一种IGBT串联开通过程均压方法技术

本发明专利技术公开了一种IGBT串联开通均压控制方法，属于电力电子变换技术领域。所述的均压控制方法利用各IGBT配备的开通过程有源箝位电路，并增加简单的隔离检测电路，检测IGBT集射极电压下降时刻。使用FPGA对检测电路返回信号进行信息处理，提取各路IGBT开通过程的延时时间数值，再利用这些时间信息，对各路IGBT驱动信号上升沿进行调节，多次调节后实现各路IGBT均压。本发明专利技术提出的均压控制方法适用于部分中高压功率IGBT，方法简单、易实现，可以实现IGBT串联开通过程均压的快速性，同时保证较高的稳定性。

A pressure sharing method for IGBT series opening process

The invention discloses a IGBT series open mean pressure control method, which belongs to the field of electric power electronic transformation technology. The equalizing voltage control method takes advantage of the opening process active clamp circuit equipped by each IGBT, and adds a simple isolation detection circuit to detect the falling time of IGBT collector voltage. FPGA is used to process information of the detection circuit return signal, extract the time delay value of each IGBT opening process, and then use these time information to adjust the rising edge of each IGBT driving signal, and achieve multiple IGBT equalization after multiple adjustment. The equalizing control method proposed by the invention is applicable to some middle and high voltage power IGBT. The method is simple and easy to implement. It can achieve fast IGBT voltage sharing and high stability.

【技术实现步骤摘要】
一种IGBT串联开通过程均压方法
本专利技术涉及一种功率器件IGBT在多个串联连接应用的开通过程均压控制方法。属于电力电子变换

技术介绍
在中高压功率变换领域，IGBT由于其良好的工作特性被广泛应用。但是随着工作电压的提高，单个IGBT模块无法单独工作，往往需要将多个IGBT直接串联应用。采用多个IGBT直接串联结构，存在各IGBT之间的均压问题，需要采取一定的均压方案解决这一问题。IGBT的工作特性决定其关断过程的均压问题更为严峻，因此现有均压方案都重点解决研究关断过程的均压问题。现有的均压方案一般有以下三种方案：第一种方案是加入吸收电路，吸收不均压时产生的电压尖峰，这是最简单的均压方法，但是会产生很大的损耗。第二种方案是加入箝位电路，在IGBT合适的位置并接稳压装置，当IGBT的端电压超过预设的电压值时，稳压装置对电压进行箝位，限制电压进一步上升，这种方案同样会在稳压装置上损耗很大的能量。采用这两种方案时，如果针对关断过程均压问题优化电路参数，则无法取得较好的开通过程均压效果，如果针对开通过程均压问题进行优化，则会进一步增加损耗。第三种方案是直接进行驱动电路的同步控制，这种方案实现均压的能耗代价最小，效率最高，但是引起不均压的影响因素较多，驱动同步不能完全解决均压问题，无论开通过程均压还是关断过程均压。针对上述三种方案的均压问题，已有一些文献提出了解决方案，通过采样IGBT两端电压信息，对开通过程和关断过程的IGBT电压都可以进行闭环控制。G.Belverde，A.Galluzzo等人在“Snubberlessvoltagesharingofseries-connectedinsulatedgatedevicesbyanovelgatecontrolstrategy”中提出了主从式的门极驱动调节方案，采样各从IGBT端电压后与主IGBT端电压进行比较，以此来调节各从IGBT驱动信号。但是该方案需要开关瞬间完成调节过程，对控制速度有极高的要求。S.Ji，T.Lu等人在“Series-ConnectedHV-IGBTsUsingActiveVoltageBalancingControlWithStatusFeedbackCircuit”中提出了具有箝位功能的驱动控制方案，IGBT端电压超过预设值时触发箝位装置，控制装置采集各IGBT的箝位装置工作时间后进行控制调节，调节各IGBT的驱动信号边沿时刻，最终使各路箝位装置工作时间一致，实现各个IGBT均压。但是该方案采用的有源箝位电路只有在产生电压尖峰才能工作，因此较难实现开通过程的完全均压。因此，申请人提出了一种针对IGBT串联开通过程均压的检测电路和控制方法，在开通过程出现不均压时通过调节快速达到完全均压。将该方案结合常用的关断过程均压方案，即可实现IGBT串联工作的全过程均压。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有技术的不足，提供一种IGBT串联开通过程均压控制方法，解决了现有均压方案在IGBT串联开通过程均压效果的不足。技术方案：本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：一种多个IGBT串联应用工作电路，包括串联IGBT组(1)，箝位单元(2)，驱动单元(3)和控制单元(4)，所述串联IGBT组由n个IGBT(IGBT1、IGBT2、……、IGBTn)串联连接构成，n为大于等于2的自然数，其中，第一个IGBT(IGBT1)的射极E1与第二个IGBT(IGBT2)的集电极C2连接；如果n大于2，第k-1个IGBT(IGBTk-1)的射极Ek-1与第k个IGBT(IGBTk)的集电极Ck连接，3≤k≤n，所述箝位单元(2)包括n个子箝位单元(21～2n)，每个子箝位单元分别接在各个IGBT的集电极和门极之间，每个子箝位单元输出端都与控制单元(4)连接，返回表征各箝位单元工作时间的脉冲电压信号vt1～vtn，所述驱动单元包括n个子驱动单元(31～3n)，每个子驱动单元输出端分别接在各个IGBT门极，驱动IGBT开关动作，每个子驱动单元输入端都与控制单元(4)连接，由控制单元(4)发出各个IGBT的驱动信号vd1_m～vdn_m。所述箝位单元(21～2n)具有相同的电路结构，以第k个IGBT(IGBTk)的箝位单元k(2k)为例，电路包括箝位电路(2k1)和隔离电路(2k2)。箝位电路(2k1)由一个放电电阻R1，一个充电电阻R2，一个二极管D1，一个稳压管Z1，一个箝位电容C0和一个采样电阻Rs组成，放电电阻R1的一端与IGBTk的集电极Ck连接，另一端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与稳压管Z1的阴极连接，稳压管Z1的阳极与箝位电容C0的一端连接，采样电阻Rs接在箝位电容C0的另一端和IGBTk的门极Gk之间，充电电阻R2并联连接在二极管D1的两端。隔离电路(2k2)由一个限流电阻R3和一个光耦芯片组成，限流电阻R3一端接到门极Gk，另一端接到光耦芯片的正输入端，光耦芯片的负输入端接到箝位电容C0和采样电阻Rs的连接点，光耦芯片的输出端接到控制单元(4)。当IGBTk处于关断状态时，IGBTk的集电极Ck和门极Gk之间电压vCGk高于稳压管Z1的稳压值，其电压差通过充电电阻R2对箝位电容C0充电，使电容电压vC0充电至等于该电压差。在IGBTk开通过程中，当电压vCGk电压下降到低于电容电压vC0时，箝位电路(2k1)中电容C0开始通过放电电阻R1进行放电，该放电电流流过采样电阻Rs，在采样电阻上产生采样电压vac。采样电压vac加在隔离电路(2k2)中光耦输入端，当vac高于光耦工作电压阈值vth时，光耦输出高电平，光耦将电压vac超过其工作电压阈值vth的时间以脉冲信号vtk的形式反馈回控制单元(4)。所述控制单元(4)包括一个时间提取单元(40)、一个均压调节单元(41)、n-2个加法单元和一个延时单元(42)，其中，均压调节单元(41)包含n-1个子均压调节单元(412～41n)，延时单元(42)包含n-1个子延时单元(422～42n)。各箝位单元的输出信号vt1～vtn都接到时间提取单元(40)输入端，由时间提取单元(40)提取各相邻脉冲电压信号上升沿延时时间数值t12～tn-1n。t12与IGBT2均压调节单元(412)输入端连接，tk-1k与IGBTk均压调节单元(41k)输入端连接。IGBT2均压调节单元(412)的输出Δtd2接到边沿延时单元2(422)的输入端，Δtd2与IGBT3均压调节单元(413)的输出Δt′d3都接到第一加法单元的两个输入端，第一加法单元的输出Δtd3与边沿延时单元3(423)的输入端连接，Δtdk与IGBTk+1均压调节单元(41k+1)的输出Δt′dk+1都接到第k-1加法单元的两个输入端，第k-1加法单元的输出Δtdk+1与边沿延时单元k+1(42k+1)的输入端连接，3≤k≤n。所述时间提取单元(40)包含n-1个子时间提取单元(402～40n)，各子时间提取单元具有相同的程序结构，以时间提取单元2(402)为例，内部包括一个异或门，一个边沿计数器，两个三路输入与门和两个脉宽计数器。输入信号vt1和vt2接到异或门的两个输入端，异或门输出信号A，异或门输出端接到边沿计数器输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多个IGBT串联应用工作电路，包括串联IGBT组(1)，箝位单元(2)，驱动单元(3)和控制单元(4)，所述串联IGBT组由n个IGBT(IGBT1、IGBT2、……、IGBTn)串联连接构成，n为大于等于2的自然数，其中，第一个IGBT(IGBT1)的射极E1与第二个IGBT(IGBT2)的集电极C2连接，如果n大于2，第k‑1个IGBT(IGBTk‑1)的射极Ek‑1与第k个IGBT(IGBTk)的集电极Ck连接，3≤k≤n，所述箝位单元(2)包括n个子箝位单元(21～2n)，每个子箝位单元分别接在各个IGBT的集电极和门极之间，每个子箝位单元输出端都与控制单元(4)连接，返回表征各箝位单元工作时间的脉冲电压信号vt1～vtn，所述驱动单元包括n个子驱动单元，每个子驱动单元输出端分别接在各个IGBT门极，驱动IGBT开关动作，每个子驱动单元输入端都与控制单元(4)连接，由控制单元(4)发出各个IGBT的驱动信号vd1_m～vdn_m，其特征在于：所述箝位单元(21～2n)具有相同的电路结构，以第k个IGBT(IGBTk)的箝位单元k(2k)为例，电路包括箝位电路(2k1)和隔离电路(2k2)，箝位电路(2k1)由一个放电电阻R1，一个充电电阻R2，一个二极管D1，一个稳压管Z1，一个箝位电容C0和一个采样电阻Rs组成，放电电阻R1的一端与IGBTk的集电极Ck连接，另一端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与稳压管Z1的阴极连接，稳压管Z1的阳极与箝位电容C0的一端连接，采样电阻Rs接在箝位电容C0的另一端和IGBTk的门极Gk之间，充电电阻R2并联连接在二极管D1的两端，隔离电路(2k2)由一个限流电阻R3和一个光耦芯片组成，限流电阻R3一端接到门极Gk，另一端接到光耦芯片的正输入端，光耦芯片的负输入端接到箝位电容C0和采样电阻Rs的连接点，光耦芯片的输出端接到控制单元(4)，当IGBTk处于关断状态时，IGBTk的集电极Ck和门极Gk之间电压vCGk高于稳压管Z1的稳压值，其电压差通过充电电阻R2对箝位电容C0充电，使电容电压vC0充电至等于该电压差，在IGBTk开通过程中，当电压vCGk电压下降到低于电容电压vC0时，箝位电路(2k1)中电容C0开始通过放电电阻R1进行放电，该放电电流流过采样电阻Rs，在采样电阻上产生采样电压vac，采样电压vac加在隔离电路(2k2)中光耦输入端，当vac高于光耦工作电压阈值vth时，光耦输出高电平，光耦将电压vac超过其工作电压阈值vth的时间以脉冲信号vtk的形式反馈回控制单元(4)。...

【技术特征摘要】
1.一种多个IGBT串联应用工作电路，包括串联IGBT组(1)，箝位单元(2)，驱动单元(3)和控制单元(4)，所述串联IGBT组由n个IGBT(IGBT1、IGBT2、……、IGBTn)串联连接构成，n为大于等于2的自然数，其中，第一个IGBT(IGBT1)的射极E1与第二个IGBT(IGBT2)的集电极C2连接，如果n大于2，第k-1个IGBT(IGBTk-1)的射极Ek-1与第k个IGBT(IGBTk)的集电极Ck连接，3≤k≤n，所述箝位单元(2)包括n个子箝位单元(21～2n)，每个子箝位单元分别接在各个IGBT的集电极和门极之间，每个子箝位单元输出端都与控制单元(4)连接，返回表征各箝位单元工作时间的脉冲电压信号vt1～vtn，所述驱动单元包括n个子驱动单元，每个子驱动单元输出端分别接在各个IGBT门极，驱动IGBT开关动作，每个子驱动单元输入端都与控制单元(4)连接，由控制单元(4)发出各个IGBT的驱动信号vd1_m～vdn_m，其特征在于：所述箝位单元(21～2n)具有相同的电路结构，以第k个IGBT(IGBTk)的箝位单元k(2k)为例，电路包括箝位电路(2k1)和隔离电路(2k2)，箝位电路(2k1)由一个放电电阻R1，一个充电电阻R2，一个二极管D1，一个稳压管Z1，一个箝位电容C0和一个采样电阻Rs组成，放电电阻R1的一端与IGBTk的集电极Ck连接，另一端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与稳压管Z1的阴极连接，稳压管Z1的阳极与箝位电容C0的一端连接，采样电阻Rs接在箝位电容C0的另一端和IGBTk的门极Gk之间，充电电阻R2并联连接在二极管D1的两端，隔离电路(2k2)由一个限流电阻R3和一个光耦芯片组成，限流电阻R3一端接到门极Gk，另一端接到光耦芯片的正输入端，光耦芯片的负输入端接到箝位电容C0和采样电阻Rs的连接点，光耦芯片的输出端接到控制单元(4)，当IGBTk处于关断状态时，IGBTk的集电极Ck和门极Gk之间电压vCGk高于稳压管Z1的稳压值，其电压差通过充电电阻R2对箝位电容C0充电，使电容电压vC0充电至等于该电压差，在IGBTk开通过程中，当电压vCGk电压下降到低于电容电压vC0时，箝位电路(2k1)中电容C0开始通过放电电阻R1进行放电，该放电电流流过采样电阻Rs，在采样电阻上产生采样电压vac，采样电压vac加在隔离电路(2k2)中光耦输入端，当vac高于光耦工作电压阈值vth时，光耦输出高电平，光耦将电压vac超过其工作电压阈值vth的时间以脉冲信号vtk的形式反馈回控制单元(4)。2.根据权利要求1所述的IGBT串联均压控制方法，所述控制单元(4)包括一个时间提取单元(40)、一个均压调节单元(41)、n-2个加法单元和一个延时单元(42)，其中，均压调节单元(41)包含n-1个子均压调节单元(412～41n)，延时单元(42)包含n-1个子延时单元(422～42n)，各箝位单元的输出信号vt1～vtn都接到时间提取单元(40)输入端，由时间提取单元(40)提取各相邻脉冲电压信号上升沿延时时间数值t12～tn-1n，t12与IGBT2均压调节单元(412)输入端连接，tk-1k与IGBTk均压调节单元(41k)输入端连接，IGBT2均压调节单元(412)的输出Δtd2接到边沿延时单元2(422)的输入端，Δtd2与IGBT3均压调节单元(413)的输出Δt′d3都接到第一加法单元的两个输入端，第一加法单元的输出Δtd3与边沿延时单元3(423)的输入端连接，Δtdk与IGBTk+1均压调节单元(41k+1)的输出Δt′dk+1都接到第k-1加法单元的两个输入端，第k-1加法单元的输出Δtdk+1与边沿延时单元k+1(42k+1)的输入端连接，3≤k≤n。3.根据权利要求2所述的控制单元结构，其特征在于：所述时间提取单元(40)包含n-1个子时间提取单元(402～40n)，各子时间提取单元具有相同的程序结构，以时间提取单元2(402)为例，内部包括一个异或门，一个边沿计数器，两个三路输入与门和两个脉宽计数器，输入信号vt1和vt2接到异或门的两个输入端，异或门输出信号A，异或门输出端接到边沿计数器输入端，对信号A进行边沿计数，当计数值达到2时边沿计数器输出置高，边沿计数器的输出信号为B，将信号B取反后和信号vt1、信号A输入第一个与门，第一个与门输出接到计数器1输入端，当vt1上升沿超前vt2时，计数器1记录超前时间数值t12x，当vt1上升沿滞后vt2时，计数器1数值为0，将信号B取反后和信号vt2、信号A输入第二个与门，第二个与门输出接到计数器2输入端，当vt1上升沿滞后vt2时，计数器2记录滞后时间数值t12y，当vt1上升沿超前vt2时，计数器1数值为0，使用一个数值t12表示时间提取单元2的输出，当t12x不为零时，t12y...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁顺，邢岩，吴红飞，胡海兵，王钧，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32