CN109193572B

CN109193572B - Igbt的保护控制方法

Info

Publication number: CN109193572B
Application number: CN201811184379.0A
Authority: CN
Inventors: 李珣; 李健; 黄勇; 黄诚; 肖宇; 徐迟
Original assignee: Sichuan Changhong Electric Co Ltd
Current assignee: Sichuan Changhong Electric Co Ltd
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2038-10-11
Also published as: CN109193572A

Abstract

本发明涉及绝缘栅双极型晶体管领域，公开了一种IGBT的保护控制方法，用以对IGBT运用系统中的IGBT进行过流和过压保护。本发明首先根据IGBT厂家参数表和实际工况需要，在软件中设置IGBT的阈值参数，然后采集当前IGBT运用系统中IGBT的工作参数，最后基于设置的阈值参数和采集的工作参数执行过流保护判断和过压保护判断。本发明适用于逆变器系统中IGBT的保护控制。

Description

IGBT的保护控制方法

技术领域

本发明涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)领域，特别涉及IGBT的保护控制方法。

背景技术

IGBT功率管在变流系统如逆变器、变频器、电机驱动、照明系统等领域，承担着能量传送和功率变换的作用，被广泛应用于新能源汽车、高铁、太阳能、风电产品等中，是系统最昂贵、最关键的器件之一。

由于IGBT的自身电气特性对器件电压、电流和温度非常敏感，稍有超标便可能导致击穿，且不可修复。所以IGBT是系统中的重点监测对象，必须采取有效措施加以保护。

在逆变器系统中，IGBT的失效种类包括过压、过流、过热三种。过压是指逆变器主回路(包括DC-DC和DC-AC)电压过高、驱动回路电压过高、外界尖峰电压导致IGBT集电极-发射极电压或栅极-发射极电压过高造成的损坏；过流是指逆变器输出过载、短路导致IGBT的导通电流过大而损坏；过热是指在不断地高频开关过程中，器件内会产生大量热量，若未及时散发出去就会引发IGBT的PN结温过高而造成失效。

目前逆变器系统中常见的针对IGBT的保护措施，多是采用专门的驱动芯片加隔离器件，或者利用分立器件搭建专门的保护电路，均通过硬件方式来实现对IGBT的监护。但有时这些方式并不能完全确保安全。因为在实际使用中，有时会出现这样的情况：在IGBT被烧毁之前，驱动芯片或分立器件本身就因过流、过压而发生了损坏。

一个绝缘栅双极性晶体管内含一个IGBT和一个并联的续流二极管，模块的总功耗包括IGBT的导通损耗和开关损耗，以及二极管的导通损耗和关断损耗。计算IGBT的功耗有助于了解系统的能量转换效率和器件实际温升，更可靠地进行监控保护。但要对功耗进行精确计算较为复杂且费时费力，实际工作中可采取近似估算的方式获得。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种IGBT的保护控制方法，用以对IGBT运用系统中的IGBT进行过流和过压保护。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：IGBT的保护控制方法，包括如下步骤：

步骤1：根据IGBT厂家参数表和实际工况需要，在软件中设置IGBT的阈值参数，所述阈值参数包括母线电压阈值V_bth、栅驱动回路输出电压阈值V_gth、IGBT导通电流第一阈值I_{cth_1}和IGBT导通电流第二阈值I_{cth_2}；

步骤2：采集当前IGBT运用系统中IGBT的工作参数，所示工作参数包括母线电压V_b、栅驱动回路输出电压V_g和IGBT实际导通工作电流I_c；

步骤3：基于步骤1设置的阈值参数和步骤2采集的工作参数执行过流保护判断和过压保护判断；

所述过流保护判断包括：

当I_c≥I_{cth_2}时，直接关断PWM驱动波输出；

当I_{cth_1}≤I_c＜I_{cth_2}时，通过软件比较模块的输出间接关断IGBT的PWM驱动波输出，一旦I_c回落到小于I_{cth_1}，则通过软件比较模块自动恢复驱动输出；

所述过压保护判断包括：

当V_b≥V_bth时，通过软件比较模块的输出间接关断IGBT的PWM驱动波输出，一旦V_b回落到小于V_bth，则通过软件比较模块自动恢复驱动输出；

当V_g≥V_gth时，直接关断PWM驱动波输出。

进一步的，为了实现过温保护，所述阈值参数还包括IGBT过温保护阈值T_{igbt_th}，所述工作参数还包括IGBT外壳温度T_igbt；步骤3还包括过温保护判断，当T_igbt≥T_{igbt_th}连续n次时，通过软件比较模块的输出间接关断IGBT的PWM驱动波输出，一旦T_igbt回落到小于T_{igbt_th}，则通过软件比较模块自动恢复输出。

进一步的，当逆变器使用环境恶劣或对性能要求较高，可以通过功耗估算进一步判断温升是否是控制在安全范围内的情况下，本发明中所述阈值参数还包括功耗阈值P_th；

同时还包括步骤4：根据公式P≈K*(V_cesat*I_ce*D+F_SW*E_ts*I_c/I_n)进行单模块功耗估算，当P≥P_th连续m次时，直接关断PWM驱动波输出；

其中，V_cesat为器件内部IGBT饱和压降，I_n为IGBT导通标称电流，F_SW为当前开关频率；E_ts为开关能耗，D为PWM波平均占空比，PWM波平均占空比可通过闭环控制算法模块获得，K为大于1的估算均衡系数，m代表过温容错次数。

具体的，所述IGBT运用系统为逆变器系统。

本发明的有益效果是：本发明通过设置IGBT的阈值参数，并采集IGBT的工作参数，利用阈值参数与工作参数之间的逻辑关系，可对逆变器系统的IGBT模块进行有效的过压、过流、过温保护，且可选择性估算IGBT的功率损耗，以此判断其温升是否是控制在安全范围内。

附图说明

图1是实施例中IGBT的保护控制的流程图。

具体实施方式

为了对IGBT运用系统的IGBT模块进行有效的过压、过流、过温保护，本发明公开了一种IGBT的保护控制方法，包括如下步骤：

步骤1：根据IGBT厂家参数表和实际工况需要，在软件中设置IGBT的阈值参数，所述阈值参数包括母线电压阈值V_bth、栅驱动回路输出电压阈值V_gth、IGBT导通电流第一阈值I_{cth_1}、IGBT导通电流第二阈值I_{cth_2}以及IGBT过温保护阈值T_{igbt_th}；

步骤2：采集当前IGBT运用系统中IGBT的工作参数，所示工作参数包括母线电压V_b、栅驱动回路输出电压V_g、IGBT实际导通工作电流I_c以及IGBT外壳温度T_igbt；

步骤3：基于步骤1设置的阈值参数和步骤2采集的工作参数执行过流保护判断、过压保护判断以及过温保护判断；

所述过流保护判断包括：

当I_c≥I_{cth_2}时，直接关断PWM驱动波输出，此关断不可自恢复，需手动恢复；

所述过压保护判断包括：

当V_g≥V_gth时，直接关断PWM驱动波输出；

所述过温保护判断包括：

当T_igbt≥T_{igbt_th}连续n次时，通过软件比较模块的输出间接关断IGBT的PWM驱动波输出，一旦T_igbt回落到小于T_{igbt_th}，则通过软件比较模块自动恢复输出。

当逆变器使用环境恶劣或对性能要求较高，本发明可以通过功耗估算进一步判断温升是否是控制在安全范围内的情况下，因此所述阈值参数还可以包括功耗阈值P_th；

同时本发明还包括步骤4：根据以下公式进行单模块功耗估算，当P≥P_th连续m次时，直接关断PWM驱动波输出；

P＝P_igbt+P_diode

P＝P_{igbt_sat}+P_{igbt_SW}+P_{diode_off}

P≈K*(V_cesat*I_ce*D+F_SW*E_ts*I_c/I_n)

其中，P_diode为器件内部续流二极管的功耗；P_{igbt_sat}器件内部IGBT的导通功耗；P_{igbt_SW}为器件内部IGBT的开关功耗；P_{diode_off}为内部续流二极管的关断功耗；V_cesat为器件内部IGBT饱和压降，可通过厂家参数表查到；I_n为IGBT导通标称电流，可通过厂家参数表查到；F_SW为当前开关频率；E_ts为开关能耗，是导通能耗Eon和关断能耗Eoff之和，可通过厂家参数表查到；D为PWM波平均占空比，PWM波平均占空比可通过闭环控制算法模块获得；K为大于1的估算均衡系数，通过软件设置，具体取值通过事先使用专业IGBT功耗仿真软件和实际经验值结合确定；m代表过温容错次数。

需要说明的是，过流保护判断、过压保护判断以及过温保护判断三者之间的先后顺序可以根据用户需要，进行相应的调整，在编写程序时可以如图1所示依次进行过流保护判断、过压保护判断以及过温保护判断，也可以依次进行过压保护判断、过流保护判断以及过温保护判断。

下面以逆变器系统中IGBT的保护控制为例，对本发明做进一步说明书。

实施例1

实施例1提供一种的IGBT的保护控制方法，对某款单相离网3KW光伏逆变器产品内部DC-DC升压电路所用的IGBT(600V、50A)进行过流、过压和过温监护，主控芯片采用的是某品牌32bit微控器，具体包括如下步骤：

步骤1：根据IGBT厂家参数表和实际工况需要，将母线电压阈值V_bth设置为450V，IGBT的栅驱电压阈值V_gth设置为5.25V，将集电极工作电流第一阈值I_{cth_1}设置为18.00A，约为1.5倍的额定电流值，将集电极工作电流第二阈值I_{cth_2}设置为30.00A，约为2倍的额定电流值，将T_{igbt_th}设置为120℃；

步骤2：通过电压、电流、温度采集单元，采集当前IGBT运用系统中IGBT的工作参数，获取到当前逆变器母线电压V_b为347V，栅驱动回路输出电压V_g为4.85V，IGBT实际导通工作电流I_c为5.16A，当前机箱温度Tc为24℃，IGBT外壳温度T_igbt为89.5℃4；

步骤3：基于步骤1设置的阈值参数和步骤2采集的工作参数执行过流保护判断、过压保护判断以及过温保护判断：

1)此时I_c＜I_{cth_2}，未超标，不必进行可自恢复的过流保护动作；

2)此时I_{cth_1}＜I_c＜I_{cth_2}，未超标，不必进行可自恢复的过流保护动作；

3)此时V_b＜V_bth，当前母线电压未超标，不必执行过压保护；

4)此时V_g＜V_gth，不必执行栅驱动过压保护；

5)此时T_igbt＜T_{igbt_th}，不必执行过温保护。

实施例2

实施例2提供一种的IGBT的保护控制方法，对该逆变器内DC-AC逆变全桥电路上桥所用的IGBT(600V、50A)进行过流、过压、过温和功耗监护，具体方法和步骤如下：

步骤1：根据IGBT厂家参数表和实际工况需要，将母线电压阈值V_bth设置为450V，IGBT的栅驱电压阈值V_gth设置为5.25V，将集电极工作电流第一阈值I_{cth_1}设置为18.00A，约为1.5倍的额定电流值，将集电极工作电流第二阈值I_{cth_2}设置为30.00A，约为2倍的额定电流值，将T_{igbt_th}设置为120℃，开关能耗E_ts为2.6mJ，当前开关频率为22Khz，导通标称电流I_n为15A，功耗估算系数K为1.385，功耗阈值P_th为310W，n和m设置为10；

步骤2：通过电压、电流、温度采集单元，采集当前IGBT运用系统中IGBT的工作参数，当前逆变器母线电压V_b为356V，栅驱动回路输出电压V_g为4.88V，IGBT实际导通工作电流I_c为18.33A，当前机箱温度Tc为25℃，IGBT外壳温度T_igbt为89.5℃；通过比例积分计算模块获得当前占空比D为0.628；

步骤3：进行过流、过压、过温保护判断：

2)此时I_c＜I_{cth_1}，主控芯片内部比较器输出为高，从而关闭升压PWM输出，直到采样回来的I_c低于I_{cth_1}，则自动恢复驱动输出；

3)此时V_b＜V_bth，当前母线电压未超标；

4)此时V_g＜V_gth，不必执行过压保护；

5)此时T_igbt＜T_{igbt_th}，不必执行过温保护。

步骤4：进行功耗估算：

P≈K*(V_cesat*I_ce*D+F_SW*E_ts*I_c/I_n)＝1.385*(1.5*18.33*0.628+22*103*2.6*10-3*18.33/15)＝120.72W

当前P＜P_th，不必执行功耗保护。

Claims

1.IGBT的保护控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤2：采集当前IGBT运用系统中IGBT的工作参数，所述工作参数包括母线电压V_b、栅驱动回路输出电压V_g和IGBT实际导通工作电流I_c；

所述过流保护判断包括：

当I_c≥I_{cth_2}时，直接关断PWM驱动波输出；

所述过压保护判断包括：

当V_g≥V_gth时，直接关断PWM驱动波输出。

2.如权利要求1所述的IGBT的保护控制方法，其特征在于，所述阈值参数还包括IGBT过温保护阈值T_{igbt_th}，所述工作参数还包括IGBT外壳温度T_igbt；

步骤3还包括过温保护判断，当T_igbt≥T_{igbt_th}连续n次时，通过软件比较模块的输出间接关断IGBT的PWM驱动波输出，一旦T_igbt回落到小于T_{igbt_th}，则通过软件比较模块自动恢复输出。

3.如权利要求2所述的IGBT的保护控制方法，其特征在于，所述阈值参数还包括功耗阈值P_th；

同时还包括步骤4：根据公式P≈K*(V_cesat*I_ce*D+F_SW*E_ts*I_c/I_n)进行单模块功耗估算，当P≥P_th连续m次时，直接关断PWM驱动波输出，其中，V_cesat为器件内部IGBT饱和压降，I_n为IGBT导通标称电流，F_SW为当前开关频率；E_ts为开关能耗，D为PWM波平均占空比，K为大于1的估算均衡系数，m代表过温容错次数。

4.如权利要求3所述的IGBT的保护控制方法，其特征在于，所述PWM波平均占空比通过闭环控制算法模块获得。

5.如权利要求1所述的IGBT的保护控制方法，其特征在于，所述IGBT运用系统为逆变器系统。