在1微秒內快速檢測IGBT運行狀態！重慶大學科研人員發布成果

柔性直流換流閥的可靠運行很大程度上取決於閥子模塊內的絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）器件，除了子模塊的冗餘設計，實時檢測子模塊內IGBT的狀態同樣具有重大意義。現行的檢測手段難以實現IGBT正常狀態、老化狀態、不同故障狀態的快速診斷以及實時同步檢測。

輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、廣東電網有限責任公司惠州供電局的研究人員姚陳果、李孟傑、餘亮、董守龍、廖瑞金，在2020年第15期《電工技術學報》上撰文，提出一種基於脈衝耦合響應的狀態檢測方法，該方法通過向集射極注入短時高壓脈衝激勵，分析脈衝下IGBT等效二埠網絡的輸出響應，可以在1μs內快速檢測IGBT運行狀態，並在故障情況下識別故障類型。

近年來柔性直流輸電系統快速發展，國內已相繼建成上海南匯±30kV/18MW、南澳三端±160kV/200MW、舟山五端±200kV/1000MW、廈門柔直±320kV/1000MW、魯西±350kV/1000MW等工程，張北地區正在建設一個±500kV/3000MW四端環形柔性直流電網。

IGBT作為一種全控器件，因其相對簡單的驅動、快速的開關速度、較高的功率密度而被廣泛用於柔性直流換流閥，是構成閥子模塊的主要功率器件。有關統計數據表明功率器件失效率非常高，IGBT是閥子模塊中較為脆弱的部件，過電壓、過電流以及過高的di/dt都會引起IGBT晶片發生損壞，IGBT損壞是最常見的子模塊故障原因之一。

與此同時，隨著柔性直流工程電壓等級不斷提高、輸送容量不斷擴大，巨大的電氣應力和熱應力加速了IGBT封裝老化過程，有研究指出封裝老化的累積甚至會導致IGBT模塊開路。因此，有必要對IGBT的狀態——包括正常工作狀態、封裝老化過程以及故障狀態（短路、開路）進行檢測與診斷，以提高換流閥運行的可靠性。

針對短路故障，目前主要的檢測方法是欠飽和檢測法和電流鏡法——前者通過IGBT飽和導通壓降Uce_sat與電壓閾值的比較對IGBT短路故障與否進行判斷，反應時間在1～5μs，而IGBT只能承受大約10μs的短路電流，該方法的響應速度略慢；電流鏡法通過額外的一隻IGBT與待測IGBT組成電流鏡來檢測待測IGBT的集電極電流，該方法實施簡單但成本較高。

針對開路故障，有些學者發布相關研究成果，但是這些方法能夠有效檢測IGBT的開路故障，但檢測時間均在ms級，不能實現故障的快速檢測。

圖1 IGBT晶片結電容分布及其模型

針對封裝老化過程，丹麥Aalborg大學、重慶大學和浙江大學的研究團隊對IGBT的封裝熱阻進行建模，但是熱阻模型的動態更新困難，不適用於老化狀態的實時檢測。英國Duham大學研究團隊利用逆變器輸出諧波的幅值變化間接反映封裝老化；重慶大學研究團隊通過鍵合線壓降、鍵合線電阻、鍵合線電感等檢測電路中雜散參數的變化間接反映IGBT封裝老化，這些方法通過外部電參數的檢測可以實時反映封裝老化狀態，但是無法對IGBT的故障進行檢測。

綜上，目前IGBT短路故障檢測方法、IGBT開路故障檢測方法以及IGBT封裝老化過程檢測方法彼此之間相互獨立，尚沒有一種方法能夠實現正常狀態、老化狀態以及不同故障狀態的快速、實時同步檢測。因此，重慶大學、惠州供電局等單位的研究人員提出一種基於脈衝耦合響應實現IGBT正常、老化以及故障狀態檢測的方法。

圖2 脈衝注入實驗現場

該方法向IGBT集射極埠注入短時脈衝，在IGBT的柵射極埠測取響應電壓，根據響應電壓幅值以及邊沿振蕩波形數據，採用閾值判斷以及最小二乘算法，能夠實現在1μs內對IGBT的狀態進行快速判斷。

另外，研究人員認為：通過閾值判斷算法，能夠識別IGBT的故障類型（開路、短路）；通過最小二乘算法，能提取IGBT柵射引線電感，發現 IGBT柵射引線電感隨引線斷裂數目增大而增大，從而間接反映IGBT封裝老化。

此外，脈衝耦合響應法從IGBT外部埠特性出發進行檢測，不需要對IGBT內部封裝進行改造，易於和商用IGBT器件兼容使用；測量系統與柵射極並聯，易於與驅動電路實現整合。這些特點有利於脈衝耦合響應法的在線應用。

以上研究成果發表在2020年第15期《電工技術學報》，標題為「基於脈衝耦合響應的IGBT故障檢測方法」，作者為姚陳果、李孟傑、餘亮、董守龍、廖瑞金。