热器通常包括强迫风冷散热器、水冷板散 热器、热管散热器等。强迫风冷散热器结构简单、比较经济，但散热器温度分布 不均匀，随风道的影响比较的大，可用于中小功率的变流装置【2 5 1 。水冷板散热 效果很好，但是水冷板结构复杂，需要的辅助设施较多，散热器造价较昂贵，适 用于大功率场合1 2 6 j 。 过热检测是为了保证在由于故障导致i g b t 过热时能够迅速采取措施，过热 检测保护电路通常有热敏电阻型和温度继电器型。热敏电阻是利用温度引起电阻 变化的原理，从而检测测点温度。该方法具有灵活性，能够灵活的改变系统初始 配置，此外针对不同级别的温度系统可做出不同的响应动作，但是该方法控制较 复杂，成本较高。例如文献【2 7 】采用正温度热敏电阻对i g b t 进行保护。温度继 电器是检测温度的临界值，当系统温度超过温预设值便产生故障信号。该方法配 置比较简单也比较经济，但是稳定性和可控性不高。 1 2 3 逆变器中i g b t 的故障诊断 逆变器中i g b t 发生故障往往会造成巨大的实际损失，在i g b t 发生故障后 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 快速的对故障进行诊断能够最大限度减少故障损失。通常故障诊断分为两类，基 于信号处理方法和基于知识发现处理方法【z 引。 基于信号处理方法采用数据处理与分析方法，挖掘数据中隐含的故障信息进 行故障诊断，它无需建立精确的解析模型。其数据处理方法通常有主元分析法 p l 、频谱分析和小波分析等。主元分析法p c a 方法是将原始数据压缩到相互正 交的子空间中，减少原始数据的维数，p c a 分解方法有矩阵的奇异值分解法和 迭代算法等【3 0 】【3 1 1 。频谱分析法和小波分析则是在频域或者时频域提取故障特征， 以故障特征对故障进行诊断p 2 1 1 3 3 1 1 3 4 1 。文献 3 5 1 采用小波分析实现故障诊断的波形 相似匹配法，它无需建立复杂的数学模型，也不需要复杂的推理和判断的机制， 然而它算法时间和空间复杂度大，不利于大量数据的检索 3 6 1 。基于信号处理方 法具有特征值提取优势，但缺乏对故障的识别能力，适用于故障较单一明显的诊 断。 基于知识的方法包括专家系统、模糊逻辑、机器学习和模式识别等。专家系 统不依赖于系统的数学模型，而是根据长期的实践经验和大量的故障信息设计的 推理机制进行知识推理判断。然而每个专家系统只能解决一类问题，此外来自与 专家的知识很难获得和描述，大部分包含不确定性【3 7 】【3 8 1 。模糊推理系统不需要 精确定义复杂过程现象，但是确定复杂系统的规则集和成员函数非常困难，并且 微调一个模糊解决方案也非常耗时【3 9 1 1 4 0 。机器学习和模式识别以神经网络和支 持向量机最常见，具有很好的分类识别效果，然而它们需要大量的样本用于训练， 并且对于同类很难分辨【4 1 1 1 4 2 1 。 以上介绍的方法都有自己的优点、缺点和局限性，仅仅用一种方法用于故障 诊断难以解决现有的实际问题，因此可根据特定环境的需要综合几种方法优点、 扬长避短，设计综合的故障诊断方法1 4 3 1 。目前，应用较多的综合故障诊断技术 路线主要有基于分类方式和基于波形相似匹配方式m j 。 基于分类方式的综合故障诊断方法有小波神经网络分类法、小波支持向量分 类法、p c a 支持向量分类法等。如文献 4 5 4 6 1 综合了小波分类和神经网络，文 献【4 7 】 4 8 】【4 9 】综合了小波分析和支持向量机，文献 5 0 1 1 5 1 综合了奇异值分解和 支持向量，它们采用小波或奇异值分解提取故障特征压缩故障特征维数，以神经 网络或支持向量实现故障特征的分类，实现了不同环境和领域下的故障诊断。然 而基于分类方式的故障诊断有很强的局限性，这是因为在故障类别较少的情况下 该方法能够准确地实现故障诊断，而当故障类别较多且每类故障中有多个故障 时，该方法只能初步的对故障进行分类，不能准确地诊断。 基于波形相似匹配的综合故障诊断方法有傅立叶变换相似匹配法、小波变换 相似匹配法、p c a 相似匹配法、小波奇异值相似匹配法等。文献【5 2 】【5 3 】提出了 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 基于傅立叶变换的相似匹配算法，将故障波形分解到子空间进行降维，以子空间 的系数来研究时序序列的相似，但傅立叶变换是一种纯粹的频率特征分析，无法 反映故障波形的时域特征。文献【5 4 】 5 5 】采用了正交小波变换进行故障波形相似 匹配，小波变换能反映信号的时域和频域特征，具有良好的时频局部化功能，但 小波系数与时序序列的长度相等，其特征维数过高不利于较大数据量的相似匹 配。文献【5 6 】采用了小波奇异值法，它将故障波形的小波系数矩阵进行奇异值分 解得到奇异值向量。小波奇异值法采用双重降维将原始故障波形映射为低维特征 向量，有利于大数据量相似匹配，但奇异值向量只代表某正交空间的能量分布， 并且不同时序序列分解后的正交空间不同，因此实用范围有限。 1 3 本文研究的内容 文章以5 0 k v a 有源电力滤波器中的逆变器为对象，研究了逆变器中i g b t 模块的保护和逆变器主回路故障诊断。主要内容包括： ( 1 ) 第一章介绍本文的研究背景和意义、逆变器中i g b t 模块保护和逆变 器主回路故障诊断研究现状。 ( 2 ) 第二章介绍i g b t 和逆变器的工作原理。 ( 3 ) 第三章设计5 0 k v a 的a p f 样机主电路，包括i g b t 的驱动电路、电保 护和热保护，并给出元件参数的计算过程。 ( 4 ) 第四章设计逆变器故障诊断算法。首先实现基于h u f f r n a n 树的支持向 量机的故障分类，然后在类中实现统一正交基的相似匹配，最后分类算法效率。 ( 5 ) 第五章介绍逆变器故障诊断算法的软硬件实现。 6 中南大学硕士学位论文 第二章i g b t 的基本特性与故障仿真模型 第二章i g b t 和逆变器的原理 逆变器中i g b t 的保护是保证逆变器稳定运行的关键，i g b t 保护电路是根 据i g b t 的基本特性而设计。逆变器的故障诊断能降低逆变器的故障损失，故障 诊断方法可通过分析故障波形实现。因此，本章介绍i g b t 和逆变器的工作原理。 2 1 i g b t 的原理 2 1 1i g b t 的结构 i g b t 是三端器件，具有栅极g 、集电极c 和发射极e ，其结构图如图2 1 ( a ) 所示【，刀。由图2 k a ) 可知i g b t 是在功率m o s f e t 的基础上增加了一层p + 层， 形成了一个大面积的p + n 结j ，并由此引出集电极c 。因此i g b t 在导通时，从 集电极则注入少量载流子，p n 结的电导调制作用，降低了导通电阻和导通电压， 增大了i g b t 的通流能力。i g b t 的等效电路如图2 1 ( b ) 所示，由图可知i g b t 是 以双极型晶体管为主导元件，以m o s f e t 为驱动元件的达林顿结构，相当于由 m o s f e t 驱动的厚基区g t r 。其中m o s f e t 为n 沟道型，g t r 为p n p 型，图 2 一l ( c ) 为n 沟道i g b t 的电气图形符号。 燃栅圾 滋圈沥l 嬲- 渤上翮掣 j 归p u 八凼p 凼八 f 。易 n - ， n ， j l矿 c 垦 c e ( a 嘞 ( c ) 图2 1i g b t 的结构、简化等效电路和电气图形符号 ( a ) 内部结构断面示意图( b ) 简化等效电路( c ) 电气图形符号 i g b t 的开通和关断是由栅极电压控制，当栅极施加正向电压时，m o s f e t 内部形成沟道，并为p n p 晶体管提供基极电流，使得i g b t 导通。此时p + 区注 入到n + 区的空穴( 少子) 对n 一区进行电导调制，减少n 一区的电阻，使得具有 较低的i g b t 通态压降。在栅极加负电压时，m o s f e t 内的沟道消失，p n p 晶 7 一 g 纂姚 中南大学硕士学位论文第二章i g b t 的基本特性与故障仿真模型 体管的基极电流被切断，i g b t 被关断。 2 1 2i g b t 的特性 1 静态特性 图2 - 2 ( a ) 为i g b t 的转移特性，它描述集电极电流l 与栅射电压彦之间的 关系，与电力m o s f e t 的转移特性类似。当栅射电压小于开启电压胁。时， i g b t 处于关断状态。在i g b t 导通后的大部分集电极电流范围内，厶和e 呈 线性关系。最高栅射电压受最大集电极电流限制，最佳值一般为1 5 v 。胁，是 i g b t 实现电导调制导通时最低栅射电压，它随温度升高略有下降，温度每升高 1 0 c ，其值下降5 m v 左右。图2 - 2 ( b ) 为i g b t 的输出特性，也称伏安特性，它描 述栅射电压为参考变量时，集电极电流厶与集射电压e 之间的关系。图中u 蹦 是i g b t 能够承受的最高反向阻断电压，u 肼，是i g b t 能够承受的最高正向阻断 电压，它与g t r 的输出特性相似，不同的是i g b t 的控制变量为栅射电压坼f ， g t r 为基极电流，r 。由于p n 结的开启电压不为零，所以i g b t 的输出特性曲线 不始于坐标原点。i g b t 的输出特性分为正向阻断区、线性区和饱和区。参照图 2 2 ( a ) ，当坼f 脚，时，i g b t 进入正向导通导通状态，随着 f 的升高，n 区基极提供电子的导电沟道加宽，集电极电流t 增大。正向导通 的大部分区域内，厶与坼f 无关的区域为线性区，作为开关器件i g b t 应该避免 该区，否则i g b t 的功耗将会很大。饱和区为输出特性明显弯曲的部分，此时i g b t 的通流能力很强且压降很小。 _ i cj l j 栅 厂 u m 反向阻断区 翟l 厂 厂 t 渊 ，钐锄嘭饬。 f d u mu a 图2 - 2 i g b t 的静态特性 ( a ) i g b t 转移特性( b ) 伏安特性 8 中南大学硕士学位论文第二章i g b t 的基本特性与故障仿真模型 2 动态特性 i g b t 开通过程的大部分时间作为功率m o s f e t 来运行，其电压电流波形与 功率m o s f e t 开通时相似，只是在集射电压f 下降过程后期，p n p 晶体管由 放大区至饱和区增加了一段延迟时间。，舶，为开通延时时间，r ，为电流上升时间， 集电极电流开通时间t o = j + 。图2 - 3 ( a ) 为i g b t 的栅射电压波形，它反映了 i g b t 开通和关断时的控制信号，图2 3 ( b ) 为i g b t 开通和关断时集电极电流的 波形，图2 3 ( c ) 为i g b t 开通和关断时集射电压波形。 叫，帆卜卜一一h 图2 - 3i g b t 的动态特性 ( a ) 栅射电压( b ) 集电极电流( c ) 集射电压 3 温度特性 i g b t 的温度特性十分明显，随着基板温度的升高，其耗散功率和集电极电 流急剧下降。当i g b t 工作结温超过工作温度极限1 2 5 。c 时，i g b t 会因为过热而 永久性的损坏，影响整个装置的正常工作。因此为了防止i g b t 温度过高而损坏， 保证其稳定可靠的工作，电路中通常需要散热装置，保护i g b t 温度不能超过一 定的极限值。 9 等筏 纛b 晋o 嚣馘 纛b 晋。 中南大学硕士学位论文第二章i g b t 的基本特性与故障仿真模型 2 1 3i g b t 存在的问题 1 电流拖尾现象 i g b t 可采用移去栅压关断，但其漂移区无# l - i j i 线，不可能用抽流方式降低 该区的过剩载流子浓度，这些空穴只能靠自然复合消失，因此集流存在拖尾现象。 2 电流擎住效应 由于i g b t 结构中寄生着p n p n 四层结构，相当于体内存在一个寄生晶体管， 在n p n 晶体管的基极和发射极之间并联一体区扩展电阻，p 型体内的横向空穴 电流在此电阻上会产生一定的压降，对于n p n 基极来说，相当于一个正向偏置 电压。在规定的集电极电流范围内，扩展电阻上的电压不大，n p n 晶体管不起 任何作用。当集电极电流增大到定程度时，该正向偏置电压足以使n p n 晶体 管开通，进而使n p n 和p n p 晶体管处于饱和状态。当寄生晶体管开通，门极失 去控制作用，该现象称为擎住效应。i g b t 发生擎住效应后，集电极电流增大， 造成过高的功耗，导致器件损坏。擎住效应分为静态擎住效应和动态擎住效应。 集电极通态电流连续值超过规定值而产生的擎住效应称为静态擎住效应。在 i g b t 关断过程中，由于电压升高率很大，在i g b t 内部产生较大的位移电流， 造成寄生晶体管饱和导通，形成动态擎住效应。 2 2 逆变器的原理 2 2 1 逆变器的概述 逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为电压源型逆变电路和电流型逆 变路。以图2 - 4 ( a ) 的单相桥式逆变电路为例，图中s 。s 。是桥式电路的4 个臂， 它们由i g b t 等电力电子器件组成。当开关s 、s 。闭合，s ，、s ，断开时，负载 电压为正；当开关s 。、s 。断开，s ：、s ，闭合时，玩为负，其波形如图2 4 所示。由此电路，直流电可变成交流电。当改变两组开关的切换频率，可改变输 出交流电的频率。这就是逆变器的工作原理。 当负载为电阻时，负载电流乇和电压的波形形状相同，相位也相同。当 负载为阻感时，瓦相位滞后于玑，两者波形的形状也不同，图2 - 4 ( b ) 给出了阻感 负载的乇波形。设以前s ，、s 。导通，和毛均为正。在，l 时刻断开s ，、s 4 ，同 时合上s ：、s ，则玩的极性立刻变为负。但是，因为负载中有电感，其电流极 性不能立刻改变而仍维持原来方向。这时负载电流从直流电源负极流出，经s ，、 负载和s ，流回正极，负载电感中储存的能量向直流反馈，负载电流逐渐减小， 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章i g b t 的基本特性与故障仿真模型 到f ：时刻降为零，之后i d 才反向并逐渐增大。上述开关器件都是工作在理想状态， 实际电路工作要更复杂些【跚。 l 易 1 钆 参 7 图2 - 4 逆变器电路及其波形 ( a ) 逆变器电路( b ) 逆变波形 2 2 2 三相电压型i g b t 逆变电路 以上介绍了单相桥式逆变电路，实际应用多数采用i g b t 作为桥式逆变器开 关器件，并且三相桥式逆变电路应用广泛。三相电压型i g b t 逆变电路如图2 5 所示，由图可知该电路由6 个i g b t 组成。 图2 - 5 三相电压型桥式i g b t 逆变电路 电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式是采用18 0 。导电方式，每个桥臂 的导电角度为1 8 0 。，同一相( 郎同一半桥) 上下两个桥臂交替导电，各相开始 导电的角度一次相差1 2 0 。因此在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。因为每 次换流都在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流【5 9 】。 在1 8 0 。导电方式的逆变器中，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时 导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通 的方法，即在两者之间留一 个短暂的死区时间。 中南大学硕士学位论文第三章逆变器中i g b t 的保护 第三章5 0 k v a 的a p f 样机设计 i g b t 模块是a p f 中逆变器的主要电子器件，i g b t 能否正常工作直接关系 到逆变器能否可靠运行。合理的i g b t 驱动电路能够减少i g b t 的损耗、提高 i g b t 驱动的可靠性；及时的过流和过压保护电路能够保护i g b t 因非稳态而造 成的影响；热保护设计能对i g b t 及时散热和检测过热，从而提高i g b t 的使用 效率和寿命。因此，对于a p f 主电路设计，i g b t 的驱动和保护电路非常重要。 3 15 0 k v a 的a p l ：主电路设计 本章以5 0 k v a 有源电力滤波器为对象，设计其逆变器中i g b t 的驱动和保 护方案。i g b t 的驱动和保护电路包括驱动和过流保护、过压保护、散热器和过 热检测模块，其结构如图3 1 所示。 图3 - 1i g b t 保护设计结构图 i g b t 的驱动和保护电路的设计与i g b t 的型号及其应用环境有直接的关系。 因此设计a p f 中i g b t 的驱动和保护电路，需要针对a p f 的容量进行i g b t 的 选型。a p f 的容量与补偿电流的大小有关，其主电路中器件的耐压值由直流侧电 1 2 中南大学硕士学位论文第三章逆变器中i g b t 的保护 压决定。在a p f 的设计过程中，只能对其最大补偿容量进行估算。因此对于a p f 其容量s _ 可由下式近似得出6 0 l 。 既= 3 x 耳乇 ( 3 1 ) 式中，b 为最大补偿电压有效值，厶为最大补偿电流有效值，由于有源电力滤 波器是对三相电进行补偿，因此有系数3 的存在。 对于5 0 k v a 的有源电力滤波器，补偿电压的有效值为e 矿= 2 2 0 v ，因此由公 式( 3 1 ) 可得出电流有效值厶= 7 5 8 a 。根据经验i g b t 的电流取2 倍的裕度。i g b t 的最大电流值通常为有效值的2 倍，因此i g b t 的最大电流值应该满足下式。 l 戤2 x 2 x l ( 3 - 2 ) 由式( 3 2 ) 可知，对于5 0 k v a 的有源电力滤波器，i c = 7 5 8 a ，因此i g b t 的 最大承受电流i 。3 1 0 a 。由于电路中杂感的存在，i g b t 在关断时候会受到关 断浪涌电压的影响，i g b t 最大正向电压应当留有足够大的宽裕度。i g b t 的耐 压值至少为补偿电压最大值的2 5 倍，因此u 。9 5 0 v 。由以上分析可知，5 0 k v a 的a p f ，其l 戤3 1 0 a 且“慨9 5 0 v 。根据以上参数，本文选择富士 2 m b l 4 0 0 u h 1 2 0 型号的i g b t ，该型号i g b t 集射极最大电压为1 2 0 0 v ，集电极 在8 0 电流连续情况下为4 0 0 a ，2 m b l 4 0 0 u h 1 2 0 部分参数如表3 1 所示。 表3 - 12 m b l 4 0 0 u h 1 2 0 型号i g b t 相关参数 a p f 中i g b t 采用富士2 m b l 4 0 0 u h 1 2 0 ，由此款i g b t 相应的物理参数及 其基本特性，设计保护电路的原理图，以及图中各器件的功能和参数。 1 3 中南大学硕士学位