CN106610445B

CN106610445B - 一种数字化驱动的igbt电流检测系统及其检测方法

Info

Publication number: CN106610445B
Application number: CN201510705435.0A
Authority: CN
Inventors: 白建成; 客金坤; 贺之渊; 魏晓光; 张升; 高阳; 杨兵建; 周万迪; 陈龙龙
Original assignee: Global Energy Interconnection Research Institute
Current assignee: Beijing Lianyan Guoxin Technology Co ltd; Global Energy Interconnection Research Institute
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2019-07-12
Anticipated expiration: 2035-10-27
Also published as: WO2017071365A1; CN106610445A

Abstract

本发明涉及一种数字化驱动的IGBT电流检测系统及其检测方法，所述系统包括主控制模块；所述主控制模块包括可编程逻辑模块和控制模块；所述可编程逻辑模块用于IGBT模块的故障检测、故障保护、多段式驱动逻辑及信息回报；所述控制模块用于完成IGBT导通电流和IGBT模块结温的检测，并将导通电流和结温检测的计算结果通过高速总线传输给所述可编程逻辑模块。本发明技术方案相比模拟驱动更加灵活，具有多段式开通方式，多段退饱和保护，短路保护和信息回报。

Description

一种数字化驱动的IGBT电流检测系统及其检测方法

技术领域：

本发明涉及电力电子器件领域，更具体涉及一种数字化驱动的IGBT电流检测系统及其检测方法。

背景技术：

数字驱动近些年来成为IGBT驱动发展的新趋势，而且在功率大的IGBT器件上优势更加明显。数字驱动相对模拟驱动来具有灵活性高，可以通过更新程序实现不同控制特性；控制精确，精确的时序控制，完美的关键保护；一致性和环境稳定性好，数字驱动控制特性不受RC参数差异影响，不受温度变化影响。

现今的IGBT驱动板，无论是数字驱动还是模拟驱动都没有集成IGBT电流检测功能，通常的IGBT电流检测方法采用电流传感器，虽然该方法测量精确，但是存在众多缺点，比如电流传感器的成本高，体积大，安装不方便。对于高压大功率多IGBT系统，比如模块化多电平变换器(MMC)，该系统可能需要几百个大功率IGBT，用电流传感器检测这么多IGBT电流不现实。综上所述，直接通过数字化驱动板估测IGBT的导通电流将是很好的选择。

发明内容：

本发明的目的是提供一种数字化驱动的IGBT电流检测系统及其检测方法，比模拟驱动更加灵活，具有多段式开通方式和更多保护方式。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种数字化驱动的IGBT电流检测系统，包括主控制模块；所述主控制模块包括可编程逻辑模块和控制模块；

所述可编程逻辑模块用于IGBT模块的故障检测、故障保护、多段式驱动逻辑及信息回报；

所述控制模块用于完成IGBT导通电流和IGBT模块结温的检测，并将导通电流和结温检测的计算结果通过高速总线传输给所述可编程逻辑模块。

所述可编程逻辑模块包括故障检测模块、保护逻辑模块、驱动逻辑模块、门极驱动阵列模块和传输模块；所述故障检测模块用于完成IGBT模块的故障检测；所述保护逻辑模块对处于故障的所述IGBT模块进行保护；所述驱动逻辑模块用于驱动IGBT模块；所述门级驱动阵列模块用于实现IGBT的多段式开通关断；所述传输模块用于将所述IGBT模块的导通电流，结温和工作状态反馈至上位控制模块。

所述控制模块包括电压检测模块、温度检测模块和电流检测模块；所述电压检测模块用于获取IGBT模块的导通压降Vce信息；所述温度检测模块获取IGBT模块散热片的温度信息；所述电流检测模块用于获取所述温度信息和导通压降Vce信息；计算IGBT模块流过的电流和所述结温并将所述电流和结温传送至所述可编程逻辑模块。

所述主控制模块还包括数模转换模块、电压采集模块和温度采集模块，用于将IGBT模块散热片的温度的模拟量以及IGBT模块的导通压降Vce的模拟量转换为数字量信息，将转换结果发送给所述控制模块；所述电压采集模块用于采集所述IGBT模块的导通压降Vce的模拟量；所述温度采集模块用于采集所述IGBT模块散热片的温度的模拟量。

所述可编程逻辑模块为现场可编程门阵列FPGA；所述控制模块为微控制器，选用同时集成两者功能的、高稳定性的、高安全性的microsemi公司最新一代FPGA。

一种数字化驱动的IGBT电流检测系统的检测方法，包括：

获取IGBT模块散热片的温度T_heatsink模拟量信息；

获取IGBT模块导通压降Vce模拟量信息；

将所述模拟量信息转换为数字量信息；

根据导通压降Vce数字量信息和温度T_heatsink数字量信息检测所述IGBT模块的导通电流和IGBT模块的结温并将所述导通电流和结温检测的计算结果通过高速总线传输给所述可编辑模块。

所述导通电流和结温检测的计算过程包括：

将采集到IGBT的散热片温度T_heatsink，叠加一个较小ΔT，作为假设的IGBT结温Tj；利用所述Tj和采集的Vce电压，分别计算出IGBT的导通损耗P_cond和开关损耗P_sw；所述导通损耗P_cond和开关损耗P_sw的求和为当前假设结温下的总损耗P_tot1；利用所述结温Tj和IGBT模块的热阻可反求出IGBT总损耗P_tot2；将P_tot1与P_tot2相比较，如果两者数值差距较大，继续增大ΔT，直到P_tot1和P_tot2的计算结果接近，此时的ΔT为所求的IGBT模块芯片到散热片的温差，再结合所述采集的Vce电压，求得IGBT的导通电流。

利用所述Tj和采集的Vce电压，分别通过下式计算出IGBT的导通损耗P_cond和开关损耗P_sw：

其中，d为IGBT模块的导通占空比，V_ce(sat)为IGBT的饱和电压，为IGBT饱和电压和结温T_j反求出导通电流Ic的函数表示；

Psw＝fsw x(Eon+Eoff)＝fsw x(F_Eon(Ic,Tj)+F_Eoff(Ic,Tj))

其中，fsw为IGBT开关频率，Eon为IGBT开通损耗，Eoff为IGBT关断损耗，F_Eon(Ic,Tj)为结温Tj、导通电流Ic与Eon的关系曲线，F_Eoff(Ic,Tj)为结温Tj、导通电流Ic和Eoff的关系曲线。

因此，求得当前IGBT总的损耗P_tot1为Pcond与Psw之和。

利用IGBT模块散热片温度信息T_heatsink和IGBT模块的热阻利用下面公式再次计算出IGBT总的损耗P_tot2。

IGBT的结温Tj计算公式如下：

Tj＝ΔTjc+ΔTch+T_heatsink＝P_tot2(R_th(j-c)IGBT+R_th(c-h)IGBT)+T_heatsink；ΔTjc为芯片到外壳的温差；ΔTch为外壳到散热片的温差；R_th(j-c)IGBT为IGBT芯片到外壳的热阻；R_th(c-h)IGBT为外壳到散热片的热阻；

假设IGBT的结温为Tj，可以反求出IGBT总的损耗，计算公式如下：

P_tot2＝(Tj-T_heatsink)/(R_th(j-c)IGBT+R_th(c-h)IGBT)；

通过对比两种IGBT总损耗的计算结果，最终利用不断迭代的方式计算出所述IGBT的导通电流通过下式确定：

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明技术方案对数字化IGBT驱动板主控制芯片的可进行特别选择，单芯片集成高性能的FPGA和ARM，两者相互配合完成IGBT的监测和控制；

2、本发明技术方案能够直接检测IGBT电流，从而省去了电流传感器，尤其是在复杂的大功率IGBT系统，优势很明显；

3、本发明技术方案通过采集IGBT的外壳温度以及利用迭代方式推算出IGBT的结温和电流，从而有效的对IGBT进行过温保护和电流保护；

4、本发明技术方案通过监测IGBT的导通损耗，开关损耗以及结温，可以评估当前IGBT的性能，进而能提前预判IGBT的好坏。

附图说明

图1为本发明实施例数字化IGBT驱动控制框图；

图2为本发明实施例某公司3300V/1500A的IGBT导通特性曲线图；

图3为本发明实施例某公司3300V/1500A的IGBT开关损耗特性曲线图；

图4为本发明实施例反复迭代的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明一种数字化驱动的IGBT电流检测系统及其检测方法，所述系统包括如图1所示，数字化驱动板的主控芯片采用集成FPGA和ARM的单芯片高性能CPU，FPGA完成ns级高速IO输入输出控制，精确的完成IGBT的故障检测，故障保护，多段式驱动逻辑及信息回报功能等；高性能ARM模块完成复杂的电流检测算法，并将计算结果通过CPU内部高速总线传输给FPGA，由FPGA完成逻辑判断和上传IGBT电流信息。

数字化IGBT驱动板通过温度传感器获取IGBT模块散热片的温度信息，记作T_heatsink；利用高精度差分隔离模数转换芯片，将温度的模拟量以及IGBT的导通压降Vce转换为数字信息，将转换结果发送给微控制器(MCU)，本实施例中MCU为ARM。根据T_heatsink和Vce的信息，MCU利用电流检测算法就可对IGBT流过的电流进行估算。

所述FPGA包括故障检测模块、保护逻辑模块、驱动逻辑模块、门极驱动阵列模块和传输模块；所述故障检测模块用于完成IGBT模块的故障检测；所述保护逻辑模块对处于故障的所述IGBT模块进行保护；所述驱动逻辑模块用于驱动IGBT模块；所述门级驱动阵列模块用于实现IGBT的多段式开通关断；所述传输模块为回报光纤，用于将所述IGBT模块的导通电流，结温和工作状态反馈至上位机。该控制系统通过高速光纤与上位机进行通信。

所述ARM包括电压检测模块、温度检测模块和电流检测模块；所述电压检测模块用于获取IGBT模块的导通压降Vce信息；所述温度检测模块获取IGBT模块散热片的温度信息；所述电流检测模块用于获取所述温度信息和导通压降Vce信息；计算IGBT模块流过的电流和所述结温并将所述电流和结温传送至所述FPGA。

所述主控制芯片还包括数模转换模块、电压采集模块和温度采集模块，用于将IGBT模块散热片的温度的模拟量以及IGBT模块的导通压降Vce的模拟量转换为数字量信息，将转换结果发送给所述ARM；所述电压采集模块用于采集所述IGBT模块的导通压降Vce的模拟量；所述温度采集模块用于采集所述IGBT模块散热片的温度的模拟量。

图2-图3为某公司3300V/1500A的IGBT特性曲线，以该IGBT为基础介绍数字化驱动的电流检测方法。图2为IGBT导通特性曲线，在IGBT的额定电流附近，V_ce(sat)和I_c的关系可以近似的用线性法来表示：

根据IGBT的导通特性曲线可知，IGBT饱和电压的大小与通过的电流I_c，芯片的结温T_j和门极电压V_ge有关，通常V_ge的驱动电压固定不变。因此可以IGBT饱和电压，芯片的结温T_j反求出导通电流，并将该函数简写表示：

利用IGBT的饱和电压V_ce(sat)和导通电流Ic，可以计算出IGBT的导通损耗P_cond：

其中d为IGBT的导通占空比。

图3为IGBT开关损耗特性曲线，IGBT的开断损耗与测试条件关系很大，不同的驱动板具有不同的电阻投切方式，投切的开通电阻和关断电阻也各不相同，因此要根据实际驱动板测量不同温度下开关损耗。

根据IGBT开关损耗特性曲线可知，当Vce电压基本不变时，Eon和Eoff可近似地看作与Ic成正比。IGBT的开关损耗与导通电流Ic，芯片的结温Tj和门极电压Vge有关，通常Vge的驱动电压固定不变。芯片的结温Tj越高，IGBT的开关损耗越高；IGBT导通电流越高，IGBT的开关损耗越高。

Eon＝Eon(nom)x Ic/Ic(nom)

Eoff＝Eoff(nom)x Ic/Ic(nom) (4)

利用IGBT单次开关损耗和开关频率fsw，可以计算出IGBT总的损耗P_sw：

Psw＝fsw x(Eon+Eoff) (5)

假设IGBT的结温为Tj，根据计算得到IGBT导通电流Ic，利用Eon和Eoff与Tj和Ic的关系曲线能够获得IGBT的关断损耗。

Psw＝fsw x(Eon+Eoff)＝fsw x(F_Eon(Ic,Tj)+F_Eoff(Ic,Tj))；(6)

因此IGBT工作时的总的损耗计算公式如下：

P_tot＝Pcond+Psw； (7)

通过高精度温度传感器获取IGBT模块散热片温度信息T_heatsink，由于IGBT周期性导通使得散热片的温度轻微波动，一般选择散热片的平均温度。IGBT的结温Tj计算公式如下：

Tj＝ΔTjc+ΔTch+T_heatsink＝P_tot(R_th(j-c)IGBT+R_th(c-h)IGBT)+T_heatsink；(8)

ΔTjc为芯片到外壳的温差；

ΔTch为外壳到散热片的温差；

R_th(j-c)IGBT为IGBT芯片到外壳的热阻；

R_th(c-h)IGBT为外壳到散热片的热阻；

P_tot＝(Tj-T_heatsink)/(R_th(j-c)IGBT+R_th(c-h)IGBT)； (9)

图4为反复迭代计算的流程图，该计算由高性能ARM完成，数字驱动板采集到IGBT的散热片温度T_heatsink，叠加一个较小ΔT，作为假设的IGBT结温Tj，利用Tj和采集的Vce电压，分别根据公式3和6计算出IGBT的导通损耗P_cond和开关损耗P_sw，两者求和为当前假设结温下的总损耗P_tot1。同时利用结温Tj和IGBT的热阻可反求出IGBT总损耗P_tot2，将P_tot1与P_tot2相比较，如果两者数值差距较大，可以继续增大ΔT，直到P_tot1和P_tot2的计算结果想接近，此时ΔT为所求的IGBT芯片到散热片的温差，再结合采集的Vce电压，最后利用公式2求得IGBT的导通电流。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种数字化驱动的IGBT电流检测方法，其特征在于：包括主控制模块；所述主控制模块包括可编程逻辑模块和控制模块；

所述控制模块用于完成IGBT导通电流和IGBT模块结温的检测，并将导通电流和结温检测的计算结果通过高速总线传输给所述可编程逻辑模块；

所述的一种数字化驱动的IGBT电流检测系统的检测方法，包括：

获取IGBT模块散热片的温度T_heatsink模拟量信息；

获取IGBT模块导通压降Vce模拟量信息；

将所述模拟量信息转换为数字量信息；

根据导通压降Vce数字量信息和温度T_heatsink数字量信息检测所述IGBT模块的导通电流和IGBT模块的结温并将所述导通电流和结温检测的计算结果通过高速总线传输给所述可编程编辑模块；

所述导通电流和结温检测的计算过程包括：

将采集到IGBT的散热片温度T_heatsink，叠加一个较小ΔT，作为假设的IGBT结温Tj；利用所述Tj和采集的Vce电压，分别计算出IGBT的导通损耗P_cond和开关损耗P_sw；所述导通损耗P_cond和开关损耗P_sw的求和为当前假设结温下的总损耗P_tot1；利用所述结温Tj和IGBT模块的热阻反求出IGBT总损耗P_tot2；将P_tot1与P_tot2相比较，如果两者数值差距较大，继续增大ΔT，直到P_tot1和P_tot2的计算结果接近，此时的ΔT为所求的IGBT模块芯片到散热片的温差，再结合所述采集的Vce电压，求得IGBT的导通电流。

2.如权利要求1所述的一种数字化驱动的IGBT电流检测方法，其特征在于：所述可编程逻辑模块包括故障检测模块、保护逻辑模块、驱动逻辑模块、门极驱动阵列模块和传输模块；所述故障检测模块用于完成IGBT模块的故障检测；所述保护逻辑模块对处于故障的所述IGBT模块进行保护；所述驱动逻辑模块用于驱动IGBT模块；所述门极驱动阵列模块实现IGBT的多段式开通关断；所述传输模块用于将所述IGBT模块的导通电流，结温和工作状态反馈至上位控制模块。

3.如权利要求1所述的一种数字化驱动的IGBT电流检测方法，其特征在于：所述控制模块包括电压检测模块、温度检测模块和电流检测模块；

所述电压检测模块用于获取IGBT模块的导通压降Vce信息；所述温度检测模块获取IGBT模块散热片的温度信息；

所述电流检测模块用于获取所述温度信息和导通压降Vce信息；

所述控制模块用于计算IGBT模块流过的电流和所述结温并将所述电流和结温传送至所述可编程逻辑模块。

4.如权利要求3所述的一种数字化驱动的IGBT电流检测方法，其特征在于：所述主控制模块还包括模数转换模块、电压采集模块和温度采集模块，用于将IGBT模块散热片的温度的模拟量以及IGBT模块的导通压降Vce的模拟量转换为数字量信息，将转换结果发送给所述控制模块；所述电压采集模块用于采集所述IGBT模块的导通压降Vce的模拟量；所述温度采集模块用于采集所述IGBT模块散热片的温度的模拟量。

5.如权利要求1所述的一种数字化驱动的IGBT电流检测方法，其特征在于：所述可编程逻辑模块为现场可编程门阵列FPGA；所述控制模块为微控制器。

6.如权利要求1所述的一种数字化驱动的IGBT电流检测方法，其特征在于：利用所述Tj和采集的Vce电压，分别通过下式计算出IGBT的导通损耗P_cond和开关损耗P_sw：

P_cond＝d×V_ce(sat)×F_Ic(V_ce(sat)，T_j)

其中，d为IGBT模块的导通占空比，V_ce(sat)为IGBT的饱和电压，F_Ic(V_ce(sat)，T_j)为IGBT饱和电压和结温T_j反求出导通电流的函数表示；

Psw＝fsw x(Eon+Eoff)＝fsw x(F_Eon(Ic,Tj)+F_Eoff(Ic,Tj))

其中，fsw为IGBT开关频率，Eon为IGBT开通损耗，Eoff为IGBT关断损耗，F_Eon(Ic,Tj)为结温Tj、导通电流Ic与Eon的关系曲线，F_Eoff(Ic,Tj)为结温Tj、导通电流Ic和Eoff的关系曲线；

求得当前IGBT总的损耗P_tot1为Pcond与Psw之和。

7.如权利要求6所述的一种数字化驱动的IGBT电流检测方法，其特征在于：利用IGBT模块散热片温度信息T_heatsink和IGBT模块的热阻，通过下式再次计算出IGBT总的损耗P_tot2：

IGBT的结温Tj计算公式如下：

Tj＝ΔTjc+ΔTch+T_heatsink＝P_tot2(R_th(j-c)IGBT+R_th(c-h)IGBT)+T_heatsink；

其中，ΔTjc为芯片到外壳的温差；ΔTch为外壳到散热片的温差；R_th(j-c)IGBT为IGBT芯片到外壳的热阻；R_th(c-h)IGBT为外壳到散热片的热阻；

假设IGBT的结温为Tj，反求出IGBT总的损耗，计算公式如下：

P_tot2＝(Tj-T_heatsink)/(R_th(j-c)IGBT+R_th(c-h)IGBT)。

8.如权利要求7所述的一种数字化驱动的IGBT电流检测方法，其特征在于：通过对比所述IGBT总的损耗P_tot1和IGBT总的损耗P_tot2计算结果，最终利用不断迭代的方式计算出所述IGBT的导通电流通过下式确定：

I_C＝F_Ic(V_ce(sat)，T_j)。