CN107656567B - 一种平滑igbt结温变化的驱动电压调节装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置及方法，包括IGBT模块、温度测量模块、缓冲寄存模块、温度比较模块和驱动调节模块。驱动调节模块的输入端连接外部的开关脉冲，反馈端连接温度比较模块的输出端，输出端连接IGBT模块的控制端；温度测量模块的输入端连接IGBT模块中内嵌集成温度测量硅二极管的输出端，温度测量模块的输出端连接至缓冲寄存模块的输入端，缓冲寄存模块的输出端连接温度比较模块的输入端。本发明通过对IGBT的结温数值实时采样，检测结温的变化趋势，利用控制器对驱动开通电压的幅值大小进行调节，进而调整IGBT功率模块的功率损耗，有效平滑IGBT的结温变化，在不损害电路输出性能的前提下延长了IGBT模块的寿命。

Description

一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置及方法
技术领域
本发明属于功率模块的主动热控制领域，更具体地，涉及一种平滑IGBT功率模块结温变化的驱动电压调节装置及方法。
背景技术
现代电力电子电路因其低噪声、高效率、高功率密度等优点，广泛应用于工业、军事、航空航天等领域，承担着电能变换、新能源发电等重要作用。随着电力电子电路日趋复杂，功率等级不断提高，特别是应用在某些重要领域时，对电力电子电路可靠性的要求更高。IGBT功率模块是电力电子主功率电路的核心组成部分，由于其运行工况的变化，使得功率模块的损耗随之改变，导致IGBT的结温也随机大幅变化，将影响功率模块的寿命。
通过长期研究和工作的经验，IGBT功率模块的寿命与其结温的变化幅度有着密切的关系。结温变化幅度越小，其寿命越长。目前基于功率模块平滑结温变化的主动热控制进而延长功率模块寿命的研究还处于起步阶段，比较流行的方法是调节模块的开关频率，采用不同的调制策略。以上两种手段分别通过改变模块的开关损耗和导通损耗，从而减小结温的变化幅度，但这两种方法都存在损害电路的输出性能的缺点，实用性不强。
IGBT作为电压控制型开关模块，其开关状态由栅极的电压控制。如果IGBT栅极和发射极之间的电压高于阈值电压，IGBT将被开通，否则IGBT关断，但是使用的时候很容易忽略栅极电压的高低对IGBT导通特性的影响。当正向驱动电压增大时，IGBT的导通电阻下降，导通压降UCE下降，进而开通损耗和导通损耗都将减小；正向驱动电压减小时，IGBT的导通电阻增大，导通压降UCE增大，进而开通损耗和导通损耗都将增大。通常，驱动开通电压取值为12～18V，典型值为15V。这也是本发明的出发点，通过调节IGBT功率模块的驱动开通电压大小，从而调整其功率损耗，降低模块结温变化幅度，延长模块的寿命。本发明的优点之一就是不损害电路输出性能的前提下，有效地平滑了IGBT功率模块结温的变化，延长了模块的寿命，实用性较强。
发明内容
针对以上主动热控制技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置及方法，旨在解决现有技术在减小IGBT功率模块结温变化幅度时损害电路输出性能的问题。
本发明提供一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置，包括：IGBT模块、温度测量模块、缓冲寄存模块、温度比较模块和驱动调节模块；所述驱动调节模块的输入端用于连接外部的开关脉冲，所述的驱动调节模块的反馈端用于连接所述温度比较模块的输出端，所述驱动调节模块的输出端用于连接IGBT模块的控制端，所述温度测量模块的输入端用于连接IGBT模块中内嵌集成温度测量硅二极管的输出端，所述温度测量模块的输出端用于连接缓冲寄存模块的输入端，所述缓冲寄存模块的输出端用于连接温度比较模块的输入端。
进一步地，所述温度测量模块包括顺次连接的压降测量电路、模拟输入串口、微处理器和信号输出串口；其中微处理器由A/D转换器，信号放大器和微控制器构成。
进一步地，工作时，温度测量模块以10K采样频率采集IGBT的结温Tj；缓冲寄存模块存储预设时间循环周期T内的结温数据，并对每个预设时间循环周期T内的结温数据求平均得到结温平均值M，用于检测结温的变化趋势，数据寄存器将第i和i-1个预设时间循环周期内的平均值Mi和Mi-1输出至温度比较模块，i为正整数；温度比较模块比较Mi和Mi-1的大小后输出不同的参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端；驱动调节模块根据反馈的参考电压Vref指令并结合输入的开关脉冲信号后输出幅值可调节的驱动电压信号VGE至IGBT模块的控制端，进而控制IGBT模块的导通和关断。
进一步地，所述驱动调节模块中采用buck变换器作为驱动开通电压源，通过改变参考电压Vref可调节输出电压的大小，驱动开通电压范围为12～18V。
进一步地，所述的缓冲寄存模块包括：地址编译器，存储体，运算器，数据寄存器，地址编译器、运算器、数据寄存器分别与存储体连接。
本发明提供的一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节方法，包括如下步骤：
(1)实时采样IGBT的结温数值Tj；
(2)将一个预设时间循环周期T内的结温数据求平均得到结温平均值Mi，并与前一个预设时间循环周期T内的数值Mi-1比较，检测结温的变化趋势，根据比较结果输出不同的参考电压指令；
(3)将反馈的参考电压指令结合输入的开关脉冲信号后为IGBT模块的控制端提供幅值可调节的驱动电压；
(4)重复步骤(1)-(3)，达到平滑结温变化的目的。
进一步地，当一个预设时间循环周期T内的结温数据平均值Mi大于Mi-1时，表明结温在上升，温度比较模块输出增大参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端，即增大驱动开通电压的幅值，降低功率损耗以平滑结温增长；当Mi等于Mi-1时，表明结温平缓，温度比较模块的输出原始参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端，即维持驱动开通电压的幅值；当Mi小于Mi-1时，表明结温在下降，温度比较模块的输出减小参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端，即减小驱动开通电压的幅值，增大功率损耗以平滑结温降低。
进一步地，所述的预设时间循环周期T取值在0.01～0.1s之间，可根据不同的电路输出状态进行调整。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和显著效果：
首先，控制快速准确，引入反馈控制，通过实时采样IGBT的结温，检测结温的变化趋势，进而控制输出不同幅值的驱动电压，改变IGBT功率模块的损耗，从而调节结温变化。
其次，装置仅仅调节功率模块的控制端，对整个电路的输出性能不产生任何影响，避免了通过调整开关频率等进行主动热控制对功率模块的冲击。
附图说明
图1是本发明实施案例提供的一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置原理图。
图2是本发明实施案例提供的IGBT的传输特性随不同驱动电压的变化图。
图3是本发明实施案例提供的温度测量模块内部实现功能的方框图。
图4是本发明实施案例提供的缓冲寄存模块内部实现功能的方框图。
图5是本发明实施案例提供的驱动调节模块内部实现功能的方框图。
图6是本发明实施案例提供的实时驱动电压调节的逻辑流程图。
图7是本发明实施案例提供的驱动调节装置添加前后IGBT的结温仿真波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施方式进一步详细说明。但本发明的实施不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可根据现有技术实现的。
为了解决传统的主动热控制是以牺牲电路输出性能的问题。本实例设计了一套完备闭环控制的平滑IGBT结温变化的方案，通过对IGBT的结温变化趋势的实时检测，对IGBT功率模块的栅极驱动电压大小调节进行闭环控制。本发明提供的平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置，可有效平滑IGBT在各种工况下工作时的结温变化。
图1是本发明装置的原理图，装置包括：IGBT模块1，温度检测模块2，缓冲寄存模块3，温度比较模块4，驱动调节模块5。温度测量模块以10K采样频率采集IGBT的结温Tj；缓冲寄存模块存储预设时间循环周期T内的结温数据，并对每个预设时间循环周期T内的结温数据求平均得到结温平均值M，检测结温的变化趋势，数据寄存器将第i和i-1个预设时间循环周期内的运算数值Mi和Mi-1输出至温度比较模块；温度比较模块比较Mi和Mi-1的大小后输出不同参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端；驱动调节模块根据反馈的参考电压Vref指令并结合输入的开关脉冲信号后输出幅值可调节的驱动电压信号VGE至IGBT模块的控制端，进而控制IGBT模块的导通和关断。
图2是本发明实施案例提供的IGBT的输出特性随不同驱动电压的变化图。随着栅-射极电压UGE升高，集电极电流IC变大，导通压降UCE随之降低，进而通态损耗也降低。
图3是本发明实施案例提供的温度测量模块内部实现功能的方框图。温度检测模块由压降测量装置，模拟输入串口，微处理器(A/D转换器，信号放大器，微控制器)，信号输出串口构成。IGBT的内嵌集成温度测量硅二极管常用于IGBT的PN结的结温测量，可通过压降测量电路获得硅二极管的导通压降，该导通压降正比于IGBT的结温。测量的导通压降结果通过微处理器的一系列处理计算后得到IGBT的结温数值。硅二极管的压降和温度的关系近似为1.7mV/K，即结温每升高1K，硅二极管压降增加1.7mV，则IGBT的结温为：Tj＝K×(VF-VFref)+T0，其中：K为关系系数，T0为额定温度，VF为硅二极管实际导通压降，VFref为额定温度下的导通压降。
图4是本发明实施案例提供的缓冲寄存模块内部实现功能的方框图。缓冲寄存模块由地址编译器，存储体，运算器，数据寄存器构成。地址编译器和存储体对温度测量模块送来的结温数据暂时存放，运算器对每个预设时间循环周期T内结温数据进行处理，数据寄存器用来暂时存放送往外部的运算结果。
图5是驱动调节模块内部实现功能的方框图。驱动调节模块中：由buck变换器作为电压源，其输入电压为24V，可通过改变参考电压Vref可调节其输出电压的大小，驱动开通电压范围为12～18V。当接收增大参考电压Vref指令时，驱动开通电压调整为18V；当接收维持参考电压Vref指令时，驱动开通电压调整为15V；当接收减小参考电压Vref指令时，驱动开通电压调整为12V。
图6是实时驱动电压调节的逻辑流程图。实时采样IGBT的结温数值Tj，运算器对预设时间循环周期T内的结温采样数据求平均得到结温平均值M，比较相邻两个预设时间循环周期内的Mi和Mi-1的大小，来检测结温的变化趋势。当Mi大于Mi-1时，表明结温在上升，温度比较模块输出增大参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端，即增大驱动开通电压的幅值，减小功率损耗以平滑结温增长。当Mi等于Mi-1时，表明结温平缓，温度比较模块的输出原始参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端，即维持驱动开通电压的幅值。当Mi小于Mi-1时，表明结温在下降，温度比较模块的输出减小参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端，即减小驱动开通电压的幅值，增大功率损耗以平滑结温降低。
图7是本发明实施案例提供的驱动调节装置添加前后IGBT的结温仿真波形。以三相逆变器加阻感性负载为例，可以看出添加驱动电压调节装置后，IGBT结温的上升趋势和下降趋势都变得缓慢，并且结温的平均值大约降低了15％，平滑结温变化的效果明显。

Claims (6)

1.一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置，其特征在于，包括：IGBT模块(1)、温度测量模块(2)、缓冲寄存模块(3)、温度比较模块(4)和驱动调节模块(5)；所述驱动调节模块的输入端用于连接外部的开关脉冲，所述的驱动调节模块的反馈端用于连接所述温度比较模块的输出端，所述驱动调节模块的输出端用于连接IGBT模块的控制端，所述温度测量模块的输入端用于连接IGBT模块中内嵌集成温度测量硅二极管的输出端，所述温度测量模块的输出端用于连接缓冲寄存模块的输入端，所述缓冲寄存模块的输出端用于连接温度比较模块的输入端；
所述温度测量模块包括顺次连接的压降测量电路、模拟输入串口、微处理器和信号输出串口；其中微处理器由A/D转换器，信号放大器和微控制器构成；缓冲寄存模块存储预设时间循环周期T内的结温数据，并对每个预设时间循环周期T内的结温数据求平均得到结温平均值M，用于检测结温的变化趋势，数据寄存器将第i和i-1个预设时间循环周期内的平均值Mi和Mi-1输出至温度比较模块，i为正整数；温度比较模块比较Mi和Mi-1的大小后输出不同的参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端；驱动调节模块根据反馈的参考电压Vref指令并结合输入的开关脉冲信号后输出幅值可调节的驱动电压信号VGE至IGBT模块的控制端，进而控制IGBT模块的导通和关断。
2.如权利要求1所述的一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置，其特征在于，工作时，温度测量模块以10K采样频率采集IGBT的结温Tj。
3.如权利要求1或2所述的一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置，其特征在于，所述驱动调节模块中采用buck变换器作为驱动开通电压源，驱动开通电压范围为12～18V，通过改变参考电压Vref可调节buck变换器输出电压的大小。
4.如权利要求1所述的一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置，其特征在于，所述的缓冲寄存模块包括：地址编译器，存储体，运算器，数据寄存器，地址编译器、运算器、数据寄存器分别与存储体连接。
5.利用权利要求1-4任一项所述一种平滑IGBT结温变化的驱动电压调节装置的驱动电压调节方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)实时采样IGBT的结温数值Tj；
(2)将一个预设时间循环周期T内的结温数据求平均得到结温平均值Mi，并与前一个预设时间循环周期T内的数值Mi-1比较，检测结温的变化趋势，根据比较结果输出不同的参考电压指令；
(3)将反馈的参考电压指令结合输入的开关脉冲信号后为IGBT模块的控制端提供幅值可调节的驱动电压；
(4)重复步骤(1)-(3)，达到平滑结温变化的目的。
6.如权利要求5所述的驱动电压调节方法，其特征在于，当一个预设时间循环周期T内的结温数据平均值Mi大于Mi-1时，表明结温在上升，温度比较模块输出增大参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端，即增大驱动开通电压的幅值，降低功率损耗以平滑结温增长；当Mi等于Mi-1时，表明结温平缓，温度比较模块的输出原始参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端，即维持驱动开通电压的幅值；当Mi小于Mi-1时，表明结温在下降，温度比较模块的输出减小参考电压Vref指令至驱动调节模块的反馈端，即减小驱动开通电压的幅值，增大功率损耗以平滑结温降低。
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