CN110224597B - 一种rc-igbt型储能变换器的驱动控制方法 - Google Patents

一种rc-igbt型储能变换器的驱动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种RC‑IGBT型储能变换器的驱动控制方法，通过检测输出电流方向来判断储能变换器处于充电或放电状态，其中充电状态下RC‑IGBT型储能变换器的上桥臂为二极管续流模式，放电状态下RC‑IGBT型储能变换器的下桥臂为二极管续流模式。而在二极管续流阶段，采用负电平驱动，取代传统的高电平驱动，降低FRD深度饱和，减少FRD的导通损耗；在二极管续流关断阶段，通过退饱和控制来降低FRD的饱和程度，减小FRD的关断损耗。同时，为了避免退饱和脉冲造成储能变换器的死区过大，进一步提出一种低死区PWM调制方法来解决占空比与退饱和相互制约的难题。本发明有效地降低了储能变换器的开关损耗，提高了储能变换器的工作效率。

Description

一种RC-IGBT型储能变换器的驱动控制方法
技术领域
本发明涉及RC-IGBT的驱动控制，特别是一种RC-IGBT型储能变换器的驱动控制方法。
背景技术
逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)，是将IGBT和二极管结构集成在同一个芯片上，具有尺寸小、功率密度高、成本低、可靠性高等诸多优点。在电网系统中，高压器件需大量并联使用以满足大功率应用的需求，与普通IGBT相比，RC-IGBT在并联使用中具有更好的输出特性和传递特性，同时简化制造工艺。而在现阶段的文献中对于RC-IGBT的驱动研究中，并没有考虑退饱和控制所产生的死区的有效解决办法，进而引入RC-IGBT型储能变换器的高效驱动控制方法，来解决占空比与退饱和相互制约的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出RC-IGBT型储能变换器的高效驱动控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种RC-IGBT型储能变换器的驱动控制方法，包括以下步骤：
1)采样输出电流io，判断输出电流io的正负关系来确定储能变换器处于充电模式或放电模式，当io为正则处于放电模式，当io为负则处于充电模式；
2)当储能变换器处于充电模式，上桥臂的RC-IGBT器件处于二极管续流模态，设置上桥臂VT1的栅极驱动信号VGE-1为-15V的低电平，下桥臂VT2的栅极驱动信号VGE-2与PWM调制信号相同；当储能双向直流变换器处于放电模式，下桥臂VT2的RC-IGBT器件处于二极管续流模态，设置下桥臂的栅极驱动信号VGE-2为-15V，上桥臂VT1的栅极驱动信号VGE-1与PWM调制信号相同；
3)当储能变换器由放电模态切换至充电模态，或者由充电模态切换至放电模态，处于二极管续流模态的RC-IGBT器件通过退饱和控制来降低FRD的饱和程度，减小FRD的关断损耗；
4)将退饱和脉冲所占时间考虑至PWM调制中，使PWM调制信号的占空比由原来的d变为d-Tdelay/Ts，以保证实际占空比仍为d；其中，Ts为开关周期，Tdelay为退饱和脉冲延时。
步骤3)的具体实现过程包括：
放电模态到充电模态的切换过程中，仅当电流io小于负值的ip-时，才切换储能变换器至充电模态，通过FPGA逻辑门先设置VT1的栅极驱动电平为一个时间为Tdelay的+15V退饱和脉冲，后设置VT1的栅极驱动电平为-15V；Tdelay为20ms。
充电模态到放电模态的切换过程中，仅当电流io大于正值的ip+时，才切换储能变换器至放电模态，通过FPGA逻辑门先设置VT2的栅极驱动电平为一个时间为Tdelay的+15V退饱和脉冲，后设置VT2的栅极驱动电平为-15V。
ip-和ip+均设定为-0.1A。
步骤5)中，采用载波不对称调制，分别在载波的波谷、波峰两次装载PWM信号，在波谷时刻kTs装载原来的占空比d，在波峰时刻(k+0.5)Ts装载的占空比变为：
Figure GDA0002127810800000021
其中，Ts为开关周期，Tdelay为退饱和脉冲延时，k为时刻。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明RC-IGBT在FRD开通续流的负电平驱动基础上，引入退饱和控制来降低FRD的关断损耗。而考虑到退饱和控制时产生的死区时间过大对占空比造成的影响，故将退饱和脉冲所占时间考虑至PWM调制中，那么PWM信号的占空比由原来的d变为d-Tdelay/Ts。此种情况下，即使驱动电压VGE引入延时Tdelay，下管VT2驱动电压的实际占空比仍为d，避免了占空比受限。
附图说明
图1为RC-IGBT型储能变换器充电模态结构示意图；
图2为RC-IGBT型储能变换器放电模态结构示意图；
图3为FRD开通的负电平驱动控制方法；
图4(a)，图4(b)分别为传统PWM驱动和本发明提低功耗改进型PWM驱动控制方法；
图5(a)，图5(b)分别为传统PWM调制和改进型PWM调制时RC-IGBT驱动信号的输出占空比。
具体实施方式
图1为RC-IGBT型储能变换器充电模态结构示意图，采用Buck/Boost变换器，能实现能量的双向流动。其中，功率管VT1、VT2和电感L构成储能变换器，ub和ib分别是储能侧电压和电流，io为流过电感的电流，udc为直流母线电压。处于充电模态时，电流iL流向储能一侧，变换器此时处于Boost升压状态，桥臂中间的电压uinv高于储能侧电压ub。此时，上管VT1工作于二极管续流模式，下管VT2工作于IGBT状态。储能变换器的输入端与蓄电池相连，储能变换器的输出端经LC滤波器接入负载，储能变换器采用Buck-Boost拓扑结构，但将所述拓扑结构上的IGBT器件与反并联二极管(FRD)均由RC-IGBT取代。
本发明方法实现过程如下：
1)在处于FRD续流模式控制下时，当开关管工作在FRD模式开通续流阶段，在栅极加入-15V的负电平驱动，取代传统的高电平驱动电压，用以降低FRD的饱和程度，减少FRD导通损耗；
2)当储能变换器处于充电模态时，保持上桥臂的驱动信号VGE-1恒为-15V的低电平，下桥臂的驱动信号VGE-2与PWM调制信号相同。
3)当储能变换器处于放电模态，保持下桥臂的驱动信号VGE-2恒为-15V的低电平，上桥臂的驱动信号VGE-1与PWM调制信号相同。
4)判断检测流过电感的电流，当io小于给定负值ip-(设定为-0.1A)时，切换储能变换器至充电模式，将通过FPGA的逻辑门来设置VT1的驱动电平为-15V，进行放电模式到充电模式的转换；
5)判断检测流过电感的电流，当io大于给定正值ip+(设定为+0.1A)时，切换储能变换器至放电模式，将通过FPGA的逻辑门来设置VT1的驱动电平为-15V，进行充电模式到放电模式的转换；
6)充电模态时，VT1处于二极管控制模式。通过FPGA逻辑门检测控制信号上升沿，并触发驱动栅极电压VGE-1，同时施加一定宽度的正电压脉冲给上管VT1，给下管VT2添加一段延时时间Tdelay,；将退饱和脉冲所占时间考虑至PWM调制中，那么PWM信号的占空比由原来的d2变为d2-Tdelay/Ts。此种情况下，即使驱动电压VGE-1引入延时Tdelay，下管VT2驱动电压的实际占空比仍为d2，避免了占空比受限。
7)放电模态时，VT2处于二极管控制模式。通过FPGA逻辑门检测控制信号上升沿，并触发驱动栅极电压VGE-2，同时施加一定宽度的正电压脉冲给上管VT2，给下管VT1添加一段退饱和延时时间Tdelay,；将退饱和脉冲所占时间考虑至PWM调制中，那么PWM信号的占空比由原来的d1变为d1-Tdelay/Ts。此种情况下，即使驱动电压VGE-2引入延时Tdelay，下管VT1驱动电压的实际占空比仍为d1，避免了占空比受限。
图2为RC-IGBT型储能变换器充电模态结构示意图，同样的功率管VT1、VT2和电感L构成储能变换器，ub和ib分别是储能侧电压和电流，io为流过电感的电流，udc为直流母线电压。处于放电模态时，电容放电，iL的方向指向直流母线端，变换器工作于Buck降压，桥臂中心的电压uinv低于储能侧电压ub。此时，上管VT1工作于IGBT状态，下管VT1工作于二极管续流状态。
图3为FRD开通的负电平驱动控制方法，其中图3(a)为充电模态，图3(b)为放电模态。FRD开通续流阶段，本发明采用负电平驱动，取代传统的高电平驱动，用以降低FRD的饱和深度，减少FRD的导通损耗，如图3所示。当储能变换器处于充电模态，如图3(a)所示，上桥臂的驱动信号VGE-1恒为-15V的低电平，下桥臂的驱动信号VGE-2与PWM控制信号相同。当储能变换器处于放电模态，如图3(b)所示，下桥臂的驱动信号VGE-2恒为-15V的低电平，上桥臂的驱动信号VGE-1与PWM控制信号相同。
图4(a)为传统PWM驱动控制方法，图4(b)为本发明提低功耗改进型PWM驱动控制方法,以充电模态为例，其中VT1处于二极管控制模式。在FRD即将关断时刻，通过FPGA来检测PWM控制信号的上升沿，并触发栅极驱动电压VGE-1，来施加一定宽度的正电压脉冲给VT1，削弱FRD饱和程度，减小FRD反向恢复电流。而利用退饱和控制时，退饱和时间较长或开关周期Ts较小时，占空比将严重受限，影响输出电压的质量。PWM信号的占空比由原来的d2变为d2-Tdelay/Ts。在这种情况下，在功率管1引入退饱和延时Tdelay，下管VT2驱动电压的实际占空比仍为d2，避免了占空比受限。
图5(a)和图5(b)是以充电模式下为例的情况下采用传统PWM调制和改进型PWM调制时RC-IGBT驱动信号的输出占空比，二者的对比显示了RC-IGBT驱动的退饱和时间对输出电压占空比的影响：当采用传统PWM调制时，FRD的退饱和脉冲造成IGBT驱动信号存在较大的死区，其死区时间接近Tdelay。而采用改进型PWM调制时，退饱和脉冲对IGBT驱动信号死区的影响基本被消除，从而保证了驱动信号占空比的有效范围。这验证了所提控制方式的有效性。

Claims (5)

1.一种RC-IGBT型储能变换器的驱动控制方法，RC-IGBT型储能变换器的输入端与蓄电池相连，RC-IGBT型储能变换器的输出端经LC滤波器接入负载，所述RC-IGBT型储能变换器采用Buck-Boost拓扑结构，所述拓扑结构包括IGBT器件和与所述IGBT器件反并联的RC-IGBT，其特征在于，包括以下步骤：
1)采样输出电流io，判断输出电流io的正负关系来确定储能变换器处于充电模式或放电模式，当io为正则处于放电模式，当io为负则处于充电模式；
2)当储能变换器处于充电模式，上桥臂的RC-IGBT器件处于二极管续流模态，设置上桥臂VT1的栅极驱动信号VGE-1为-15V的低电平，下桥臂VT2的栅极驱动信号VGE-2与PWM调制信号相同；当储能双向直流变换器处于放电模式，下桥臂VT2的RC-IGBT器件处于二极管续流模态，设置下桥臂的栅极驱动信号VGE-2为-15V，上桥臂VT1的栅极驱动信号VGE-1与PWM调制信号相同；
3)当储能变换器由放电模态切换至充电模态，或者由充电模态切换至放电模态，处于二极管续流模态的RC-IGBT器件通过退饱和控制来降低FRD的饱和程度，减小FRD的关断损耗；
4)将退饱和脉冲所占时间考虑至PWM调制中，使PWM调制信号的占空比由原来的d变为d-Tdelay/Ts，以保证实际占空比仍为d；其中，Ts为开关周期，Tdelay为退饱和脉冲延时。
2.根据权利要求1所述的RC-IGBT型储能变换器的驱动控制方法，其特征在于，步骤3)的具体实现过程包括：
放电模态到充电模态的切换过程中，仅当电流io小于负值的ip-时，才切换储能变换器至充电模态，通过FPGA逻辑门先设置VT1的栅极驱动电平为一个时间为Tdelay的+15V退饱和脉冲，后设置VT1的栅极驱动电平为-15V；
充电模态到放电模态的切换过程中，仅当电流io大于正值的ip+时，才切换储能变换器至放电模态，通过FPGA逻辑门先设置VT2的栅极驱动电平为一个时间为Tdelay的+15V退饱和脉冲，后设置VT2的栅极驱动电平为-15V。
3.根据权利要求2所述的RC-IGBT型储能变换器的驱动控制方法，其特征在于，Tdelay设置为20ms。
4.根据权利要求2所述的RC-IGBT型储能变换器的驱动控制方法，其特征在于，ip-和ip+均设定为-0.1A。
5.根据权利要求1所述的RC-IGBT型储能变换器的驱动控制方法，其特征在于，步骤4)中，采用载波不对称调制，分别在载波的波谷、波峰两次装载PWM信号，在波谷时刻kTs装载原来的占空比d，在波峰时刻(k+0.5)Ts装载的占空比变为：
Figure FDA0002643411600000021
其中，Ts为开关周期，Tdelay为退饱和脉冲延时，k为时刻。
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