CN104022628B - 一种igbt串联均压控制系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT串联均压控制系统及方法，包括N个串联的IGBT管，N个IGBT端电压采样电路、基准电压源Vref、比较模块、驱动信号采样电路、DSP处理电路、N个驱动器及辅助驱动器；采用对各个串联的IGBT管两端电压进行采样比较，判断是具体那个管子承受过大的电压，再通过对驱动信号进行采样判断此时开关管是处于开通还是导通的状态，最后通过DSP处理输出相应的信号控制辅助驱动器实现动态均压。本系统采用的是分开驱动的方法，同时对驱动信号进行采样，不仅可以实现动态均压，而且可以防止误导通和误关断操作。

Description

一种IGBT串联均压控制系统的控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子器件控制领域，特别涉及一种IGBT串联均压控制系统及方法。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)结合了电力场效应晶体管(MOSFET)和电力晶体管通、关断机制的优点，具有输入阻抗高，驱动功率小，工作频率高，开关特性好等优点，是一种比较理想的全控型器件，广泛应用于电力电子与电力传动领域。然而，在许多高压或超高压场合中如：高压直流输电、静态可变补偿器、高压逆变器、机车牵引等，由于单管的耐压等级比较低，不能满足电路工作的需求，导致其使用受到限制。一方面如何提高IGBT的单管耐压成了高压应用的一个需求，另一方面如何在现有的条件下提高耐压也是一个研究的方向。其中IGBT的串联使用是一种较为有效的提高耐压的方法。然而，在IGBT的串联应用中,由于单个IGBT器件自身的参数及其寄生参数和驱动信号都会存在大大小小的差异，导致串联器件开通和关断的不一致，进而导致串联器件在开关过程中出现动态、静态的耐压不均。存在这种电压分配不均匀现象会对电路的正常使用带来影响，可能会导致个别器件因受压过高而被击穿。因此，IGBT串联研究的核心是动态均压问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种IGBT串联均压控制系统及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种IGBT串联均压控制系统，包括N个串联的IGBT管，其特征在于，还包括与IGBT管相同数量的IGBT端电压采样电路、基准电压源Vref、比较模块、驱动信号采样电路、DSP处理电路、与IGBT管相同数量的驱动器及辅助驱动器；

所述IGBT端电压采样电路跨接在IGBT管的源极和漏极上，实时采集IGBT的端电压，所述IGBT端电压采样电路的输出端与比较模块的输入端连接，所述基准电压源Vref与比较模块的输入端连接，所述比较模块的输出端与DSP处理 电路的输入端连接，所述DSP处理电路的输出端分别与N个辅助驱动器的输入端连接，所述辅助驱动器的输出端与IGBT管的基极连接，所述N个驱动器的输入端分别与驱动信号连接，所述驱动器的输出端与IGBT管的基极连接，所述驱动信号采样电路的输出端分别与DSP处理电路和比较模块连接，所述N为大于等于2的自然数。

一种IGBT串联均压的控制方法，包括如下步骤：

S1系统初始化，N个IGBT端电压采样电路分别采集所对应单个IGBT管的电压信号，驱动信号采样电路采集驱动信号电压，同时初始化基准电压源Vref然后输入到比较模块电路；

S2比较模块判断出单管IGBT最大端电压和最小端电压，设第x个IGBT管的两端电压为最大端电压，记为Vx，设第y个IGBT管的两端电压为最小端电压，记为Vy，然后将这两个电压的差值即Vx-Vy与基准电压Vref比较，如果差值大于Vref则第x个IGBT管出现了过压的情况；

同时比较模块判断驱动信号的采样电压，当驱动信号的采样电压值为正时，将第x个IGBT管比较模块输出相应位即第x位置一，当驱动信号的采样电压值为负时将第y个IGBT管比较模块输出相应位即第y位置一，触发DSP的中断处理；

S3DSP收到中断请求之后，判断驱动信号的采样电压，当驱动信号的采样电压为正时，得知此时第x个IGBT管处于导通状态，此时第x个IGBT管相应DSP处理电路中断位置一，则输出信号给第x个IGBT管相对应的辅助驱动器，加大栅极驱动电压，加速第x个IGBT管的导通；

当驱动信号的采样电压为负时，得知此时第x个IGBT管处于关断状态，此时第y个IGBT管相应DSP处理电路输入中断位置一，则输出信号给第y个IGBT管相对应的辅助驱动器，增大第y个IGBT管栅极的反向电压，从而加速第y个IGBT管的关断，所述2≤x,y≤N。

采用IGBT端电压采样信号闭环反馈控制方式实现IGBT的动态串联均压；分开控制各个IGBT的导通和关断，更加容易实现模块化。

本发明具有如下有益效果：

实现N个串联IGBT的动态均压；同时对驱动信号进行采样，防止开关管的误导通和误关断，使得电路工作更加安全和可靠；系统还设立了基准电源Vref可以灵活控制IGBT的过压程度。

附图说明

图1是本发明一种IGBT串联均压控制系统的结构示意图；

图2是本发明中比较模块的工作流程图；

图3是本发明中DSP处理电路的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种IGBT串联均压控制系统，包括N个串联的IGBT管Q1，Q2……QN，还包括与IGBT管相同数量的IGBT端电压采样电路、一个基准电压源Vref、一个比较模块、驱动信号采样电路、DSP处理电路、与IGBT管相同数量的驱动器及辅助驱动器。

所述IGBT端电压采样电路跨接在IGBT管的源极和漏极上，实时采集IGBT管的两端电压。所述IGBT端电压采样电路的输出端、基准电压源Vref分别与比较模块电路的输入端连接。所述比较模块的输出端与DSP处理电路的输入端连接，所述DSP处理电路的输出端分别与N个辅助驱动器的输入端连接。

所述辅助驱动器的输出端与IGBT管的基极连接，所述N个驱动器的输入端分别与驱动信号连接，所述驱动信号采样电路的输出端分别与DSP处理电路和比较模块电路连接，所述N为大于等于2的自然数。

本发明中的基准电压Vref可以根据需要取不同的值，从而控制单个IGBT的过压程度。

本发明加入了辅助驱动器，不仅可以分开驱动，同时可以控制IGBT的导通和关断的速度，更加灵活和实用。本发明所述的辅助驱动器，可以在IGBT导通时加大驱动电压，从而加大驱动电流，加速IGBT的导通。在IGBT关断时，增大IGBT栅极的反向电压，从而加速IGBT的关断。通过上述的两个动作就可以同时可以控制IGBT的导通和关断的速度。

一种IGBT串联均压的控制方法，包括如下步骤：

S1系统初始化，N个IGBT端电压采样电路分别采集所对应单个IGBT管的电压信号，驱动信号采样电路采集驱动信号电压，同时初始化基准电压源Vref然后输入到比较模块电路；Vref的取值不同可以控制IGBT的过压程度，使得系统更加灵活；清除中断位，防止系统误操作。

S2如图2所示，比较模块判断出单管IGBT最大端电压和最小端电压，设第x个IGBT管的两端电压为最大端电压，记为Vx，设第y个IGBT管的两端电压为最小端电压，记为Vy，然后将这两个电压的差值即Vx-Vy与基准电压Vref比较，如果差值大于Vref则第x个IGBT管出现了过压的情况，否则，退回上一步继续监视单管IGBT最大端电压和最小端电压。

同时比较模块判断驱动信号的采样电压，当驱动信号的采样电压值为正时，可知此时IGBT处于开通状态，所以是出现过压的IGBT管开通过慢，将第x个IGBT管的比较模块输出相应位即第x位置一，触发DSP中断，DSP输出相应的信号加速其开通；

当驱动信号的采样电压值为负时，此时IGBT处于关断状态，所以是端电压最小的IGBT管关断过慢，将比较模块输出第y位置一触发DSP中断，DSP输出相应的信号加速其关断。

S3DSP收到中断请求之后，判断驱动信号的采样电压，当驱动信号的采样电压为正时，得知此时第x个IGBT管处于导通状态，此时第x个IGBT管相应DSP处理电路输入中断位置一(中断位置于高电平)，则输出信号给第x个IGBT管的辅助驱动器，加大栅极驱动电压，加速第x个IGBT管的导通；

当驱动信号的采样电压为负时，得知此时第x个IGBT管处于关断状态，此时第y个IGBT管相应DSP处理电路输入中断位置一，则输出信号给第y个IGBT管的辅助驱动器，增大第y个IGBT管栅极的反向电压，从而加速第y个IGBT管的关断，所述2≤x,y≤N。

S4延时一个时钟周期到两个时钟周期，确保可以触发DSP中断。清除中断位，返回S2继续监视单管IGBT最大端电压和最小端电压。

图3是本发明中DSP处理电路的工作流程图。当比较模块与DSP连接的相应中断位置一时，触发DSP中断。中断处理内容具体如下：判断驱动信号的采样电压V_GE是否大于0，当V_GE大于0时，可知此时IGBT处于开通状态，所以是出现过压的IGBT管开通过慢，DSP输出相应的信号加速中断位对应的IGBT开通。相反当V_GE小于0时，可知此时IGBT处于关断状态，所以是端电压最小的IGBT管关断过慢，DSP输出相应的信号加速中断位对应的关断。

系统对驱动信号的采样电压V_GE的正负作了两次判断：第一次是在比较模块电路中，这里对V_GE作判断主要是确定将第x位或是第y位的中断位置一；第二次是在DSP处理电路中，这里对V_GE作判断主要是确定加速中断位对应IGBT管的开通或是关断。通过这两个模块的共同作用就可以实现动态均压，而且可以防 止误导通和误关断操作。

一种IGBT串联均压的控制方法和用于实现该方法的控制系统，采用分开驱动的方式，可以对单个IGBT开关管进行单独的控制，控制更加灵活。同时还对驱动信号进行采样，可以判断开关管的瞬时工作状态到底是导通状态还是关断状态，这样就可以避免误操作。以整流桥为例，一般均压电路是在IGBT过压时导通此IGBT，虽然这样做是可以降低其两端电压，但是如果此时该桥臂是处在关断状态时，有可能出现误导通状况，使得上下桥臂同时导通，造成短路现象。而采用本控制方法就不会出现上述的情况，使得电路工作更加安全。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种IGBT串联均压控制系统的控制方法，其特征在于，IGBT串联均压控制系统包括N个串联的IGBT管，N个IGBT端电压采样电路、基准电压源Vref、比较模块、驱动信号采样电路、DSP处理电路、N个驱动器及N个辅助驱动器；所述IGBT端电压采样电路跨接在IGBT管的源极和漏极上，实时采集IGBT的端电压，所述IGBT端电压采样电路的输出端与比较模块的输入端连接，所述基准电压源Vref与比较模块的输入端连接，所述比较模块的输出端与DSP处理电路的输入端连接，所述DSP处理电路的输出端分别与N个辅助驱动器的输入端连接，所述辅助驱动器的输出端与IGBT管的栅极连接，所述N个驱动器的输入端分别与驱动信号连接，所述驱动器的输出端与IGBT管的栅极连接，所述驱动信号采样电路的输出端分别与DSP处理电路和比较模块连接，所述N为大于等于2的自然数；

包括如下步骤：

S1 系统初始化，N个IGBT端电压采样电路分别采集所对应单个IGBT管的电压信号，驱动信号采样电路采集驱动信号电压，同时初始化基准电压源Vref然后输入到比较模块电路；

S2 比较模块判断出单管IGBT最大端电压和最小端电压，设第x个IGBT管的两端电压为最大端电压，记为Vx，设第y个IGBT管的两端电压为最小端电压，记为Vy，然后将这两个电压的差值即Vx-Vy与基准电压Vref比较，如果差值大于Vref则第x个IGBT管出现了过压的情况；

同时比较模块判断驱动信号的采样电压，当驱动信号的采样电压值为正时，将第x个IGBT管比较模块输出相应位即第x位置一，当驱动信号的采样电压值为负时将第y个IGBT管比较模块输出相应位即第y位置一，触发DSP的中断处理；

S3 DSP收到中断请求之后，判断驱动信号的采样电压，当驱动信号的采样电压为正时，得知此时第x个IGBT管处于导通状态，此时第x个IGBT管相应DSP处理电路输入中断位置一，则输出信号给第x个IGBT管相对应的辅助驱动器，加大栅极驱动电压，加速第x个IGBT管的导通；

当驱动信号的采样电压为负时，得知此时第x个IGBT管处于关断状态，此时第y个IGBT管相应DSP处理电路输入中断位置一，则输出信号给第y个IGBT管相对应的辅助驱动器，增大第y个IGBT管栅极的反向电压，从而加速第y个IGBT管的关断，所述2≤x,y≤N。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：采用IGBT端电压采样信号闭环反馈控制方式实现IGBT的动态串联均压；分开控制各个IGBT的导通和关断，实现模块化。