CN110350770B - 基于辅助电压源的串联igbt均压方法及系统 - Google Patents

基于辅助电压源的串联igbt均压方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于辅助电压源的串联IGBT均压方法及系统，其中方法包括以下步骤：(1)检测各串联IGBT的端口动态电压；(2)对各IGBT的端口动态电压分别进行动态过电压诊断；(3)若存在动态过电压，则对该IGBT的栅极提供应急的高电平信号；(4)停止对该IGBT的栅极提供应急的高电平信号，通过辅助电压源在该IGBT的栅极提供恒定不变的电压。本发明通过辅助电压源提供恒定电压，延长故障IGBT的关断时间，与其他IGBT同步关断，实现串联IGBT均压的目的。

Description

基于辅助电压源的串联IGBT均压方法及系统
技术领域
本发明涉及直流输电领域，尤其涉及一种基于辅助电压源的串联IGBT均压方法及系统。
背景技术
随着我国经济不断发展，在输配电领域，直流输电技术在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等方面得到了较多应用。然而作为直流输电技术的关键设备，电压源换流器的母线电压大，故对功率设备的绝缘和耐压提出了更高的要求。目前，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)串联技术能有效解决单个IGBT电压等级低的缺陷，成本低，结构简单，受到广泛关注。
IGBT均压技术存在的主要问题为电压分布不均匀。其原因包括：1、IGBT自身参数的不一致；2、外围电路参数的不一致；3、驱动信号的延迟。电压分布的不均匀可能造成单个IGBT产生过电压，轻则降低IGBT使用寿命，重则直接造成IGBT损坏，进而影响整个系统的安全稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单可行的抑制串联IGBT过电压的方法和系统。
本发明提供了一种基于辅助电压源的串联IGBT均压方法，包括以下步骤：
(1)检测各串联IGBT的端口动态电压；
(2)对各IGBT的端口动态电压分别进行动态过电压诊断；
(3)若存在动态过电压，则对该IGBT的栅极提供应急的高电平信号；
(4)停止对该IGBT的栅极提供应急的高电平信号，通过辅助电压源在该IGBT的栅极提供恒定不变的电压。
接上述技术方案，所述动态过电压诊断在IGBT栅极电压达到米勒平台时开始进行诊断。
接上述技术方案，当某一IGBT端口动态电压超过参考电压一定比例时，诊断为动态过电压。
接上述技术方案，该高电平信号的幅值由IGBT栅极驱动信号高电平幅值和IGBT米勒平台电压幅值的差值决定。
接上述技术方案，该高电平信号的信号宽度由IGBT端口电压诊断结果决定，当满足判据IGBT端口动态电压小于等于参考电压时，信号停止。
接上述技术方案，步骤(4)中，辅助电压源在停止对该IGBT的栅极提供高电平信号的下一个周期开始运行。
接上述技术方案，确定所述辅助电压源提供的恒定不变的电压的方法为：
设定趋近于0的第一检测电压值Ua，记录过电压IGBT与参考IGBT端口电压UCE达到第一检测电压值的时间，分别记为t1、t2，得到过电压反应延迟时间：
Δtdoff1＝t2-t1
设定第二检测电压值Ub，记录过电压IGBT与参考IGBT端口电压UCE达到第二检测电压值的时间，分别记为t3、t4。通过第一检测电压值Ua和第二检测电压值Ub预测整个电压上升时间，得到因为电压上升斜率差异产生的延迟时间：
Figure BDA0002102086810000021
其中U总为串联IGBT端口总电压，n为串联的IGBT的个数；
辅助电压源提供恒定电压幅值由公式
Figure BDA0002102086810000022
计算得到，其中Rg为IGBT栅极电阻，Cge为IGBT栅集极极间电容，Cgc为IGBT栅射极集间电容，Uon为IGBT栅极驱动信号高电平幅值。
本发明还提供了一种基于辅助电压源的串联IGBT均压系统，包括：
检测模块，用于检测各串联IGBT的端口动态电压；
诊断模块，用于对各IGBT的端口动态电压分别进行动态过电压诊断；
高电平信号提供模块，用于当某一IGBT的端口存在动态过电压时，对该IGBT的栅极提供应急的高电平信号；
辅助电压源，用于当某一IGBT的端口存在动态过电压时，为该IGBT的栅极提供恒定不变的电压。
本发明产生的有益效果是：本发明通过辅助电压源提供恒定电压，延长故障IGBT的关断时间，与其他IGBT同步关断，实现串联IGBT均压的目的。与现有技术相比，本发明具有原理简单、实现难度小、均压效果良好、稳定性高、功耗小等优点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例基于辅助电压源的串联IGBT均压方法的流程图；
图2是本发明实施例基于辅助电压源的串联IGBT均压系统结构示意图一；
图3是本发明实施例基于辅助电压源的串联IGBT均压系统结构示意图二。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例基于辅助电压源的串联IGBT均压方法包括以下步骤：
(1)检测串联IGBT各端口动态电压；
(2)进行IGBT动态过电压诊断；
(3)若存在动态过电压，则对IGBT栅极提供高电平信号；
(4)在IGBT栅极提供恒定不变的电压。
所述步骤(1)中，检测串联IGBT各端口动态电压的具体方法为通过分压电路将IGBT端口电压值输入控制器。
本发明的一个较佳实施例中，步骤(2)中，动态过电压诊断的具体方法如下：
(2-1)假设有n个IGBT串联在电路中，现对第i个IGBT进行过电压诊断，诊断判据为Ui＞1.1Uref，满足此判据的IGBT诊断为存在过电压。其中，Uref为参考电压，Uref前的系数可以取1到2之间的任意一个常数，取值太大了对器件不安全，太小了容易判断出错，本发明实施例中取值为1.1，优选范围为1.1-1.5。参考电压Uref可以为去除该IGBT之外的所有串联IGBT端口电压的平均值，也可以直接根据IGBT型号查阅生产手册选定。
(2-2)要求诊断在IGBT栅极电压达到米勒平台时开始进行诊断。
步骤(3)中，对IGBT栅极提供高电平信号的具体方法如下：
(3-1)信号幅值UA＝Uon-Um，其中Uon为IGBT栅极驱动信号高电平幅值，Um为IGBT米勒平台电压幅值；
(3-2)信号宽度由IGBT端口电压诊断结果决定，当满足判据Ui≤Uref时，信号停止。
步骤(4)中，对IGBT栅极提供辅助电压源的具体方法如下：
(4-1)辅助电压源在步骤(3)后的下一个周期开始运行；
(4-2)设定趋近于0的检测电压值Ua，记录过电压IGBT与参考IGBT端口电压UCE达到检测电压值的时间，分别记为t1、t2。得到过电压反应延迟时间
Δtdoff1＝t2-t1
(4-3)设定合适的检测电压值Ub，记录过电压IGBT与参考IGBT端口电压UCE达到检测电压值的时间，分别记为t3、t4。通过Ua和Ub预测整个电压上升时间，有比例系数
Figure BDA0002102086810000041
因此，故障IGBT电压上升时间trise1和trise2分别为
trise1＝p(t3-t1)
trise2＝p(t4-t2)
得到因为电压上升斜率差异产生的延迟时间
Figure BDA0002102086810000051
其中U总为串联IGBT端口总电压；
(4-4)根据IGBT关断延迟时间公式
Figure BDA0002102086810000052
其中Rg为IGBT栅极电阻，Cge为IGBT栅集极极间电容，Cgc为IGBT栅射极集间电容，gm为器件的跨导，Uge(th)为栅极阈值电压，ic为集电极电流。
则IGBT关断延迟时间与辅助电压之间的关系为
Figure BDA0002102086810000053
得到辅助电压源提供恒定电压幅值的公式
Figure BDA0002102086810000054
通过两个检测电压得到IGBT的总关断时间差，通过辅助电压源提供的恒定电压，延长故障IGBT的关断时间，与其他IGBT同步关断，实现串联IGBT均压的目的。
参照图1，本实施例的具体流程如下：
步骤S1：检测串联IGBT各端口动态电压；
步骤S2：进行IGBT动态过电压诊断。若不满足过电压判据，则结束。若满足过电压判据，则执行步骤S3；
步骤S3：对IGBT栅极提供高电平信号；
步骤S4：进行IGBT动态电压诊断，当满足正常电压判据(即Ui≤Uref)，则执行步骤S5；
步骤S5：对IGBT栅极停止提供高电平信号；
步骤S6：进入下一个周期；
步骤S7：下一个周期开始时，由辅助电压源对栅极提供恒定不变的电压。
为了实现上述实施例的方法，本发明还提供了基于辅助电压源的串联IGBT均压系统，如图2所示，该系统包括：
检测模块，用于检测各串联IGBT的端口动态电压；
诊断模块，用于对各IGBT的端口动态电压分别进行动态过电压诊断；
高电平信号提供模块，用于当某一IGBT的端口存在动态过电压时，对该IGBT的栅极提供应急的高电平信号；
辅助电压源，用于当某一IGBT的端口存在动态过电压时，为该IGBT的栅极提供恒定不变的电压。
如图3所示，可在诊断模块和辅助电压源之间设置一个控制器，通过输入t1、t2、t3、t4计算辅助电压源的给定电压并输出信号给受控的辅助电压源。
本发明提供一种简单有效的串联IGBT均压方法，在IGBT关断和电压上升斜率不大的场合实现串联IGBT均压，提高了大功率IGBT工作可靠性，具有原理简单、实现难度小、均压效果良好、稳定性高、功耗小等优点。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于辅助电压源的串联IGBT均压方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)检测各串联IGBT的端口动态电压；
(2)对各IGBT的端口动态电压分别进行动态过电压诊断；
(3)若存在动态过电压，则对该IGBT的栅极提供应急的高电平信号；
(4)停止对该IGBT的栅极提供应急的高电平信号，通过辅助电压源在该IGBT的栅极提供恒定不变的电压；
确定所述辅助电压源提供的恒定不变的电压的方法为：
设定趋近于0的第一检测电压值Ua，记录过电压IGBT与参考IGBT端口电压UCE达到第一检测电压值的时间，分别记为t1、t2，得到过电压反应延迟时间：
Δtdoff1＝t2-t1
设定第二检测电压值Ub，记录过电压IGBT与参考IGBT端口电压UCE达到第二检测电压值的时间，分别记为t3、t4；通过第一检测电压值Ua和第二检测电压值Ub预测整个电压上升时间，得到因为电压上升斜率差异产生的延迟时间：
Figure FDA0002826091800000011
其中U总为串联IGBT端口总电压，n为串联的IGBT的个数；
辅助电压源提供恒定电压幅值由公式
Figure FDA0002826091800000012
计算得到，其中Rg为IGBT栅极电阻，Cge为IGBT栅集极极间电容，Cgc为IGBT栅射极极 间电容，Uon为IGBT栅极驱动信号高电平幅值。
2.根据权利要求1所述的基于辅助电压源的串联IGBT均压方法，其特征在于，所述动态过电压诊断在IGBT栅极电压达到米勒平台时开始进行诊断。
3.根据权利要求1所述的基于辅助电压源的串联IGBT均压方法，其特征在于，当某一IGBT端口动态电压超过参考电压一定比例时，诊断为动态过电压。
4.根据权利要求1所述的基于辅助电压源的串联IGBT均压方法，其特征在于，该高电平信号的幅值由IGBT栅极驱动信号高电平幅值和IGBT米勒平台电压幅值的差值决定。
5.根据权利要求1所述的基于辅助电压源的串联IGBT均压方法，其特征在于，该高电平信号的信号宽度由IGBT端口电压诊断结果决定，当满足判据IGBT端口动态电压小于等于参考电压时，信号停止。
6.根据权利要求1所述的基于辅助电压源的串联IGBT均压方法，其特征在于，步骤(4)中，辅助电压源在停止对该IGBT的栅极提供高电平信号的下一个周期开始运行。
7.一种基于辅助电压源的串联IGBT均压系统，其特征在于,包括：
检测模块，用于检测各串联IGBT的端口动态电压；
诊断模块，用于对各IGBT的端口动态电压分别进行动态过电压诊断；
高电平信号提供模块，用于当某一IGBT的端口存在动态过电压时，对该IGBT的栅极提供应急的高电平信号；
辅助电压源，用于当某一IGBT的端口存在动态过电压时，为该IGBT的栅极提供恒定不变的电压；确定所述辅助电压源提供的恒定不变的电压的方法为：
设定趋近于0的第一检测电压值Ua，记录过电压IGBT与参考IGBT端口电压UCE达到第一检测电压值的时间，分别记为t1、t2，得到过电压反应延迟时间：
Δtdoff1＝t2-t1
设定第二检测电压值Ub，记录过电压IGBT与参考IGBT端口电压UCE达到第二检测电压值的时间，分别记为t3、t4；通过第一检测电压值Ua和第二检测电压值Ub预测整个电压上升时间，得到因为电压上升斜率差异产生的延迟时间：
Figure FDA0002826091800000031
其中U总为串联IGBT端口总电压，n为串联的IGBT的个数；
辅助电压源提供恒定电压幅值由公式
Figure FDA0002826091800000032
计算得到，其中Rg为IGBT栅极电阻，Cge为IGBT栅集极极间电容，Cgc为IGBT栅射极极 间电容，Uon为IGBT栅极驱动信号高电平幅值。
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