CN109728714B - 基于状态观测的igbt关断电压尖峰的抑制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的抑制系统及控制方法，包括以下步骤：通过控制器对IGBT模块在开关周期内的母线电压值V_dc以及输出电流值I_c进行读取；对读取后的IGBT模块在开关周期内的母线电压值V_dc以及输出电流值I_c进行分析，并向驱动板输出关断控制指令；多级关断电路在IGBT模块的关断过程中在IGBT模块的门极信号增加一级电压，驱动板根据接收到的关断控制指令调节多级关断电路的电压V_m的持续时间；通过多级关断电路改变IGBT模块的门极电压的关断过程，来对IGBT模块的关断电压尖峰进行抑制。本发明根据观测后IGBT的状态，来进行多级关断电路的调节，提高了IGBT的关断电压尖峰的抑制效果，同时又有效减小总体关断延迟时间以及IGBT的总体关断损耗。

Description

基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的抑制系统及控制方法

技术领域

本发明涉IGBT关断电压尖峰抑制领域，特别涉及一种基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的抑制系统及控制方法。

背景技术

随着新能源产业的迅速发展，电力电子变换器在社会中的应用越来越广泛，作为电力电子变换器核心的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)需求日益旺盛。变换器中的IGBT通常需要连接到直流侧电容构成相应的变换器拓扑，且连接回路上存在寄生的电感Ls，在IGBT关断时刻，会很大的电流变化率(di/dt)，连接回路的寄生的电感在通过很大变化率的电流时，会产生感应电压△V，该电压和直流母线电压(V_dc)一起加在IGBT上，很容易造成IGBT过压失效。杂散电感越大，关断电流变化率(di/dt)越大，则产生的感应电压△V越高。对应的理论关系式为：△V＝Ls*di/dt，为了防止IGBT在运行过程中过压失效，需要对产生的感应电压△V进行吸收或者抑制。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的抑制系统及控制方法。本发明通过对IGBT进行状态观测，根据观测后IGBT的状态，来进行多级关断电路的调节，提高了IGBT的关断电压尖峰的抑制效果，同时又有效减小总体关断延迟时间以及IGBT的总体关断损耗。

本发明的技术方案：一种基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的抑制系统，包括IGBT模块，还包括

母线电压采集单元，与IGBT模块的母线相连，用于采集IGBT模块在开关周期内的母线电压值V_dc；

输出电流采集单元，与IGBT模块的输出端相连，用于采集IGBT模块在开关周期内的输出电流值I_c；

控制板，内置控制器，控制板的输入端与母线电压采集单元和输出电流采集单元相连，控制板的输出端与多级关断电路相连；用于接收母线电压采集单元的电压信号和输出电流采集单元的电流信号，根据电压信号和电流信号的数值输出相应的控制指令；

驱动板，内置多级关断电路，驱动板的输入端与控制板相连，驱动板的输出端与IGBT模块相连，多级关断电路在IGBT模块的关断过程中在IGBT模块的门极信号增加电压V_m，持续时间为tm_off，电压V_m；驱动板接收到控制板的控制指令调节多级关断电路的电压V_m的持续时间tm_off，从而实现在抑制IGBT模块电压尖峰的同时，减小IGBT模块在不同工况下的关断损耗。

前述的基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的系统中，所述的控制板还内置有模数转换单元，模数转换单元输入端与母线电压采集单元和输出电流采集单元相连，模数转换单元输出端与控制器相连。

前述的基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的抑制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、通过控制器对IGBT模块在开关周期内的母线电压值V_dc以及输出电流值I_c进行读取；

S2、对读取后的IGBT模块在开关周期内的母线电压值V_dc以及输出电流值I_c进行分析，得到关断控制指令，并向驱动板输出关断控制指令；

S3、多级关断电路在IGBT模块的关断过程中在IGBT模块的门极信号增加一级电压V_m，持续时间为tm_off；驱动板根据接收到的关断控制指令调节多级关断电路的电压V_m的持续时间tm_off；

S4、通过多级关断电路改变IGBT模块的门极电压的关断过程，来对IGBT模块的关断电压尖峰进行抑制。

上述的控制方法中，步骤S2中的IGBT的关断控制指令如下，

当V_dc<V₁且I_c<I₁时，关断控制指令＝0，多级关断电路不执行关断动作，电压V_m的持续时间tm_off＝0；

当V₁<V_dc<V₂，I_c<I₁或者V_dc<V₁，I₁<I_c<I₂，关断控制指令＝1，多级关断电路执行弱模式关断，电压V_m的持续时间tm_off小；

当V₁<V_dc<V₂，I₁<I_c<I₂，关断控制指令＝2，多级关断电路执行弱模式关断，电压V_m的持续时间tm_off大；

其中，V₁＝0.9V₀、I₁＝I₀、V₂＝V_dcmax、I₂＝I_cmax；

上式中的V₀是逆变器的额定直流母线电压，I₀是逆变器的额定输出电流；V_dcmax为逆变器的直流母线的过压保护值；I_cmax为逆变器的输出电流的过流保护值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的控制板部分的输入端连接IGBT模块的母线电压采样单元和输出电流采集单元，相应的IGBT模块的母线电压V_dc信号和输出电流I_c信号经过控制板的模数转换单元到控制器，控制器在每个开关周期会读取V_dc(母线电压)和I_c(输出电流)信号，并根据电压信号和电流信号的数值输出相应的控制指令；多级关断电路在IGBT模块的关断过程中在IGBT模块的门极信号增加一级电压V_m，持续时间为tm_off，电压V_m。该级电压V_m会使得IGBT模块关断过程中的电流变化率(di/dt)降低，从而在同样的母排杂散电感Ls下，有效减小IGBT模块的关断电压尖峰。与此同时，驱动板接收到控制板的控制指令调节多级关断电路的电压V_m的持续时间tm_off，从而实现在抑制IGBT模块电压尖峰的同时，最大程度减小IGBT模块在不同工况下的关断损耗。

2、本发明相比较传统的方案，无需额外的无源器件，如吸收电容等，减小系统体积。

3、本发明采用的是主动电压抑制技术，可以在各个工况下有效保护IGBT器件防止出现过电压，不存在因为器件(如TVS管钳位)离散性等问题导致电压抑制不住的问题。

4、本发明相比较传统单一多级关断模式，本发明可以根据不同V_dc和I_c的状态，采用不同的关断方式，确保在各个运行状态下，有效抑制IGBT电压尖峰，同时使得总体关断延迟时间小，有效提高IGBT的直流电压利用率以及逆变器输出波形质量，尤其是在系统开关频率比较高的场合，此外总体损耗小，有效地提高IGBT的电流输出能力，从而提高系统效率。

附图说明

图1是本发明的控制电路图；

图2是多级关断电路的结构示意图；

图3是多级关断电路的输入输出VGE(门极电压)示意；

图4是IGBT模块运行关断区域划分图。

1-控制板；2-驱动板；3-母线电压采样单元；4-输出电流采样单元；5-模数转换单元；6-控制器；7-多级关断电路；8-IGBT模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：一种基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的抑制系统，如附图1所示，包括IGBT模块8，还包括

所述的母线电压采集单元3，与IGBT模块8的母线相连，用于采集IGBT模块8在开关周期内的母线电压值V_dc；

所述的输出电流采集单元4，与IGBT模块8的输出端相连，用于采集IGBT模块8在开关周期内的输出电流值I_c；

所述的控制板1，内置控制器6，控制板1的输入端与母线电压采集单元3和输出电流采集单元4相连，控制板1的输出端与多级关断电路7相连；用于接收母线电压采集单元3的电压信号和输出电流采集单元4的电流信号，根据电压信号和电流信号的数值输出相应的控制指令；

所述的驱动板2，内置多级关断电路7，驱动板2的输入端与控制板1相连，驱动板2的输出端与IGBT模块8相连，如附图3和4所示，多级关断电路7在IGBT模块8的关断过程中在IGBT模块8的门极信号增加一级电压V_m，IGBT模块的门极信号VGE_2与VGE_1相比多了一级电压V_m，持续时间为tm_off；驱动板2接收到控制板1的控制指令调节多级关断电路7的电压V_m的持续时间tm_off，从而实现在抑制IGBT模块8电压尖峰的同时，减小IGBT模块8在不同工况下的关断损耗。

所述的控制板1还内置有模数转换单元5，模数转换单元5输入端与母线电压采集单元3和输出电流采集单元4相连，模数转换单元5输出端与控制器6相连。

实施例2：基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的抑制系统的控制方法：包括以下步骤：

S1、通过控制器对IGBT模块在开关周期内的母线电压值V_dc以及输出电流值I_c进行读取；

S2、对读取后的IGBT模块在开关周期内的母线电压值V_dc以及输出电流值I_c进行分析，得到关断控制指令，并向驱动板输出关断控制指令；

S3、多级关断电路在IGBT模块的关断过程中在IGBT模块的门极信号增加一级电压V_m，持续时间为tm_off；驱动板根据接收到的关断控制指令调节多级关断电路的电压V_m的持续时间tm_off；

S4、通过多级关断电路改变IGBT模块的门极电压的关断过程，来对IGBT模块的关断电压尖峰进行抑制。

实施例3：基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的抑制系统的控制方法：包括以下步骤：

S1、通过控制器对每个IGBT模块的开关周期内的母线电压值Vdc以及输出电流值Ic进行读取。如图1所示，步骤S1中的控制器6安装在控制板1上，控制板1上还设有数模转换单元5，所述模数转换单元5的输入端连接有母线电压采样单元3和输出电流采样单元4，模数转换单元5的输出端与控制器6的信号输入端连接，控制器6的控制输出端与驱动板上2的多级关断电路7相连，多级关断电路7的输出端连接有IGBT模块8，所述母线电压采样单元3和输出电流采样单元4均与IGBT模块8连接。

本发明主要包含控制板1和驱动板2两个部分，具体如图1所示，其中控制器6会在每个IGBT模块的开关周期内读取母线电压值V_dc以及输出电流值I_c的状态，并形成相应的关断控制指令，最后传递到驱动板2，来调节多级关断电路7的模式，从而实现IGBT模块在不同工况时，具有不同的关断模式。

S2、对读取后的IGBT模块在的开关周期内的母线电压值V_dc以及输出电流值I_c进行分析，得到关断控制指令，并向驱动板输出关断控制指令；

S3、多级关断电路在IGBT模块的关断过程中在IGBT模块的门极信号增加一级电压V_m，持续时间为tm_off；驱动板根据接收到的关断控制指令调节多级关断电路的电压V_m的持续时间tm_off。其中图4为IGBT模块运行关断区域划分图。

IGBT模块的关断控制指令如下：

当V_dc<V₁且I_c<I₁时，即IGBT模块运行在图4的I区域，关断控制指令＝0，多级关断电路不执行关断动作，电压V_m的持续时间tm_off＝0；

当V₁<V_dc<V₂，I_c<I₁或者V_dc<V₁，I₁<I_c<I₂，即IGBT模块运行在图4的II区域，关断控制指令＝1，多级关断电路执行弱模式关断，电压V_m的持续时间tm_off小；

当V₁<V_dc<V₂，I₁<I_c<I₂，即IGBT模块运行在图4的III区域，关断控制指令＝2，多级关断电路执行强模式关断，电压V_m的持续时间tm_off大；

其中，V₁＝0.9V₀、I₁＝I₀、V₂＝V_dcmax、I₂＝I_cmax；

上式中的V₀是逆变器的额定直流母线电压，I₀是逆变器的额定输出电流；V_dcmax为逆变器的直流母线的过压保护值；I_cmax为逆变器的输出电流的过流保护值。

其中V₁＝0.9V_dc可由电学的一般规律得到，是相关技术人员所熟知的技术，因此在此不再赘述。根据电学器件安全运行规律，一般有电器器件的最大加载电压为其额定电压的120％，当其实际加载电压超过其最大加载电压，则电器内部的器件可能会被烧毁，因此有V_dcmax＝1.2V₀；而一般电器器件的最大通过电流为其额定电流的250％，当其实际通过电流超过其最大通过电流，其电器内部的器件可能被烧毁，因此有I_cmax＝2.5I₀。

多级关断电路施加的电压V_m会使得IGBT模块关断过程中的电流变化率(di/dt)降低，从而在同样的母排杂散电感Ls下，有效减小IGBT模块的关断电压尖峰。与此同时，驱动板接收到控制板的控制指令调节多级关断电路的电压V_m的持续时间tm_off，从而实现在抑制IGBT模块电压尖峰的同时，最大程度减小IGBT模块在不同工况下的关断损耗。

Claims (1)

1.基于状态观测的IGBT关断电压尖峰的抑制系统，包括IGBT模块(8)，其特征在于：还包括

母线电压采集单元(3)，与IGBT模块(8)的母线相连，用于采集IGBT模块(8)在开关周期内的母线电压值V_dc；

输出电流采集单元(4)，与IGBT模块(8)的输出端相连，用于采集IGBT模块(8)在开关周期内的输出电流值I_c；

控制板(1)，内置控制器(6)，控制板(1)的输入端与母线电压采集单元(3)和输出电流采集单元(4)相连，控制板(1)的输出端与多级关断电路(7)相连；用于接收母线电压采集单元(3)的电压信号和输出电流采集单元(4)的电流信号，根据电压信号和电流信号的数值输出相应的控制指令；

驱动板(2)，内置多级关断电路(7)，驱动板(2)的输入端与控制板(1)相连，驱动板(2)的输出端与IGBT模块(8)相连，多级关断电路(7)在IGBT模块(8)的关断过程中在IGBT模块(8)的门极信号增加一级电压V_m，持续时间为tm_off；驱动板(2)接收到控制板(1)的控制指令调节多级关断电路(7)的电压V_m的持续时间tm_off，从而实现在抑制IGBT模块(8)电压尖峰的同时，减小IGBT模块(8)在不同工况下的关断损耗；

所述的控制板(1)还内置有模数转换单元(5)，模数转换单元(5)输入端与母线电压采集单元(3)和输出电流采集单元(4)相连，模数转换单元(5)输出端与控制器(6)相连；

其控制方法包括以下步骤：

S1、通过控制器对IGBT模块在开关周期内的母线电压值V_dc以及输出电流值I_c进行读取；

S2、对读取后的IGBT模块在开关周期内的母线电压值V_dc以及输出电流值I_c进行分析，得到关断控制指令，并向驱动板输出关断控制指令；

S3、多级关断电路在IGBT模块的关断过程中在IGBT模块的门极信号增加一级电压V_m，持续时间为tm_off；驱动板根据接收到的关断控制指令调节多级关断电路的电压V_m的持续时间tm_off；

S4、通过多级关断电路改变IGBT模块的门极信号的关断过程，来对IGBT模块的关断电压尖峰进行抑制；

步骤S2中的IGBT的关断控制指令如下，

当V_dc<V₁且I_c<I₁时，关断控制指令＝0，电压V_m的持续时间tm_off＝0；

当V₁<V_dc<V₂，I_c<I₁或者V_dc<V₁，I₁<I_c<I₂，关断控制指令＝1，多级关断电路执行弱模式关断，电压V_m的持续时间tm_off小；

当V₁<V_dc<V₂，I₁<I_c<I₂，关断控制指令＝2，多级关断电路执行强模式关断，电压V_m的持续时间tm_off大；

其中，V₁＝0.9V₀、I₁＝I₀、V₂＝V_dcmax、I₂＝I_cmax；

上式中的V₀是逆变器的额定直流母线电压，I₀是逆变器的额定输出电流；V_dcmax为逆变器的直流母线的过压保护值；I_cmax为逆变器的输出电流的过流保护值。

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