孙文勇 袁令松 李涛 邓博辉
天津市大港油田公司
摘要：目前市场上的IGBT驱动电路大都是IGBT器件生产厂家提供的专用配套驱动器，不仅价格昂贵，而且复杂且不易调换和匹配，同时，电路保护功能不够完善可靠、故障信息无法被识别分类并反馈等问题也越来越突出。为解决IGBT驱动过程中的这些问题，使用优化的单独驱动电路，以及搭配保护电路和信号反馈电路，同时应用软件方案来实现IGBT在运行前的故障保护，并在此基础之上，通过人工蜂群算法优化的BP神经网络，建立故障识别模型，对IGBT进行故障信号分析、学习、分类，在发生故障后，准确识别故障发生位置，便于确认故障点从而进行维修更换。
关键词：变频器；IGBT；驱动保护；故障诊断
引言
IGBT驱动电路处于主功率电路与控制电路之间，充当隔离与连接的枢纽，由于各个厂商生产的IGBT规格不尽相同，使用的不同类型的驱动电路使得在驱动过程中IGBT的开关特性具有一定差异，经过优化设计后的驱动保护电路不仅能最大限度使IGBT运行在最佳的状态，而且可以为IGBT提供更加智能的保护策略，使IGBT无论出现过压、过流还是短路开路等故障时都能及时被检测到并自动启动保护程序，及时地保护功率器件，提高IGBT以及整个变频系统的安全性。
1 IGBT驱动保护电路的设计
1.1 开关电源的设计
由于驱动部分设计使用光耦驱动，必须要使用开关电源对上下管IGBT的电源进行隔离，同时为电流采样电路进行供电。本文设计使用UC2844B型号的电源管理芯片，并使用了其电流PWM控制模式，由于其中的双环路反馈系统，使得可以通过开关电源的PWM调制器快速调整脉冲占空比，其原理为其中包含了输出直流电压隔离取样反馈外回路与初级线圈充磁峰值电流取样反馈内回路，从而在每一个周期内对前一周期的输出电压和峰值电流进行有效调节。
1.2 电流采样电路的设计
电流采样电路采用AVAGO公司生产的ACPL-C790霍尔芯片，ACPL-C790是专为电机驱动器和可再生能源系统等电子功率器件变流器中的电流感测而设计的。在应用中，芯片可检测到电机电流通过外部电阻所产生的模拟电压降，在副边产生差分正比于电机电流的差分输出电压。ACPL-C790芯片的优点在于它具有±3%的增益误差以及优异的线性度和60dB的信噪比动态性能。由于具有200kHz带宽和1.6μs的快速响应时间，该产品可以捕获短路和过载情况下的瞬变。ACPL-C790高达15kV/μs的共模瞬变抑制能力可在高噪声的电机控制环境下精确监测电机电流。
1.3 短路与接地故障保护
首先变频器的运行载频设置为10kHz的出厂载频，第一阶段为预发波阶段，此时给出运行信号，但是其他指令未传至DSP中。第二阶段为接地保护阶段，此时变频器三相输出中只有其中一相的下管IGBT模块进行发波，设置固定载频4kHz，IGBT模块导通时长150μs，该阶段总时长为5ms。第三阶段为预充电阶段，执行变频器的设置载频，导通占空比为50%，该阶段总时长为10ms左右，该阶段与接地保护阶段可进行相应调整，以保证预充电阶段结束时已经达到了IGBT模块的导通幅值，在预充电结束时，UVW三相中V相上管驱动信号幅值应达到12.6V左右，VW两相上管驱动信号幅值11.2V左右。第四阶段为短路保护阶段，三相的IGBT模块上下管进行轮换发波，执行变频器的设置载频，此阶段中上管导通时长15μs。四个阶段总时长为25ms，若未发生接地故障或者短路故障，直接进入正常运行，在进入正式前，25ms的特殊发波不影响负载的正常运行。
2 人工蜂群算法优化的BP神经网络模型
人工蜂群算法包含了三个基本组成要素即蜜源、雇佣蜂与非雇佣蜂。蜜源在人工蜂群算法中即代表了可行解，而蜜源的价值则由参数收益来决定，类比到生物学即蜜源的价值是由其蜜源中花蜜的数量、质量以及蜜源到蜂巢的距离决定的。人工蜂群算法中的雇佣蜂即为生物学机理中的采蜜工蜂，蜜源时数量与采蜜工蜂的数量一致，在发现蜜源后通过跳“8字舞”的方式向其他蜜蜂分享传递关于蜜源距离以及质量的信息，当发现的蜜源价值越高，其能引领到的其他工蜂数量也越多。
生物学中的待工蜂即为人工蜂群算法中的非雇佣蜂，在算法中又将非雇佣蜂分为跟随蜂与侦察蜂，侦察蜂的工作内容为在蜂巢附近进行随机搜索，寻找新的蜜源，当一个雇佣蜂寻找到蜜源后没有跟随蜂进行跟随，该蜜源就会被放弃，雇佣蜂转而变为侦察蜂去寻找新的蜜源；跟随蜂则是在蜂巢中等待被引领蜂传递蜜源信息，并遵循贪婪算法选择跟随对象。
因此在经过细化后的算法模型采蜜过程如下：
在初始阶段，算法模型中的所有工蜂都为侦察蜂，随即飞出蜂巢并在附近搜索寻找蜜源，发现蜜源后，侦察蜂则记录包括蜜源距离、质量的信息后返回蜂巢向跟随蜂分享传递蜜源信息，如若吸引到了跟随蜂，侦察蜂随即转换为雇佣蜂，在此之后雇佣蜂再次返回蜂巢，当继续有跟随蜂进行跟随时，则继续重复上一步，或者继续对蜜源进行采蜜操作，若不再有跟随蜂时即转换身份为侦察蜂，放弃原有蜜源重新进行搜索寻找，以寻找最优蜜源为最终目的重复以上步骤。
3 结束语
IGBT作为一种重要开关功率器件，应用越发广泛，同时应用IGBT的变频器在工业生产中由于其优异的调速能力和节能减排的要求被广泛应用，随着变频器应用场景越发丰富，其工况也变的愈发复杂，对变频器本身的可靠性要求也越来越高，因此在变频器的运行过程中提高其运行稳定性、快速保护能力以及发生故障后快速准确识别的能力，具有实际意义。
参考文献：
[1]钱雯.IGBT器件的低开关损耗驱动技术研究[D].华中科技大学,2016.
[2]唐新灵,崔翔,张朋等.感性负载条件下IGBT开通过程分析[J].华北电力大学学报,2017,44(2):33-41.