CN106569014A - Igbt集电极电压分立测量电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种IGBT集电极电压分立测量电路，其特征在于：它包括二极管D1～D2，高输入阻抗差分放大器U1，高输入阻抗运算放大器U2，相同的高精度限流电阻R1和R2，同型号电流源IS1～IS2，其中，电流源IS1通过电阻R1为二极管D1、D2注入电流，电流源IS2通过电阻R2为二极管D2注入电流；二极管D1、D2阴极分别与IGBT集电极、发射极相连，二极管D1、D2阳极分别高输入阻抗差分放大器U1同相端和反向端相连；高输入阻抗运算放大器U2同相端分别连接于电阻RH、RL之间以及电容CH、CL之间，高输入阻抗运算放大器U2，的反向端与输出端连接；门驱动器的输出端经电阻RG与IGBT的基极连接。本发明实现IGBT开关暂态集电极电压的高带宽测量及导通低压高精度测量。

Description

IGBT集电极电压分立测量电路
技术领域
本发明属于电信号高精度测量领域，具体涉及一种IGBT关断电压和导通电压集成的测量电路。
背景技术
目前，电力电子变流技术的一个很重要的发展方向是智能化、中高压、大容量、高功率密度、高可维护性和高可靠性。其中，高可靠性是电力电子变流系统需要达到的最基本也是最重要的一个性能指标。据工业界的调查显示，近三分之一的电力电子变流系统故障是由电力电子功率器件的损坏引起的，尤其是由过电压击穿引起的器件失效，因而对功率器件电压在线监控非常重要。
IGBT是目前应用最为广泛的中大功率、全控型电力电子器件，其直接相关的门级驱动器是影响IGBT器件及其组成的变流系统发挥最优性能的关键因素。目前，传统的模拟式无源门极驱动器采用固定的开通和关断电阻切换来实现IGBT驱动控制，存在着固有的开关损耗和开关性能之间的矛盾，无法实现集电极电压、电流变化率的解耦控制，限制了功率器件的安全运行区间。有源门极驱动技术利用有源器件实现向IGBT门极注入所需要的门极电流或施加特定的门极电压，可实现IGBT的开关损耗与开关性能的较好折中，然而仍存在着一些固有的缺点：①利用大量的模拟器件实现较复杂的控制功能，驱动器内部器件数目多，降低了驱动器的可靠性；②模拟驱动器无法全面实现对IGBT端口电气变量和运行状态的记录和存储，不便于系统控制器对IGBT的运行状态和故障行为进行很好的监控与诊断。
数字门极驱动控制器以数字电路为核心，以部分模拟电路为辅助，其中模拟电路主要对IGBT端口电量信号(uCE、duCE/dt、uGe、iC和diC/dt)检测调理，此后经高速A/D采集后送入FPGA处理、存储和上传。此后通过电压源或电流源实现IGBT驱动分级控制及以硬件比较器为核心的IGBT快速保护功能。其中与数字式IGBT驱动技术直接相关的便是功率器件的端口电气量，其中直接对IGBT可靠运行构成威胁的有IGBT集电极电压VCE。当IGBT承受的集电极电压超过IGBT最大耐压时，很容易造成IGBT电击穿损坏，甚至IGBT爆炸，给整个变流系统造成巨大的破坏，故结合数字驱动器实现IGBT集电极电压在线监控非常必要。
IGBT关断暂态集电极电压的测量是数字式驱动器实现IGBT驱动反馈控制和过电压保护的基础，IGBT导通时饱和电压高精度的测量，对IGBT短路、过电流等故障保护以及IGBT状态识别有着重要的参考作用。此外，通过数字驱动器上传的IGBT集电极电压数据为实现变流器直流母线电压估计及变流器少传感器控制奠定基础。结合集电极电流，可进行IGBT结温在线估计及寿命预测，并对可能出现的故障进行提前保护，实现变流系统可靠性提高。但IGBT关断时的阻断电压和导通时的饱和电压相差很大，两种状态下对测量电路精度要求也不相同。目前，IGBT关断电压常达数千伏，这就要求IGBT集电极高压测量电路能耐压相应电压等级；IGBT导通时，导通饱和压降只有几伏，要求测量精度十毫伏级，以便依据饱和压降来判断IGBT是否过流等故障，实现对IGBT状态识别、寿命预测以及结温的在线估计。由上可知，IGBT集电极电压测量电路需突破测量范围宽，低压测量精度高的难点。
目前，IGBT集电极电压主要应用在模拟式IGBT驱动器中，如CONCEPT公司驱动器基于退饱和电路检测饱和压降来判断IGBT是否短路，利用有源箝位电路来判断IGBT是否过压，InPower公司、Amantys公司部分驱动器通过阻容分压电路实现IGBT集电极电压检测，这些应用对集电极电压检测精度要求不高。利用大电阻分压电路实现IGBT集电极电压测量，由于测量电路系统误差较大，只能测量阻断高电压，IGBT开关暂态测量需考虑电阻寄生参数影响，且不能用于饱和压降的精确测量。通过继电器快速开关来实现IGBT饱和压降测量，但继电器开关速度仍无法满足IGBT饱和压降在线测量要求。通过二极管钳位来测量IGBT饱和压降，但二极管在高温下其饱和压降将变化从而导致测量精度不高。通过二极管和稳压管来测量IGBT饱和压降，稳压管非常有利于功率IGBT热补偿，但稳压管增加了在高压下测量的限制。此外，IGBT开通关断暂态时间短，要求IGBT集电极电压测量电路具有高带宽测量能力，因而设计时需考虑测量电路中电阻、二极管等寄生参数的影响，并设计相应的补偿电路。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种IIGBT集电极电压分立测量电路，实现IGBT开关暂态集电极电压的高带宽测量及导通低压高精度测量。
本发明提供了一种IGBT集电极电压分立测量电路，其特征在于：它包括二极管D1～D2，高输入阻抗差分放大器U1，高输入阻抗运算放大器U2，电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络，相同的高精度限流电阻R1和R2，同型号电流源IS1～IS2，其中，电流源IS1通过电阻R1为二极管D1、D2注入电流，，电流源IS2通过电阻R2为二极管D2注入电流；二极管D1、D2阴极分别与IGBT集电极、发射极相连，二极管D1、D2阳极分别高输入阻抗差分放大器U1同相端和反向端相连；IGBT集电极和发射极间并联有相互串联的电阻RH、RL以及相互串联的电容CH、CL，高输入阻抗运算放大器U2同相端分别连接于电阻RH、RL之间以及电容CH、CL之间，高输入阻抗运算放大器U2，的反向端与输出端连接；门驱动器的输出端经电阻RG与IGBT的基极连接；门驱动器的接地端接地；IGBT的发射极接地。
当IGBT导通时，二极管D1正偏导通并与二极管D2流过相同电流，差分放大电路输出电压uCEsat与IGBT两端电压uCE相同；IGBT开关暂态及关断稳态时利用阻容分压电路，其经运放阻抗隔离后的电压uCEoff与集电极电压uCE关系为：uCEoff＝uCERL/(RH+RL)。
所述电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络。
本发明考虑到IGBT门级驱动分级控制和保护对IGBT开关暂态集电极电压测量的高动态性能要求，利用分立测量电路实现了IGBT开关暂态及稳态的高带宽策略。为高电压环境中IGBT集电极电压电量信号高精度测量提供了一种可行的方案，为IGBT数字驱动控制、保护和结温估计奠定了基础。当IGBT导通时，利用双电流源给高压隔离二极管和低压补偿二极管注入微小电流实现IGBT导通饱和压降的精确测量，测量精度为5mV。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明负载2mH开通暂态细节，不同母线电压下(1.5kV和2kV)测试结果；
图3是本发明负载2mH关断暂态细节，不同母线电压下(1.5kV和2kV)测试结果；
图4是本发明不同母线电压下IGBT导通压降测试结果；
图5是本发明不同母线电压下IGBT导通压降测试误差；
图6是本发明静态测试误差；
图7是本发明度下导通压降测量误差。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
本发明提供了一种IGBT集电极电压分立测量电路，其特征在于：它包括二极管D1～D2，高输入阻抗差分放大器U1，高输入阻抗运算放大器U2，电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络，相同的高精度限流电阻R1和R2，同型号电流源IS1～IS2，其中，电流源IS1通过电阻R1为二极管D1、D2注入电流，，电流源IS2通过电阻R2为二极管D2注入电流；二极管D1、D2阴极分别与IGBT集电极、发射极相连，二极管D1、D2阳极分别高输入阻抗差分放大器U1同相端和反向端相连；IGBT集电极和发射极间并联有相互串联的电阻RH、RL以及相互串联的电容CH、CL高输入阻抗运算放大器U2同相端分别连接于电阻RH、RL之间以及电容CH、CL之间，高输入阻抗运算放大器U2，的反向端与输出端连接；门驱动器的输出端经电阻RG与IGBT的基极连接；门驱动器的接地端接地；IGBT的发射极接地。
考虑到IGBT门级驱动分级控制和保护对IGBT开关暂态集电极电压测量的高动态性能要求，发明了如图1所示分立测量电路来实现对IGBT开关暂态和导通稳态集电极电压测量，图中uCEoff主要实现IGBT集电极开关暂态及关断稳态电压测量，uCEsat主要实现IGBT导通饱和压降的精确测量，uCE为实际的集电极电压。
其原理如下：当IGBT导通时，二极管D1正偏导通，并与D2流过相同电流(电流源IS1与IS2相同)，此时差分放大电路输出电压uCEsat与IGBT两端电压uCE相同；在IGBT开关暂态及关断稳态则利用阻容分压电路，其经运放阻抗隔离后的电压uCEoff与集电极电压uCE关系为：uCEoff＝uCERL/(RH+RL)。
在负载2mH，母线电压分别为1.5kV和2kV下进行了实验，结果如图2所示，图中uCE估计值为低压探头测量的图1所示电路输出电压uCEoff经还原后的集电极电压，uCE实际值为高压探头测量IGBT 模块集电极-发射极两端电压。图2给出了IGBT开关暂态细节图。从IGBT集电极电压开关暂态细节图知，关断电压测量电路较好实现了IGBT集电极开关暂态电压的高带宽测量，测量精度小于10V。
为验证图1所示饱和压降测量电路的高精度性能，在不同电压下进行了实验验证。测试说明：由于现有的低压探头只能应用于600V以下的电压场合，无法应用于更高母线电压的测量，高压差分探头可实现高母线电压的测量，但无法实现IGBT饱和导通几伏级电压的准确测量。因而对于图1所示电路测量IGBT导通压降测量电路准确性的验证，同时考虑到IGBT关断尖峰，主要在母线电压500V及以下进行。
在负载为1.5mH，母线电压分别为200V、300V、400V和500V下进行了双脉冲测试，测试结果如图3所示，并给出相应的测试误差，见图4。注：测试误差为IGBT导通压降测量值与实际值之差。图中uCE(sat)为IGBT导通饱和压降，测量值为低压探头测量的图2所示电路输出电压uCEsat，实际值为低压探头测量的IGBT集电极-发射极两端电压，所采用的低压探头型号为P6100，其带宽100MHz。IGBT集电极电流iC则采用柔性罗氏线圈进行，罗氏线圈型号为CWT60B。此外，图6给出了探头静态误差结果。注：静态误差为两低压探头对夹时，示波器两个通道所测量的电压之差。
在上述基础上，在不同温度下，对图1所示饱和压降测量电路性能进行了测试。由于示波器本身存在一定的误差，下述导通压降测试结果是通过高精度数字万用表获得。具体实施如下：在IGBT集电极-发射极两端并联1欧姆电阻(模拟IGBT导通电阻)，通过数字可调电流源给其注入0.5A～6A电流，在恒温箱不同温度下进行了测试。图6给出了不同温度，不同导通压降下测量误差，测量误差为IGBT实际的集电极电压与测量电路输出电压之差。注：高精度数字万用表输出结果为有效值。从图6结果知，在温度30℃～80℃范围内，图1所示饱和压降测量电路测量精度可达5mV。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种IGBT集电极电压分立测量电路，其特征在于：它包括二极管D1～D2，高输入阻抗差分放大器U1，高输入阻抗运算放大器U2，电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络，相同的高精度限流电阻R1和R2，同型号电流源IS1～IS2，其中，电流源IS1通过电阻R1为二极管D1、D2注入电流，电流源IS2通过电阻R2为二极管D2注入电流；二极管D1、D2阴极分别与IGBT集电极、发射极相连，二极管D1、D2阳极分别高输入阻抗差分放大器U1同相端和反向端相连；IGBT集电极和发射极间并联有相互串联的电阻RH、RL以及相互串联的电容CH、CL，高输入阻抗运算放大器U2同相端分别连接于电阻RH、RL之间以及电容CH、CL之间，高输入阻抗运算放大器U2，的反向端与输出端连接；门驱动器的输出端经电阻RG与IGBT的基极连接；门驱动器的接地端接地；IGBT的发射极接地。
2.根据权利要求1所述的IGBT集电极电压分立测量电路，其特征在于当IGBT导通时，二极管D1正偏导通并与二极管D2流过相同电流，差分放大电路输出电压uCEsat与IGBT两端电压uCE相同；IGBT开关暂态及关断稳态时利用阻容分压电路，其经运放阻抗隔离后的电压uCEoff与集电极电压uCE关系为：uCEoff＝uCERL/(RH+RL)。
3.根据权利要求1所述的IGBT集电极电压分立测量电路，其特征在于电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络。
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