CN103166435B - 一种基于igbt串联损耗优化电压自适应控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于IGBT串联损耗优化电压自适应控制方法，所述方法包括以下步骤：(1)检测IGBT端电压；(2)调整主开关阶段时间；(3)调整预开关阶段时间。本发明的有益效果在于：IGBT串联时电压平衡可靠度高；IGBT串联时开关损耗低；IGBT开关电压应力可控。

Description

一种基于IGBT串联损耗优化电压自适应控制方法
技术领域
本发明涉及电子电力系统领域。具体涉及一种基于IGBT串联损耗优化电压自适应控制方法。
背景技术
20世纪80年代中期出现的半导体电力开关器件——绝缘栅双极型功率管IGBT(Insulated Gate Biploar Transistor)是一种复合器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出级为双极结型晶体管，兼有MOSFET和电力晶体管的优点：高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达10-40kHz，饱和压降低，电压、电流容量较大，安全工作区较宽。但是IGBT的缺点在于单个IGBT的电压、电流允许值很难再提高，为了应用于高电压、大功率的领域，通常采用IGBT串联的方法。
随着电力电子技术在电力系统中应用的逐步推广，基于IGBT串联均压技术的高压阀正在成为各种新型大功率电力电子装置的核心部件。例如VSC-HVDC、STATCOM、UPFC等。在这些场合中，由于串联的IGBT器件运行的频率较高，开关速度较快，很容易在串联的IGBT器件中产生电压不平衡的情况，而高电压、大功率的应用领域决定了一旦出现严重的电压不平衡，串联的IGBT将不可避免的出现失效甚至损坏。而串联的IGBT出现断路失效后，反过来又会损坏这些大功率电力电子装置，造成严重的经济损失。
目前国内外对IGBT电压平衡化控制分为负载侧控制和栅侧控制两大类。负载侧控制主要通过在IGBT集射级两端并联缓冲电路实现串联均压，但只靠缓冲电路均压时，体积及损耗较大，同时可靠性较差。因此栅侧控制能为当前IGBT均压控制的主流方法。而保证IGBT串联电压平衡化的同时，不可避免地导致IGBT开关损耗的增加，对于大功率电力电子装置来说将大大降低其工作效率。
本申请介绍一种基于IGBT串联损耗优化的电压自适应控制策略，在保证IGBT串联电压平衡化的前提下，提高IGBT的开关速度，降低IGBT的开关损耗，为IGBT串联应用的实用化指出了一条崭新的技术路径。
发明内容
本发明提出的IGBT平衡化控制原理是让串联的IGBT快速跟随参考电压波形，保证串联IGBT的电压平衡性。
本发明提供一种基于IGBT串联损耗优化电压自适应控制方法，所述方法包括以下步骤：
(1)检测IGBT端电压；
(2)调整主开关阶段的时间；
(3)调整预开关阶段的时间。
所述调整主开关阶段包括调整主开通阶段和调整主关断阶段；所述调整预开关阶段包括调整预开通阶段和调整预关断阶段。
所述调整主开关阶段中，由各自独立的驱动电路控制每个IGBT；IGBT的驱动电路由同一个阀基控制单元提供控制信号。
所述步骤(2)调整主开关阶段的时间分为下述两个步骤：
(2-1)通过所述步骤(1)检测IGBT端电压，对IGBT开关时电压变化率dv/dt与阀基控制单元传递来的参考电压电压变化率dv/dt进行比较，判断两者之间的差异性，确定向上级传递降低或提高dv/dt的信号，阀基控制单元依据驱动单元传递的信号调整参考电压dv/dt；
(2-2)通过所述步骤(1)检测IGBT端电压，将IGBT开关时电压变化率dv/dt与阀基控制单元传递来的参考电压电压变化率dv/dt进行比较，确定降低或提高参考电压dv/dt，传递至下级参与IGBT电压平衡控制电压。
在各驱动单元上进行所述步骤(3)调整预开关阶段的时间，各个IGBT相互独立，驱动单元检测vout电压波形，将检测到的IGBT实际延迟时间与参考电压给定的预开关时间进行比较，确定增加或减少参考电压给定的预开关时间。
所述预开关阶段和主开关阶段调整彼此独立。
参考电压波形如图1所示，主要包括预关断阶段(t0-t1)、主关断阶段(t1-t2)、预开通阶段(t3-t4)和主开通阶段(t4-t5)。其中预关断阶段和预开通阶段控制原理相同，主关断阶段和主开通阶段控制原理相同。
预关断阶段及主关断时间较长时，IGBT的关断损耗将会增加；而预关断阶段及主关断时间较短时，IGBT的电压将难以保证平衡性。预开通阶段及主开通时间较长时，IGBT的开通损耗将会增加；而预关断阶段及主关断时间较短时，IGBT的电压将难以保证平衡性。
本专利提出了一种于IGBT串联损耗优化的电压自适应控制策略，通过检测IGBT端电压，合理地调整预关断阶段、主关断阶段、预开通阶段和主开通阶段时间，在保证串联IGBT电压平衡的前提下提高开关速度，降低IGBT开关损耗。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.IGBT串联时电压平衡可靠度高；
2.IGBT串联时开关损耗低；
3.IGBT开关电压应力可控。
附图说明
图1是：本发明的IGBT参考电压波形示意图；
图2是：本发明的IGBT主开关过程损耗优化控制策略功能框图示意图；
图3是：本发明的IGBT预开关过程损耗优化控制策略功能框图示意图；
图4是：本发明的IGBT给定电压关断阶段调整前示意图；
图5是：本发明的IGBT给定电压关断阶段调整后示意图；
图6是：本发明的IGBT关断电压波形调整前示意图；
图7是：本发明的IGBT关断电压波形调整后示意图；
图8是：本发明的IGBT给定电压开通阶段调整前示意图；
图9是：本发明的IGBT给定电压开通阶段调整后示意图；
图10是：本发明的IGBT开通电压波形调整前示意图；
图11是：本发明的IGBT开通电压波形调整后示意图。
具体实施方式
参考电压波形如图1所示，主要包括预关断阶段(t0-t1)、主关断阶段(t1-t2)、预开通阶段(t3-t4)和主开通阶段(t4-t5)。其中预关断阶段和预开通阶段控制原理相同，主关断阶段和主开通阶段控制原理相同。
主关断阶段(t1-t2)和主开通阶段(t4-t5)原理框图如图2所示。每个IGBT由各自独立的驱动电路控制，阀臂上IGBT的驱动电路由同一个阀基控制单元提供控制信号。
主关断阶段和主开通阶段优化控制分为调整1和调整2两个部分：
调整1：检测IGBT端电压，将IGBT开关时dv/dt与阀基控制单元传递来参考电压dv/dt的进行比较。当两者差异大于允许值时，向上级传递降低dv/dt的信号，当两者差异小于允许值时，向上级传递提高dv/dt的信号。阀基控制单元检测所有驱动单元传递来的调整信号，当所有信号均为提高dv/dt时，阀基控制单元将提高参考电压的dv/dt；当有一个信号为降低dv/dt时，阀基控制单元将降低参考电压的dv/dt，调整后的参考电压将传递给各个驱动单元。
调整2：检测IGBT端电压，将IGBT开关时dv/dt与阀基控制单元传递来的参考电压dv/dt进行比较。当IGBT开关时dv/dt大于阀基控制单元传递来参考电压的dv/dt，将降低参考电压的dv/dt；当IGBT开关时dv/dt小于阀基控制单元传递来参考电压的dv/dt，将提高参考电压的dv/dt。调整后的参考电压传递至下级参与IGBT电压平衡控制。
预关断阶段(t0-t1)和预开通阶段(t3-t4)控制原理框图如图3所示。此部分在个驱动单元上实现，各个IGBT相互独立。在各个驱动单元上检测vout电压波形，判断IGBT所需延迟时间。将检测到的IGBT实际延迟时间与参考电压给定的预开关时间进行比较，当检测到的IGBT实际延迟时间大于参考电压给定的预开关时间时，增加参考电压给定的预开关时间；当检测到的IGBT实际延迟时间小于参考电压给定的预开关时间时，减短参考电压给定的预开关时间。
本发明提出的基于损耗优化的电压自适应控制策略分别优化预开关阶段和主开关阶段，保证IGBT电压平衡的前提下，降低IGBT开关损耗，其中预开关阶段调整与主开关阶段调整相互独立。
依据上述控制原理，仿真结果如下图所示：
图4、图5为参考电压波形关断阶段调整前后波形对照；
图6、图7为IGBT关断波形调整前后对照。从图中可知预关断时间及主关断时间经优化后，IGBT关断速度明显增快，IGBT关断损耗降到较理想值。
图8、图9为参考电压波形开通阶段调整前后波形对照；
图10、图11为IGBT开通波形调整前后对照。从图中可知预开通时间及主开通时间经优化后，IGBT开通速度明显增快，IGBT开通损耗降到较理想值。
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管本领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行种种修改或变更，但这些修改和变更，均在申请待批本发明的权利申请要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于IGBT串联损耗优化电压自适应控制方法,其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)检测IGBT端电压；
(2)调整主开关阶段的时间；
(3)调整预开关阶段的时间；
所述调整主开关阶段包括调整主开通阶段和调整主关断阶段；所述调整预开关阶段包括调整预开通阶段和调整预关断阶段；
在各驱动单元上进行所述步骤(3)调整预开关阶段的时间，各个IGBT相互独立，驱动单元检测vout电压波形，将检测到的IGBT实际延迟时间与参考电压给定的预开关时间进行比较，确定增加或减少参考电压给定的预开关时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整主开关阶段中，由各自独立的驱动电路控制每个IGBT；IGBT的驱动电路由同一个阀基控制单元提供控制信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)调整主开关阶段的时间分为下述两个步骤：
(2-1)通过所述步骤(1)检测IGBT端电压，对IGBT开关时电压变化率dv/dt与阀基控制单元传递来的参考电压电压变化率dv/dt进行比较，判断两者之间的差异性，确定向上级传递降低或提高参考电压电压变化率dv/dt的信号，阀基控制单元依据驱动单元传递的信号调整参考电压电压变化率dv/dt；
(2-2)通过所述步骤(1)检测IGBT端电压，将IGBT开关时电压变化率dv/dt与阀基控制单元传递来的参考电压电压变化率dv/dt进行比较，确定降低或提高参考电压电压变化率dv/dt，传递至下级参与IGBT电压平衡控制电压。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述预开关阶段的调整和所述主开关阶段的调整彼此独立。
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