CN106849637B - 一种igbt死区时间的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种IGBT死区时间的优化方法，该方法包括如下步骤：(1)采用待优化的IGBT搭建变流器；(2)以当前设定的死区时间运行变流器，获取在该死区时间下变流器的关键性能参数；(3)以步长ΔTd减小死区时间并循环执行步骤(2)直至变流器的关键性能参数发生剧变；(4)对于每种性能参数绘制其随死区时间变化的性能参数‑时间曲线，根据性能参数‑时间曲线获取使得对应性能参数不超过设定阈值时的死区时间作为待选取死区时间；(5)从多个待选取死区时间中选取最大值并留取一定裕量作为IGBT的最优死区时间。与现有技术相比，本发明实施简便，能在确保变流器安全可靠运行前提下有效提高变流器系统的控制性能。

Description

一种IGBT死区时间的优化方法
技术领域
本发明涉及电力电子器件领域，尤其是涉及一种IGBT死区时间的优化方法。
背景技术
变流器是一种电能变换装置，广泛应用于新能源发电、交通、冶金等众多领域。死区时间作为变流器关键技术参数，对于系统的运行与控制性能有重要的影响。死区时间过小可能导致IGBT桥臂直通，产生过大的直通短路电流、损耗及电磁干扰，降低变流器的运行性能甚至造成器件损坏；然而死区时间过大会在变流器中产生死区效应，降低变流器输出电压精度、增加低次谐波(特别是低压运行)，恶化变流器的控制性能。因此选择较优的死区时间对变流器至关重要。目前，有如下几种死区时间的选择方法：
(1)Infineon死区时间公式法：Infineon公司提供的应用手册中采用公式Td＝[(td_off_max-td_on_min)+(tpdd_max-tpdd_min)]*1.2计算IGBT死区时间。其中td-off-max和td-on-min分别为IGBT关断最大延时时间和开通最小延时时间，tpdd-max和tpdd-min分别为驱动电路最大输出延时和最小输出延时，系数1.2为安全裕量。该方法将1％IGBT额定电流时对应的开关时间参数带入死区时间公式计算IGBT最优死区时间。然而并未有任何文献提供充分的理论与工程依据说明选择1％IGBT额定电流作为死区时间优化限值的合理性，此外根据该公式得到的死区时间可能偏于保守。
(2)Fuji空载死区时间测试法：富士电机公司应用手册中提供方法是根据不同死区时间条件下空载运行的变流器中直流母线电流的峰值大小确定IGBT最优死区时间。若死区时间足够充裕，则桥臂上下管开关过程中，直流母线会产生峰值不变的电流响应。不断减小死区时间，当直流母线电流峰值增大时，就认为此时死区时间已不足。以保证直流母线电流峰值不变的最小死区时间为所测模块的最优死区时间。这种方法保证了空载条件下变流器的安全性，然而在变流器负载运行时条件下，抑制IGBT直通需要更大的死区时间，因此该方法得到的死区时间可能不足以有效抑制IGBT直通。
(3)周华伟等人发表的“一种新颖的电压源逆变器自适应死区补偿策略”以及Attaianese C等人发表的“A novel SVM strategy for VSI dead-time-effectreduction”两篇文献，通过延长IGBT占空比补偿由于死区时间而丢失的脉冲宽度，进而来抑制死区效应。这种方法需对每次开关周期的脉冲宽度进行判断补偿，会占用大量控制器计算资源。
(4)中国专利CN200910214150.1“一种用于变频器上的死区补偿方法”以及中国专利CN201510976030.0“逆变器的死区补偿方法及装置”，通过前馈控制补偿死区脉冲电压的平均值。这种方法需对电流过零点实施硬件检测，这增加该方法的复杂性与成本。
(5)中国专利CN201410074828.1“逆变器死区时间消除方法及装置”记载：除电流过零点时刻外，桥臂中仅需一路有效门极信号控制IGBT开通关断，而无需设置死区时间。该方法可在电流不过零点的时刻消除死区效应，但在电流过零点过程需恢复死区时间。该方法需额外的电流极性检测电路且过电流过零点附近变流器可能存在输出精度下降的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种IGBT死区时间的优化方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种IGBT死区时间的优化方法，该方法包括如下步骤：
(1)采用待优化的IGBT搭建变流器；
(2)以当前设定的死区时间运行变流器，获取在该死区时间下变流器的关键性能参数；
(3)以步长ΔTd减小死区时间并循环执行步骤(2)直至变流器的关键性能参数发生剧变；
(4)对于每种性能参数绘制其随死区时间变化的性能参数-时间曲线，根据性能参数-时间曲线获取使得对应性能参数不超过设定阈值时的死区时间作为待选取死区时间；
(5)从多个待选取死区时间中选取最大值并留取一定裕量作为IGBT的最优死区时间。
所述的关键性能参数包括最大直通电流、最大过冲电压、开关损耗以及共模干扰参数。
所述的最大直通电流通过如下方式获取：运行变流器，获取1个电流周期内集电极电流Ic的波形，从集电极电流Ic的波形中读取最大直通电流。
所述的最大过冲电压通过如下方式获取：运行变流器，获取1个电流周期内IGBT的集电极和发射极之间的管压降Vce的波形，从管压降Vce的波形中读取最大过冲电压。
所述的开关损耗通过如下方式获取：运行变流器，获取1个电流周期内IGBT的集电极电流Ic以及集电极和发射极之间的管压降Vce的波形，根据Ic和Vce的乘积在时域内的积分求取IGBT的开关损耗。
所述的，共模干扰参数通过如下方式得到：运行变流器，获取1个电流周期内整个变流器系统的地线电流Ig，在共模干扰频率范围内对地线电流Ig进行频谱分析，计算地线电流Ig噪声值在共模干扰频段内的平均值，将该平均值作为共模干扰参数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明方法不追求完全避免IGBT直通，而在变流器开发测试阶段通过现场测试综合评估死区时间给变流器系统运行与控制性能的影响，以确定最优死区时间，通过现场测试确定IGBT最优死区时间，从而有效避免死区时间过小损坏IGBT器件的情况，充分确保变流器系统运行的安全性与可靠性；
(2)更合理：Infineon死区时间优化法将IGBT1％额定电流所对应的动态参数带入公式计算，以获得最优死区时间，该方法1％额定电流的选择具有很大的经验性，Fuji死区时间优化法只保证了变流器空载运行时的安全性，而变流器负载运行时，由于IGBT动态参数的变化，该方法所得结果可能无法保证变流器的安全运行，本方法以变流器关键性能参数作为衡量死区时间是否充足的标准，所得死区时间更小，可以在保证变流器运行性能的前提下最大限度提高变流器的控制性能，该方法的理论依据是：(a)变流器中的直通现象很难完全抑制，根据IGBT动态特性，IGBT小电流关断时间较长，以厂商推荐的死区时间很难完全抑制IGBT在电流过零点附近出现直通现象；(b)一定程度的IGBT直通不会影响变流器的安全性，因为直通电流会增加IGBT内部载流子浓度，客观上加快了IGBT的关断速度，从而限制直通电流。
(3)更可靠有效：选取的性能参数最大直通电流、开关损耗、最大过冲电压以及共模干扰参数，从多种性能参数反应变流器的工作性能，确保IGBT直通不威胁变流器安全可靠运行的前提下，最大限度地减小死区时间以提高变流器的控制性能，从而使得最后选取的最优死区时间更加可靠有效；
(4)简便：本发明方法无需增加额外硬件电路，实施简便、成本低。
附图说明
图1为本实施例IGBT死区时间的优化方法的流程框图；
图2为本实施例搭建的变流器的结构示意图；
图3为本实施例死区时间为2.4μs时IGBT直通波形；
图4为本实施例最大直通电流随死区时间变化曲线；
图5为本实施例开关损耗随死区时间变化曲线；
图6为本实施例最大过冲电压随死区时间变化曲线；
图7为本实施例共模干扰参数随死区时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种IGBT死区时间的优化方法，该方法包括如下步骤：
(1)采用待优化的IGBT搭建变流器；
(2)以当前设定的死区时间运行变流器，获取在该死区时间下变流器的关键性能参数；
(3)以步长ΔTd减小死区时间并循环执行步骤(2)直至变流器的关键性能参数发生剧变；
(4)对于每种性能参数绘制其随死区时间变化的性能参数-时间曲线，根据性能参数-时间曲线获取使得对应性能参数不超过设定阈值时的死区时间作为待选取死区时间；
(5)从多个待选取死区时间中选取最大值并留取一定裕量作为IGBT的最优死区时间。
关键性能参数包括最大直通电流、最大过冲电压、开关损耗以及共模干扰参数。
最大直通电流通过如下方式获取：运行变流器，获取1个电流周期内集电极电流Ic的波形，从集电极电流Ic的波形中读取最大直通电流。最大过冲电压通过如下方式获取：运行变流器，获取1个电流周期内IGBT的集电极和发射极之间的管压降Vce的波形，从管压降Vce的波形中读取最大过冲电压。开关损耗通过如下方式获取：运行变流器，获取1个电流周期内IGBT的集电极电流Ic以及集电极和发射极之间的管压降Vce的波形，根据Ic和Vce的乘积在时域内的积分求取IGBT的开关损耗。共模干扰参数通过如下方式得到：运行变流器，获取1个电流周期内整个变流器系统的地线电流Ig，在共模干扰频率范围内对地线电流Ig进行频谱分析，计算地线电流Ig噪声值在共模干扰频段内的平均值，将该平均值作为共模干扰参数。
具体地本实施例中变流器IGBT死区时间优化方法的具体流程如图1所示，具体步骤为：
步骤01：测试系统搭建，如图2所示，变流器为三相变流器，变流器直流端连接直流电容C，电容C通过整流器连接至交流电源，变流器交流输出端连接三相负载，通过交流电源对直流电容C充电；
步骤02：将交流电源隔离；
步骤03：以死区时间Td运行变流器，该死区时间Td可以根据IGBT厂家给出的死区时间来选择；
步骤04：选择合适的高带宽电流和电压探头以及高速数字示波器测量IGBT管压降Vce，集电极电流Ic以及地线电流Ig波形；
步骤05：根据IGBT管压降Vce，集电极电流Ic以及地线电流Ig波形判断关键性能参数是否剧变，若是则执行步骤06，否则执行步骤07；
步骤06：对IGBT管压降Vce，集电极电流Ic以及地线电流Ig波形进行数据提取，通过对现场测得的数据进行处理分析，得到系统的最大直通电流，开关损耗，最大过冲电压以及共模干扰随死区时间的变化情况，执行步骤08；
步骤07：选择合理的死区减小步长，返回步骤03按照当前的死区时间运行变流器；
步骤08：绘制最大直通电流，开关损耗，最大过冲电压以及共模干扰随死区时间变化的曲线得到4个关键性能参数的性能参数-时间曲线；
步骤09：根据绘制的4个关键性能参数的性能参数-时间曲线得到最优死区时间。
本实施例通过现场测试对380V/10kW变流器中1.2kV/50A IGBT功率模块(Infineon：FF50R12RT4)的死区时间进行了优化。
图3是死区时间Td＝2.4μs时，IGBT在0.2A关断时集电极电流以及管压降的波形。此时IGBT因死区时间不足而发生直通。该直通现象验证了变流器中IGBT直通的两个特性。1)直通很难完全抑制。若要使实验所用IGBT在0.2A处不发生直通，则死区时间需要达到5μs以上。用如此大的死区时间来抑制这种轻微的直通是没有必要的，并且会牺牲很多变流器的控制性能；2)不是所有的直通都会威胁到IGBT的安全可靠性。关断直通程度较轻微时，IGBT已基本完成关断，且直通电流又加速了IGBT的关断速度，所以直通电流会被限制内安全范围内，不会对IGBT的安全性造成威胁。
在此基础上对IGBT死区时间进行优化实验。变流器在额定工况下最大直通电流、开关损耗、最大过冲电压、共模干扰参数随死区时间的变化结构依次如图4、图5、图6和图7所示，图7中共模干扰参数表示为ΔN。通过性能参数-时间曲线可以得出各关键新能参数下的最优死区时间分别为0.5μs、0.4μs、0.3μs、0.4μs。取其中最大值0.5μs为该型号IGBT的最优死区时间。在该死区时间条件，可在保证变流器安全可靠运行的前提下，最大提升变流器的控制性能。
根据Infineon提供的IGBT死区时间确定方法，计算出该型号IGBT的最优死区时间为2.4μs；根据Fuji公司提供的方法，实验测得到该型号IGBT的最优死区时间为0.16μs。以三种方法所得最优死区时间结果运行变流器，变流器关键性能参数如表1所示。
表1不同死区时间条件下变流器运行性能比较
本发明IGBT死区时间优化法与Infineon公式法结果相比较，前者死区时间大为减小。因此本发明死区时间优化法可以充分提升变流器的控制性能。同时通过四个运行性能指标随死区时间变化关系曲线可知，当变流器采用IGBT死区时间优化法所得结果时，变流器的运行性能下降不多，可以保证变流器安全可靠运行。因此Infineon公式法所得结果相对较为保守。Fuji空载死区时间法所得的IGBT最优死区时间最小，但当变流器工作于此死区时间下，其各项运行性能指标明显恶化。综合比较结果表明，与传统方法相比本发明方法提出的IGBT死区时间优化方法能在确保变流器安全、可靠运行的前提下最大限度减小死区时间从而提高系统性能。

Claims (5)

1.一种IGBT死区时间的优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)采用待优化的IGBT搭建变流器；
(2)以当前设定的死区时间运行变流器，获取在该死区时间下变流器的关键性能参数，所述的关键性能参数包括最大直通电流、最大过冲电压、开关损耗以及共模干扰参数；
(3)以步长ΔTd减小死区时间并循环执行步骤(2)直至变流器的关键性能参数发生剧变；
(4)对于每种性能参数绘制其随死区时间变化的性能参数-时间曲线，根据性能参数-时间曲线获取使得对应性能参数不超过设定阈值时的死区时间作为待选取死区时间；
(5)从多个待选取死区时间中选取最大值并留取一定裕量作为IGBT的最优死区时间。
2.根据权利要求1所述的一种IGBT死区时间的优化方法，其特征在于，所述的最大直通电流通过如下方式获取：运行变流器，获取1个电流周期内集电极电流Ic的波形，从集电极电流Ic的波形中读取最大直通电流。
3.根据权利要求1所述的一种IGBT死区时间的优化方法，其特征在于，所述的最大过冲电压通过如下方式获取：运行变流器，获取1个电流周期内IGBT的集电极和发射极之间的管压降Vce的波形，从管压降Vce的波形中读取最大过冲电压。
4.根据权利要求1所述的一种IGBT死区时间的优化方法，其特征在于，所述的开关损耗通过如下方式获取：运行变流器，获取1个电流周期内IGBT的集电极电流Ic以及集电极和发射极之间的管压降Vce的波形，根据Ic和Vce的乘积在时域内的积分求取IGBT的开关损耗。
5.根据权利要求1所述的一种IGBT死区时间的优化方法，其特征在于，所述的共模干扰参数通过如下方式得到：运行变流器，获取1个电流周期内整个变流器系统的地线电流Ig，在共模干扰频率范围内对地线电流Ig进行频谱分析，计算地线电流Ig噪声值在共模干扰频段内的平均值，将该平均值作为共模干扰参数。
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