CN104201871B - 基于fpga的高压串联igbt门极驱动单元及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的高压串联绝缘栅双极晶体管IGBT门极驱动单元及方法，其中，门极驱动单元包括FPGA以及与所述FPGA电连接的触发关断电路、电压监视回路、自取能电路、动态均压电路、静态均压电路和光电转换电路；FPGA通过电压监视回路监测IGBT两端的实时电压，监视IGBT的状态是否正常，并根据IGBT两端电压对取能电路中的存储电容通过进行控制；所述光电转换电路通过光纤与阀控装置连接，接收阀控装置发送的IGBT触发与关断信号，并将IGBT的运行状态发送给阀控装置。本发明利用了大容量的FPGA器件来同时实现自取能、均压、工况监视、触发、关断、接收命令和返回状态信息的功能等复杂的逻辑功能，硬件结构简单可靠，故障率低，确保IGBT可靠稳定的运行。

Description

基于FPGA的高压串联IGBT门极驱动单元及方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，尤其是一种基于现场可编程门阵列FPGA (FieldProgrammable Gate Array)的高压串联IGBT门极驱动单元。

背景技术

在高压大功率变换器中，功率器件要具有较高的耐压值，而目前单个器件不能满足这一要求。用多个功率开关器件直接串联使用是解决该问题的一种简单的方法。由于各串联IGBT内部参数以及开通关断驱动脉冲的时间及幅值存在差异实际应用中串联器件之间会产生动态及稳态电压不均的问题严重时将导致过电压而损坏设备。因此多个IGBT直接串联的驱动控制方法研究与实现十分必要。

串联IGBT的驱动信号的延迟不一致是引起端电压失衡的原因之一。延迟时间不同会造成开通过程中，在慢开的器件上产生电压尖峰和较高的静态电压，导致各串联管电压不均衡。引起过电压的另一个主要原因是各串联器件引线分布电感和吸收电路特性不一致。不同IGBT其引线电感不同，因而会导致不同的开关特性和电压尖峰。关断瞬间的电压上升速率dV/dt主要取决于吸收电容，而电容值的误差较大，且随工作温度及应用时间变化，因此每个串联的IGBT的dV/dt也会有所不同，吸收电容小的IGBT两端会产生较高的过电压。

目前国内的应用大都直接采购国外大公司生产的IGBT驱动和控制装置，并且都是利用现成的驱动芯片来实现监视、控制和保护功能，逻辑相对简单，可靠性能低。为了满足IGBT运行时复杂的工况，IGBT驱动和控制装置具有向智能化发展的趋势；为了满足高压大容量的需求，IGBT驱动和控制装置又具有能够满足IGBT直接串联的发展趋势。

发明内容

发明目的：一个目的是提供一种基于FPGA的高压串联IGBT门极驱动单元，以解决现有技术存在的至少部分问题，

技术方案：一种基于FPGA的串联IGBT门极驱动单元，包括FPGA以及与所述FPGA电连接的触发关断电路、电压监视回路、自取能电路、动态均压电路、静态均压电路和光电转换电路；FPGA通过电压监视回路监测IGBT两端的实时电压，并根据IGBT两端电压对取能电路中的存储电容通断进行控制，实时调整充放电时间，从而控制纹波系数，使其在预设的范围内；所述光电转换电路通过光纤与阀控装置连接，接收阀控装置发送的IGBT触发与关断信号，并将IGBT的运行状态发送给阀控装置。

进一步的，本发明还提供了一种采用上述基于FPGA的串联IGBT门极驱动单元的驱动方法，步骤如下：

FPGA驱动电压监视回路采集IGBT两端的电流，通过光纤接收阀控装置的关断信号；

当接收到触发或关断命令时，FPGA驱动触发关断电路以执行相应的动作，触发或关断IGBT；

在触发或关断过程中，如果检测到器件过流时，降低栅极电压。

在进一步的实施过程中，跟踪IGBT两端电压波形，调整IGBT门极驱动电压，使IGBT的导通或者关断特性满足要求。若检测到故障，延时调整；若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态。

有益效果：本发明由FPGA直接控制驱动采样芯片，得到IGBT两端的电压值，能够以80MHz及以上的工作频率实时地比较调整IGBT两端的电压值，为动态均压提供了可靠的保证。接收阀控单元的命令及门极驱动单元的工况，均由FPGA实时完成，大大提高了装置的可靠性。FPGA同时监视控制自取能电路，由FPGA实现的PWM脉冲调制，能很好的抑制纹波系数，保证电源的稳定可靠而无需外部供电，实现真正的高压应用。利用了大容量的FPGA器件来同时实现自取能、均压、工况监视、触发、关断、接收命令和返回状态信息的功能等复杂的逻辑功能，所有功能由逻辑电路实现，硬件结构简单可靠，故障率低，确保IGBT可靠稳定的运行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于FPGA的串联IGBT的门极驱动单元主要包括FPGA以及与所述FPGA电连接的触发关断电路、电压监视回路、自取能电路、动态均压电路、静态均压电路和光电转换电路。

FPGA以现场可编程门阵列XC3S200A为核心；电压监视电路以ADC模数转换芯片为核心；自取能电路单元其主要由隔离器件、防护器件及阻容电感等被动元件组成。IGBT触发关断电路用于驱动IGBT的栅极，同时满足实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离及提供合适的栅极驱动脉冲。FPGA通过光电转换电路与阀控单元交互信息。

本发明的具体实施方法包括如下步骤：

FPGA直接驱动ADC模数转换芯片对IGBT两端电压电流进行采集。

降低栅极电压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。

监测到故障后，延时调整，若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗干扰能力。以上功能均通过FPGA的逻辑实现实时采样实时调整，完成栅极侧主动控制通过调整栅极电流或电压实现对IGBT端电以分为驱动信号调节控制、反馈控制、端电压箝位控制。

本发明利用FPGA实现动态调整触发波形的技术：可实现对IGBT两端电压波形的快速跟踪（传输延时<50ns），并实时调整IGBT门极驱动电压（工作频率>80MHz），让IGBT的导通或者关断特性满足要求，从而实现IGBT的安全运行。通过采取合理的动态均压和静态均压电路，并利用快速FPGA来跟踪IGBT两端的电压波形，从而动态调整IGBT的门极电压波形，从而控制IGBT的导通和关断波形，保证IGBT导通和关断过程的安全性，实现IGBT直接串联技术。

FPGA实时监测IGBT两端电压的同时，对取能电路中的储能电容的通断进行控制，根据IGBT两端电压的不同，进行实时调整充放电时间，控制纹波系数到理想的范围，为门极驱动单元提供稳定的工作电源，实现真正的高压应用。

FPGA实时接收阀控单元的IGBT触发与关断信号，根据阀控单元的信号利用PWM驱动IGBT，实时监控门极驱动单元的工作状态，并将工作状态返回给阀控单元，阀控单元可以实时监控到各个串联IGBT的运行工况。

总之，本发明利用大容量的FPGA器件来实现复杂的逻辑功能，确保IGBT的可靠运行。利用FPGA控制模拟采样芯片，严格保证时序，实时监视IGBT的运行状态，一方面通过监视运行状态来控制和保护IGBT，另一方面，将运行状态通过光纤上送到阀体控制和保护装置。门极驱动单元通过在FPGA控制管理下接收阀体控制和保护装置的光信号，根据IGBT的运行状态，开通或者关断IGBT。开通或者关断的一致性<=10ns，满足IGBT高压串联阀体的运行工况。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (1)

1.一种采用基于FPGA的高压串联IGBT门极驱动单元的驱动方法，其特征在于，所述基于FPGA的高压串联IGBT门极驱动单元包括FPGA以及与所述FPGA电连接的触发关断电路、电压监视回路、自取能电路、动态均压电路、静态均压电路和光电转换电路；FPGA通过电压监视回路监测IGBT两端的实时电压，并根据IGBT两端电压对自取能电路中的存储电容通断进行控制，实时调整充放电时间，从而控制纹波系数，使其在预设的范围内；所述光电转换电路通过光纤与阀控装置连接，接收阀控装置发送的IGBT触发与关断信号，并将IGBT的运行状态发送给阀控装置；

所述驱动方法包括如下步骤：

FPGA驱动电压监视回路采集IGBT两端的电流，通过光纤接收阀控装置的关断信号；

当接收到触发或关断命令时，FPGA驱动触发关断电路以执行相应的动作；

在触发或关断过程中，监视IGBT的开通或者关断状态是否正常，决定是否要采取保护措施，当检测到器件过流时，降低栅极电压；

跟踪IGBT两端电压波形，调整IGBT门极驱动电压，使IGBT的导通或者关断特性满足要求；

若检测到故障，延时调整；若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，基于FPGA的高压串联IGBT门极驱动单元自动恢复正常的工作状态；

FPGA以现场可编程门阵列XC3S200A为核心；电压监视回路以ADC模数转换芯片为核心；自取能电路包括隔离器件、储能电容、防护器件和阻容电感；触发关断电路用于驱动IGBT的栅极，同时满足实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离及提供栅极驱动脉冲；FPGA通过光电转换电路与阀控装置交互信息；

FPGA实时监测IGBT两端电压的同时，对自取能电路中的储能电容的通断进行控制，根据IGBT两端电压的不同，进行实时调整充放电时间，控制纹波系数到理想的范围，为门极驱动单元提供稳定的工作电源，实现真正的高压应用；

FPGA实时接收阀控装置的IGBT触发与关断信号，根据阀控装置的信号利用PWM驱动IGBT，实时监控门极驱动单元的工作状态，并将工作状态返回给阀控装置，阀控装置实时监控到各个串联IGBT的运行工况。