CN113726212A - 一种变频设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种变频设备，基于IGBT开关本身的开关特性，并结合电容分布对于IGBT开关门极充放电过程中门极驱动电荷的不同来进行变频驱动的故障诊断，具体的，在IGBT开关的开通暂态阶段、导通稳态阶段、关断暂态阶段或阻断稳态阶段，采集IGBT功率模块寄生电容的门极驱动电荷的变化量，通过门极驱动电荷变化量来判断IGBT功率模块的故障情况，能够避免直接采样门极电流而导致信号波动的问题，因此可以避免因为信号波动引起的误操作，提高了故障检测速度，进而能够提高对器件的保护速度，同时，该检测方式对于器件的温度特性不敏感，能够减低温度对检测电路的影响。

Description

一种变频设备
技术领域
本发明涉及变频驱动技术领域，尤其涉及一种能够快速精确的进行IGBT功率模块故障检测的变频设备。
背景技术
现有商用空调变频驱动设计由于其高电压与大电流使的设计，一般采用的绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）集成的PIM(Power IntegratedModule)模块作为变频逆变的功率器件。
器件保护的安全可靠决定器件应用的安全可靠性。器件运行过程中出现过流、短路、驱动开路等一系列故障，需要快速高效的检测方法来进行实时检测识别。目前在变频驱动设计方面，常规应用的保护电路主要是基于驱动IC及其***电路来完成，如图1 所示，其工作原理图是通过电阻R1，R2设定退饱和保护参考电压（一般设定为9~10V）。驱动IC内部电流源通过R3与二极管D1来监测半桥驱动下桥臂IGBT2的导通Vce电压，依据IGBT导通时的饱和压降低的特点（以FP50R12KT4模块为例，最大为2.25V），IGBT正常导通，电流流经电阻R3，D1，电容C1电压被钳位到较低水平（略高于IGBT饱和压降，考虑二极管导通压降与电阻分压），当出现短路时，IGBT快速退出饱和状态，其Vce 电压升高，当Vce电压高于参考电压Vref时，驱动IC内部比较器输出触发保护关断IGBT。
上述方法又称IGBT退饱和保护法，其缺点是：方法本身无法监控开关状态的异常情况，且需要避开开关状态来检测Vce电压而增加C1 ，增加了Tblink 时间来降低开关瞬间Vce电压的影响，故其保护时间相对较慢，一般在5~8us，IGBT器件应力相对较大。
发明内容
为解决现有变频设备在故障检测方面存在的上述问题，本发明提出一种变频设备，利用IGBT功率模块的寄生电容，通过对IGBT开、关、导通、阻断过程中对应各阶段的驱动门极电荷的变化来识别器件在运行过程中的故障信息，进而可采取控制逻辑来精确快速的判定功率模块的故障，具有高的噪声抑制、保护响应速度快、温度敏感性低等技术优势。
本发明采用如下技术方案：
提出一种变频设备，包括：
IGBT功率模块；
主控单元；
IGBT驱动单元，基于所述主控单元的控制向所述IGBT功率模块发送IGBT开关指令；还包括：
IGBT门极驱动电荷采集单元，用于采集IGBT开关的门极驱动电荷变化量；
所述主控单元，用于在IGBT运行过程中的目标阶段，基于所述门极驱动电荷变化量判断所述目标阶段的故障情况；其中，所述目标阶段为IGBT运行过程中的开通暂态阶段、导通稳态阶段、关断暂态阶段或阻断稳态阶段。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：本发明提出的变频设备，在IGBT开关的开通暂态阶段、导通稳态阶段、关断暂态阶段或阻断稳态阶段，采集IGBT功率模块寄生电容的门极驱动电荷的变化量，通过门极驱动电荷变化量来判断IGBT功率模块的故障情况，能够避免直接采样门极电流而导致信号波动的问题，因此可以避免因为信号波动引起的误操作，提高了故障检测速度，进而能够提高对器件的保护速度，同时，该检测方式对于器件的温度特性不敏感，能够减低温度对检测电路的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的一种IGBT功率模块故障检测电路；
图2为IGBT开关器件结电容分布示意图；
图3为本发明提出的变频设备的故障检测架构图；
图4为本发明提出的变频设备进行故障检测的流程说明；
图5为本发明提出的变频设备的一个具体故障检测结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明提出一种变频设备，基于IGBT开关本身的开关特性，并结合电容分布对于IGBT开关门极充放电过程中门极驱动电荷的不同来进行变频驱动的故障诊断。
本发明基于IGBT器件本身的开关特性及结电容分布对于IGBT开关暂态门极充放电过程中、门极驱动电荷的不同来进行变频驱动的故障诊断。门极驱动电荷的大小取决于内部寄生电容。如图2所示，由于设计结构原因，IGBT内部存在许多寄生电容，这些等效电容可以简化为IGBT各极之间的电容，其主要包含输入电容Cies =Cge +Cgc，输出电容Coes=Cgc+Cce，以及反向传输电容（米勒电容）Cres=Cgc，与器件开、导通、关、以及阻断状态的门极电荷相关的为输入电容Cies，其中，Cge为氧化层电容，其值基本不发生变化，米勒电容Cgc是由氧化层电容Cox和Cdep串联而成，Cdep 电容容值大小与IGBT集电极-发射极电压密切相关，因此，等效输入电容为：
Cgc=
Figure 613927DEST_PATH_IMAGE001
；
本发明正是基于针对IGBT各个工作状态下的门极输入电容Cies上的电荷变化量来判定其故障的种类，并迅速进行保护。
具体的，如图3所示，本发明提出的变频设备，包括IGBT功率模块1、IGBT驱动单元2、主控单元3和IGBT门极驱动电荷采集单元4；IGBT驱动单元2基于主控单元3的控制向IGBT功率模块1发送IGBT开关指令；其中，IGBT驱动单元2依据IGBT功率模块1等级提供驱动能力，IGBT功率模块1为变频驱动核心功率期间，IGBT门极驱动电荷采集单元4用于采集IGBT开关的门极驱动电荷变化量。
主控单元3，用于在IGBT运行过程中的目标阶段，基于门极驱动电荷变化量判断目标阶段的故障情况；其中，目标阶段为IGBT运行过程中的开通暂态阶段、导通稳态阶段、关断暂态阶段或阻断稳态阶段。
基于本发明上述提出的检测结构，为了实现对IGBT门极电荷的检测，如图4所示的实施例，按照如下方式进行检测：
当主控单元3初始化并采用PWM控制IGBT后，分别在IGBT的开通暂态阶段、导通稳态阶段、关断暂态阶段和阻断稳态阶段，采集IGBT门极驱动电荷变化量，并将采集的门极电荷变化量发送给主控单元3，由主控单元3根据门极电荷变化情况判断是否发生故障，以及发生故障的类型。
下面以几个具体实施例对主控单元3如何基于门极电荷变化量判断是否发生故障、以及发生故障的类型做出具体说明。
在发明一些实施例中，如下表一所示，主控单元3基于门极驱动电荷变化量判断目标阶段的过流故障：
表一
故障种类 分类 目标阶段 门极驱动电荷
过流故障 过流 开通暂态阶段 0<Qg<Qgon1
首先，设定目标阶段为开通暂态阶段，当IGBT开关受控PWM信号处于开通暂态阶段时，主控单元3获取门极驱动电荷变化量Qg，判断门极驱动电荷变化量Qg是否处于零与第一设定电荷变化量Qgon1之间，若是，则判定为过流故障。
在本发明一些实施例中，如下表二所示，主控单元3基于门极驱动电荷变化量判断目标阶段的短路故障：
表二
Figure 415661DEST_PATH_IMAGE003
1、设定目标阶段为开通暂态阶段，当IGBT开关受控PWM信号处于开通暂态阶段时，主控单元3获取门极驱动电荷变化量Qg，判断门极驱动电荷变化量Qg是否处于零与第二设定电荷变化量Qgon2之间，若是，则判定为开通前短路故障。
2、设定目标阶段为导通稳态阶段，当IGBT开关受控PWM信号处于开通暂态阶段时，主控单元3获取门极驱动电荷变化量Qg，判断门极驱动电荷变化量Qg是否小于零，在小于零时判定为开通中短路故障。
在本发明一些实施例中，如下表三所示，主控单元3基于门极驱动电荷变化量判断目标阶段的门极故障：
表三
Figure 292350DEST_PATH_IMAGE004
1、设定目标阶段为开通暂态阶段或关断暂态阶段，当IGBT开关受控PWM信号处于开通暂态阶段时，主控单元3获取门极驱动电荷变化量Qg，判断门极驱动电荷变化量Qg是否为零，若是，则判定为门极开路故障。
2、设定目标阶段为导通稳态阶段，当IGBT开关受控PWM信号处于开通暂态阶段时，主控单元3获取门极驱动电荷变化量Qg，判断门极驱动电荷变化量Qg是否大于零，若是，则判定为门极短路故障。
或者，设定目标阶段为阻断稳态阶段，当IGBT开关受控PWM信号处于开通暂态阶段时，主控单元3获取门极驱动电荷变化量Qg，判断门极驱动电荷变化量Qg是否小于零，若是，则判定为门极短路故障。
3、设定目标阶段为导通稳态阶段，当IGBT开关受控PWM信号处于开通暂态阶段时，主控单元3获取门极驱动电荷变化量Qg，判断门极驱动电荷变化量Qg是否大于零；若是，则判定为门极漏电故障。
或者，设定目标阶段为阻断稳态阶段，当IGBT开关受控PWM信号处于开通暂态阶段时，主控单元3获取门极驱动电荷变化量Qg，判断门极驱动电荷变化量Qg是否小于零；若是，则判定为门极漏电故障。
上述本发明给出的变频设备，在IGBT开关的开通暂态阶段、导通稳态阶段、关断暂态阶段或阻断稳态阶段，采集IGBT功率模块寄生电容的门极驱动电荷的变化量，通过门极驱动电荷变化量来判断IGBT功率模块的故障情况，具有以下技术优点：1、能够避免直接采样门极电流而导致信号波动的问题，因此可以避免因为信号波动引起的误操作，提高了故障检测速度，进而能够提高对器件的保护速度；2、该检测方式对于器件的温度特性不敏感，能够减低温度对检测电路的影响。
结合上述给出的实施例给出的基于门极驱动电荷变化量在不同目标阶段的情况作出的故障判断，本发明给出一个具体的故障检测结构，如图5所示，包括IGBT功率模块1、IGBT驱动单元2、主控单元3和IGBT门极驱动电荷采集单元4；IGBT驱动单元2基于主控单元3的控制向IGBT功率模块1发送IGBT开关指令；其中，IGBT驱动单元2依据IGBT功率模块1等级提供驱动能力，IGBT功率模块1为变频驱动核心功率期间，IGBT门极驱动电荷采集单元4用于采集IGBT开关的门极驱动电荷变化量。
在该实施例中，IGBT门极驱动电荷采集单元4采集的门极驱动电荷变化量为IGBT门极输入电容Cies上的电荷变化量，具体的IGBT门极驱动电荷采集单元4包括：
分流电阻Rshunt，设于门极回路上。
驱动电流采样单元41，用于采集分流电阻Rshunt的电压以得到门极电流信号。具体的，由高速差分放大器OPA1构成，其构成的差分放大电路采样Rshunt电阻电压信号完成电流检测，输出门极电流信号。
电荷积分单元42，用于将门极电流信号转换为门极电压信号。具体的，由高速积分电路OPA2构成，对门极电流电荷进行转换，输出门极驱动电荷的电压信号。
高速AD单元43，用于对电荷积分单元42转换的门极电压信号进行检测。
则主控单元3用于在IGBT运行过程中的目标阶段，基于门极电压信号判断目标阶段的故障情况。
基于上述实施例，本发明将IGBT门极驱动电荷的动态变化转换为电压信号用于判断，由于通过采用电荷采样而非直接采集电流大小，并有积分过程，该方式从根本上能够提高噪声抑制效果。
在本发明一些实施例中，该IGBT门极驱动电荷采集单元4还包括：
电荷复位单元44用于在对目标阶段的电荷进行采样之前，对电荷积分单元进行复位。电荷复位单元44是为了降低零漂对IGBT开关暂态测量结果的影响，在每个阶段进行电荷采样之前对电荷积分单元42进行复位处理，该电荷复位单元44并联于积分电容两端，复位信号的控制由主控单元3实施。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种变频设备，包括：
IGBT功率模块；
主控单元；
IGBT驱动单元，基于所述主控单元的控制向所述IGBT功率模块发送IGBT开关指令；
其特征在于，还包括：
IGBT门极驱动电荷采集单元，用于采集IGBT开关的门极驱动电荷变化量；
所述主控单元，用于在IGBT运行过程中的目标阶段，基于所述门极驱动电荷变化量判断所述目标阶段的故障情况；其中，所述目标阶段为IGBT运行过程中的开通暂态阶段、导通稳态阶段、关断暂态阶段或阻断稳态阶段。
2.根据权利要求1所述的变频设备，其特征在于，所述IGBT门极驱动电荷采集单元采集的门极驱动电荷变化量为IGBT门极输入电容上的电荷变化量。
3.根据权利要求1所述的变频设备，其特征在于，所述IGBT门极驱动电荷采集单元包括：
分流电阻，设于门极回路上；
驱动电流采样单元，用于采集所述分流电阻的电压以得到门极电流信号；
电荷积分单元，用于将所述门极电流信号转换为门极电压信号；
则所述主控单元，用于在IGBT运行过程中的目标阶段，基于所述门极电压信号判断所述目标阶段的故障情况。
4.根据权利要求3所述的变频设备，其特征在于，所述IGBT门极驱动电荷采集单元还包括：
电荷复位单元，用于在对目标阶段的电荷进行采样之前，对所述电荷积分单元进行复位。
5.根据权利要求1所述的变频设备，其特征在于，所述主控单元用于基于所述门极驱动电荷变化量判断所述目标阶段的过流故障，具体包括：
设定所述目标阶段为开通暂态阶段；
判断所述门极驱动电荷变化量是否处于零与第一设定电荷变化量之间；
若是，则判定为过流故障。
6.根据权利要求1所述的变频设备，其特征在于，所述主控单元用于基于所述门极驱动电荷变化量判断所述目标阶段的短路故障，具体包括：
设定所述目标阶段为开通暂态阶段；
判断所述门极驱动电荷变化量是否处于零与第二设定电荷变化量之间；
若是，则判定为开通前短路故障。
7.根据权利要求1所述的变频设备，其特征在于，所述主控单元用于基于所述门极驱动电荷变化量判断所述目标阶段的短路故障，具体包括：
设定所述目标阶段为导通稳态阶段；
判断所述门极驱动电荷变化量是否小于零；
在小于零时判定为开通中短路故障。
8.根据权利要求1所述的变频设备，其特征在于，所述主控单元用于基于所述门极驱动电荷变化量判断所述目标阶段的门极故障，具体包括：
设定所述目标阶段为开通暂态阶段或关断暂态阶段；
判断所述门极驱动电荷变化量是否为零；
若是，则判定为门极开路故障。
9.根据权利要求1所述的变频设备，其特征在于，所述主控单元基于所述门极驱动电荷变化量判断所述目标阶段的门极故障，具体包括：
设定所述目标阶段为导通稳态阶段；
判断所述门极驱动电荷变化量是否大于零；
若是，则判定为门极短路故障；
或，设定所述目标阶段为阻断稳态阶段；
判断所述门极驱动电荷变化量是否小于零；
若是，则判定为门极短路故障。
10.根据权利要求1所述的变频设备，其特征在于，所述主控单元基于所述门极驱动电荷变化量判断所述目标阶段的门极故障，具体包括：
设定所述目标阶段为导通稳态阶段；
判断所述门极驱动电荷变化量是否大于零；
若是，则判定为门极漏电故障；
或，设定所述目标阶段为阻断稳态阶段；
判断所述门极驱动电荷变化量是否小于零；
若是，则判定诶门极漏电故障。
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