CN112019201B - 一种igbt器件的栅极电流调节器 - Google Patents

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Abstract

一种IGBT器件的栅极电流调节器，包括信号采样处理模块和栅极控制模块，信号采样处理模块采样IGBT器件集射电压并进行隔离、放大和模数转换处理，获得表示IGBT器件集射电压的数字信号；栅极控制模块中将双向导通MOSFET管的漏极和源极接在IGBT栅极电阻两端，并获取IGBT器件集射电压的数字信号与参考信号的差值并作为误差信号；利用第一PID控制器根据误差信号产生第一控制信号，第一控制信号经过信号处理单元进行数模转换、隔离和放大处理，获得控制双向导通MOSFET管电流流向的电压信号加在双向导通MOSFET管的栅极和源极上；再利用第二PID控制器根据误差信号调节IGBT器件的驱动脉冲信号，从而控制驱动模块配合双向导通MOSFET管构成IGBT器件的栅极充放电通路，实现对IGBT栅极电荷的调节。

Description

一种IGBT器件的栅极电流调节器
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及一种IGBT器件的栅极电流调节器，能够用于IGBT串联时的电压均衡控制。
背景技术
绝缘栅场效应晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator,IGBT)结合了功率MOSFET和BJT的优点，具有栅驱动控制电路简单易集成、低成本等优点，作为功率开关广泛应用于高压直流输电、静态可变补偿器、高压逆变器、机车牵引等电力电子系统中。目前，单个IGBT的阻断电压有限，最高能达到6.5KV，而阻断电压的提高伴随较大的技术难度和成本，因此通常将IGBT串联使用以适应高电压、高功率系统的要求。
IGBT串联使用中的主要技术难点在于实现各个IGBT器件的集射电压(VCE)均衡。由于制造工艺带来的寄生参数的离散性和驱动电路引起的驱动信号差异，IGBT串联使用过程中，会出现开关行为不同步的情况。这反映为较先开通和较迟关断的IGBT将会承受较高的暂态电压，使得IGBT工作在安全工作区(SOA)之外，可能造成IGBT的损坏，导致电力电子设备的失效。IGBT串联电压均衡技术主要是对IGBT开关过程进行调节，保证动态电压均衡，可分为无源缓冲器、有源钳位、有源栅控等三类，将三种技术结合可以得到更优的均压效果。
发明内容
针对IGBT器件在串联使用中存在的动态电压不均衡的问题，本发明基于有源栅控技术，提出了一种IGBT器件的栅极电流调节器，设计了双向导通MOSFET管与IGBT器件本身的驱动模块相结合为IGBT器件提供栅极充放电通路，通过采集IGBT器件集射电压获得误差信号作为控制双向导通MOSFET管和驱动模块的依据，实现对IGBT器件栅极电流充放电的切换控制；将本发明应用于IGBT串联时能够实现各个IGBT的电压均衡控制，解决了IGBT串联使用中动态电压不均衡的问题。
本发明的技术方案为：
一种IGBT器件的栅极电流调节器，所述IGBT器件的驱动脉冲信号通过驱动模块和IGBT栅极电阻后连接所述IGBT器件的栅极；
所述栅极电流调节器包括信号采样处理模块和栅极控制模块，
所述信号采样处理模块用于采样所述IGBT器件的集射电压并进行隔离、放大和模数转换处理，获得表示所述IGBT器件集射电压的数字信号；
所述栅极控制模块包括运算单元、双向导通MOSFET管、第一PID控制器、第二PID控制器和信号处理单元，
所述运算单元获取所述IGBT器件集射电压的数字信号与参考信号的差值并作为误差信号；
所述第一PID控制器根据所述误差信号产生第一控制信号，所述信号处理单元将所述第一控制信号进行数模转换、隔离和放大处理，获得控制所述双向导通MOSFET管电流流向的电压信号加在所述双向导通MOSFET管的栅极和源极上；
所述第二PID控制器根据所述误差信号产生第二控制信号；
所述双向导通MOSFET管的漏极和源极接在所述IGBT栅极电阻两端，所述双向导通MOSFET管与所述驱动模块构成所述IGBT器件的栅极充放电通路；
当所述IGBT器件集射电压的数字信号低于所述参考信号时，所述第一PID控制器产生的第一控制信号经过所述信号处理单元后控制所述双向导通MOSFET管的电流从所述IGBT器件栅极流向所述驱动模块，所述第二PID控制器产生的第二控制信号调整所述IGBT器件的驱动脉冲信号使得所述驱动模块对流入的电流进行放电，此时所述双向导通MOSFET管与所述驱动模块构成所述IGBT器件的栅极放电通路；
当所述IGBT器件集射电压的数字信号高于所述参考信号时，所述第一PID控制器产生的第一控制信号经过所述信号处理单元后控制所述双向导通MOSFET管的电流从所述驱动模块流向所述IGBT器件栅极，所述第二PID控制器产生的第二控制信号调整所述IGBT器件的驱动脉冲信号使得所述驱动模块为流出的电流进行充电，此时所述双向导通MOSFET管与所述驱动模块构成所述IGBT器件的栅极充电通路。
具体的，所述驱动模块包括串联并接在电源和地之间的两个三极管，其串联点作为所述驱动模块的输出端并通过所述IGBT栅极电阻后连接所述IGBT器件的栅极；当所述IGBT器件集射电压的数字信号低于所述参考信号时，所述第二控制信号调整所述IGBT器件的驱动脉冲信号使得连接地的三极管开启、连接电源的三极管关断；当所述IGBT器件集射电压的数字信号高于所述参考信号时，所述第二控制信号调整所述IGBT器件的驱动脉冲信号使得连接电源的三极管开启、连接地的三极管关断。
具体的，当有N个IGBT器件串联使用时，每个所述IGBT器件配置一个所述栅极电流调节器，N为正整数。
具体的，所述参考信号为N个所述IGBT器件集射电压的数字信号的平均值。
本发明的有益效果为：本发明仅需要在IGBT栅极电阻上并联一个双向导通MOSFET管，利用双向导通MOSFET管配合IGBT本身的驱动模块就构成了IGBT器件的栅极充放电通路，再结合技术成熟的PID控制器实现了对IGBT栅极电荷的调节，在IGBT开通和关断瞬态能够及时改变IGBT的栅极电流的方向，从而改变了IGBT的瞬态特性；本发明能够应用于串联IGBT中用于实现均压调节，不需要专门设计复杂的均压控制电路，具有简单、高效、可移植、可集成等优点。
附图说明
图1为本发明提出的一种IGBT器件的栅极电流调节器的结构示意图。
图2为参考信号的一种产生机理示意图。
图3为IGBT栅极电荷泄放时双向导通MOSFET管和驱动模块的原理图。
图4为IGBT栅极电荷充电时双向导通MOSFET管和驱动模块的原理图。
图5为实施例中将本发明提出的一种IGBT器件的栅极电流调节器应用于四管IGBT串联实现BUCK电路时的结构示意图。
图6为第二PID控制器对IGBT的驱动脉冲信号进行调节的示意图。
图7为图5所示于四管IGBT串联结构在不同负载下均压前后的集射电压误差对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的技术方案。
IGBT器件Q由其驱动脉冲信号PULSE通过驱动模块和IGBT栅极电阻RG后连接其栅极进行驱动，IGBT栅极电阻RG是IGBT驱动中常使用的电阻，可以根据实际驱动电流的需要调整IGBT栅极电阻RG的阻值。如图1所示，本发明提出的栅极电流调节器将双向导通MOSFET管M接在IGBT栅极电阻RG两端，利用双向导通MOSFET管M的电流能够双向流动的特性，结合IGBT器件Q本身的驱动模块为IGBT器件Q的栅极提供充放电通路。
本发明提出的栅极电流调节器包括信号采样处理模块2和栅极控制模块1，信号采样处理模块2包括电阻分压采样电路、隔离电路、放大器和模数转换器A/D。其中电阻分压采样电路可以由两个串联的分压电阻R1与R2实现，通过设置R1的阻值远大于R2阻值使得R2上获得幅值较小的电压信号，实施例中优选将电阻R1与R2之和设置为IGBT器件等效阻断电阻的10倍左右，以保证一定的静态均压效果。经过电阻分压后能够从电阻R2得到与IGBT器件的集射电压成比例的微电压信号，该电压信号接入隔离电路后能够得到独立于IGBT器件位置的第一电压信号。将第一电压信号通过放大器放大得到满足模数转换器A/D输入电压及分辨率要求的第二电压信号，第二电压信号通过模数转换后就能够得到表示IGBT器件集射电压的数字信号VCE。
栅极控制模块1包括运算单元、双向导通MOSFET管、第一PID控制器、第二PID控制器和信号处理单元，双向导通MOSFET管M与IGBT栅极电阻RG并联，如图1所示可以将双向导通MOSFET管M的漏极连接IGBT栅极电阻RG的一端和驱动模块的输出端，将双向导通MOSFET管M的源极连接IGBT栅极电阻RG的另一端和IGBT器件Q的栅极。双向导通MOSFET管M可以实现电流双向流动，即电流可以从漏极流向源极也可以从源极流向漏极，将双向导通MOSFET管M与传统IGBT栅极驱动的功率输出级结合就构成了本发明设计的IGBT栅极电流的充放电回路。IGBT器件的驱动模块通常包括串联并接在电源和地之间的两个三极管T1和T2构成的推挽电路，大部分IGBT的功率输出级都采样这种电路，如图3和图4所示，本实施例中采用NPN型三极管T1和PNP型三极管T2，三极管T1的集电极连接电源，三极管T2的集电极接地，三极管T1和T2的发射极连接双向导通MOSFET管M的漏极，三极管T1和双向导通MOSFET管M共同构成IGBT输入电容充电时的电流通道，三极管T2和双向导通MOSFET管M共同构成IGBT输入电容放电时的电流通道。
双向导通MOSFET管M的电流流向由第一PID控制器和信号处理模块根据误差信号VE进行控制，三极管T1和T2由第二PID控制器根据误差信号VE对IGBT器件的驱动脉冲信号PULSE进行调整来控制，PID控制算法的实现载体包括：单片机，FPFA，DSP，ASIC，MCU等。误差信号VE由运算单元根据IGBT器件集射电压的数字信号VCE与参考信号VCE_REF的差值获取，将当前采样处理后获得的IGBT器件的集射电压的数字信号VCE减去参考信号VCE_REF就得到了表征电压误差的误差信号VE，VE作为两个PID控制器的输入，经过两个PID控制器的作用形成闭环，使得误差信号VE趋近于0。
如图1所示，第一PID控制器的输入端连接误差信号VE，其输出端输出第一控制信号至信号处理单元的输入端，信号处理单元包括数模转换器、隔离电路和放大电路，将第一控制信号转换成对应的模拟信号并进行隔离和放大处理后加在双向导通MOSFET管的栅极和源极。信号处理单元主要用于将第一PID控制器输出的数字信号转换为足以驱动双向导通MOSFET管的模拟电压信号，并将PID控制部分与功率端产生隔离。
由于双向导通MOSFET管中的电流要形成通路，需要借助于驱动模块中的三极管T1和T2，因此利用第二PID控制器根据误差信号VE产生的第二控制信号来调节IGBT器件的驱动脉冲信号PULSE并接到IGBT器件的驱动模块的输入端，来进一步控制三极管T1和T2配合双向导通MOSFET管构成IGBT栅极充放电通路。在IGBT开通过程中，如果需要加快IGBT的开通速度，那么可以通过三极管T1和双向导通MOSFET管形成的通路为IGBT提供更大的电流，这种情况可以不需要第二PID控制器的作用，因为此时三极管T1是导通的；但是如果IGBT开通速度过快，需要减缓其开通速度，就需要双向导通MOSFET管和三极管T2形成回路抽取电流，此时就需要第二PID控制器产生的控制信号改变T1和T2的导通情况，打开三极管T2，同时关闭三极管T1，与双向导通MOSFET管结合完成对IGBT开通速度的调节。驱动脉冲信号是数字信号，因此第二PID控制器输出的第二控制信号通过改变其电平的高低来控制T1和T2的开关状态。
本发明提出的栅极电流调节器能够应用于IGBT串联时的均压控制，一个IGBT对应一个栅极电流调节器。如图5所示是将本发明的栅极电流调节器应用于四管IGBT串联的BUCK电路的实施例，Q1～Q4为四个IGBT，其串联形成开关，可以承受更高的耐压，并与二极管D、电感L、电容C、负载电阻RL构成了BUCK电路，每一个IGBT均配置一个栅极电流调节器，即配置了四个本发明的栅极电流调节器。四个IGBT的集射电压信号分别由四个栅极电流调节器的信号采样处理模块进行电阻分压、隔离、放大、模数转换，获得四个IGBT集射电压的数字信号VCE1、VCE2、VCE3、VCE4。四个栅极电流调节器的栅极控制模块分别将VCE1、VCE2、VCE3、VCE4与参考信号VCE_REF相减获得对应的误差信号VE1、VE2、VE3、VE4。获得的四个误差信号VE1、VE2、VE3、VE4分别经过对应栅极控制模块的两个PID控制器后调整对应的IGBT器件栅极充放电。四个IGBT对应的PID控制器根据当前IGBT开关瞬态的行为，结合双向导通MOSFET实时调节各自对应IGBT的栅极电流，从而优化电压均衡效果。
如图2所示为一种产生参考信号VCE_REF的方式，通过对N个IGBT的VCE作平均，得到参考信号VCE_REF。本实施例中也可以采用这种方式，将四个IGBT集射电压的数字信号VCE1、VCE2、VCE3、VCE4的平均值作为参考信号VCE_REF。当前IGBT的VCE信号减去VCE_REF就得到当前IGBT的电压误差信号VE作为PID控制器的输入。当然也可以通过其他方式产生参考信号VCE_REF，比如根据系统要求和实验设计，得到最优的IGBT的VCE电压信号波形数据，将该数据作为参考信号VCE_REF直接与IGBT实际运行过程中的VCE信号作差获得误差信号，该误差信号同样可以作为PID控制器的输入。
下面结合图3和图4详细描述本发明的工作过程，图3和图4给出了双向导通MOSFET管结合IGBT本身驱动模块的工作原理图，双向导通MOSFET管和IGBT栅极电阻RG并联，并与传统IGBT栅极驱动的功率输出级结合，构成了IGBT栅极电流的充放电回路。
在开通过程中，当该IGBT开通速度较其他串联的IGBT更快时，其对应的集射电压的数字信号VCE低于参考信号VCE_REF，此时对应的误差信号VE小于0，两个PID控制器的作用是将误差信号VE减小到零，因此两个PID控制器分别输出控制信号调节驱动脉冲信号和双向导通MOSFET管的栅极信号，第一PID控制器控制双向导通MOSFET管中的电流从源端流到漏端，第二PID控制器通过调节脉冲信号配合打开三极管T2、闭合三极管T1，为IGBT栅极电荷提供泄放通路，如图3所示，这样就降低了IGBT栅极电荷的充电速度，进而延缓了IGBT的开通，实现该IGBT和其他IGBT的开通过程同步，最终使误差信号VE趋近于0。
同理，在开通过程中，当该IGBT开通速度较其他IGBT更慢时，其对应的集射电压的数字信号VCE高于参考信号VCE_REF，此时对应的误差信号VE大于0，则两个PID控制器分别输出控制信号调节驱动脉冲信号和双向导通MOSFET管的栅极信号，第一PID控制器控制双向导通MOSFET栅极信号，使得双向导通MOSFET管中的电流从漏端流到源端，第二PID控制器通过调节脉冲信号配合打开三极管T1、闭合三极管T2，如图4所示，这样就增加了IGBT栅极电荷的充电速度，进而加速了IGBT的开通，实现该IGBT和其他IGBT的开通过程同步，最终也使误差信号VE趋近于0。
在关断过程中，当该IGBT关断速度较其他IGBT更慢时，VCE低于参考信号VCE_REF，同图3所示的控制原理，第一PID控制器控制双向导通MOSFET管中的电流从源端流到漏端，第二PID控制器通过调节脉冲信号配合打开三极管T2、闭合三极管T1，加速该IGBT的关断。在关断过程中，当该IGBT关断速度较其他IGBT更快时，VCE高于参考信号VCE_REF，同图4所示的控制原理，第一PID控制器控制双向导通MOSFET栅极信号，使得双向导通MOSFET管中的电流从漏端流到源端，第二PID控制器通过调节脉冲信号配合打开三极管T1、闭合三极管T2，减缓该IGBT的关断。
图6所示为第二PID控制器对驱动脉冲信号的调节，从t1时刻开始，IGBT进入开通阶段，此时由于第二PID控制器的调节作用，使得在t2时刻前后，驱动脉冲信号在高电平和低电平之间跳变，即调整了功率输出级中两个三极管T1和T2的导通时序，进一步配合双向导通MOSFET管完成了开通过程中对栅极电流的充放电。同理，从t3时刻开始，IGBT进入关断阶段，在t4时刻前后，驱动脉冲信号在高低电平之间跳变，完成在关断过程中，对IGBT栅极电流的充放电。
图7为在图5所示实施例中，在不同负载下，均压前后的集射极电压平均误差，图7中上图为未利用本发明的栅极电流调节器进行均压控制的示意图，图7中下图为应用本发明的栅极电流调节器进行均压控制后的示意图。图7中，Error1为图5所示实施例中IGBT器件Q2的集射极电压和Q1的集射极电压之差在一个脉冲周期的平均值。Error2为图5所示实施例中IGBT器件Q3的集射极电压和Q1的集射极电压之差在一个脉冲周期的平均值。Error3为图5所示实施例中IGBT器件Q4的集射极电压和Q1的集射极电压之差在一个脉冲周期的平均值。从图7可以看出，采用本发明的均压技术后，以负载电阻RL＝2.5欧姆为例，Error3从523V降低到了89V，实现了较好的均压效果。
综上所述，本发明利用双向导通MOSFET管的电流双向流通特性，配合驱动模块构成了IGBT器件的栅极充放电通路，结合双PID控制器对误差信号进行处理分别控制双向导通MOSFET管的电流流向和驱动模块输入的驱动脉冲信号，在IGBT开通和关断瞬态及时改变IGBT的栅极电流的方向，起到调节栅极电荷的作用，从而改变IGBT的瞬态特性。
本发明能够应用于串联IGBT中用于实现均压调节，只需要在IGBT栅极电阻之上并联双向导通MOSFET管并配合本发明的控制方法即可，采用的是技术成熟的PID控制器，相比传统有源栅控技术需要为专门的应用电路设计较为复杂的均压控制电路而言，本发明具有简单、高效、可移植、可集成等优点。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种IGBT器件的栅极电流调节器，所述IGBT器件的驱动脉冲信号通过驱动模块和IGBT栅极电阻后连接所述IGBT器件的栅极；
其特征在于，所述栅极电流调节器包括信号采样处理模块和栅极控制模块，
所述信号采样处理模块用于采样所述IGBT器件的集射电压并进行隔离、放大和模数转换处理，获得表示所述IGBT器件集射电压的数字信号；
所述栅极控制模块包括运算单元、双向导通MOSFET管、第一PID控制器、第二PID控制器和信号处理单元，
所述运算单元获取所述IGBT器件集射电压的数字信号与参考信号的差值并作为误差信号；
所述第一PID控制器根据所述误差信号产生第一控制信号，所述信号处理单元将所述第一控制信号进行数模转换、隔离和放大处理，获得控制所述双向导通MOSFET管电流流向的电压信号加在所述双向导通MOSFET管的栅极和源极上；
所述第二PID控制器根据所述误差信号产生第二控制信号；
所述双向导通MOSFET管的漏极和源极接在所述IGBT栅极电阻两端，所述双向导通MOSFET管与所述驱动模块构成所述IGBT器件的栅极充放电通路；
当所述IGBT器件集射电压的数字信号低于所述参考信号时，所述第一PID控制器产生的第一控制信号经过所述信号处理单元后控制所述双向导通MOSFET管的电流从所述IGBT器件栅极流向所述驱动模块，所述第二PID控制器产生的第二控制信号调整所述IGBT器件的驱动脉冲信号使得所述驱动模块对流入的电流进行放电，此时所述双向导通MOSFET管与所述驱动模块构成所述IGBT器件的栅极放电通路；
当所述IGBT器件集射电压的数字信号高于所述参考信号时，所述第一PID控制器产生的第一控制信号经过所述信号处理单元后控制所述双向导通MOSFET管的电流从所述驱动模块流向所述IGBT器件栅极，所述第二PID控制器产生的第二控制信号调整所述IGBT器件的驱动脉冲信号使得所述驱动模块为流出的电流进行充电，此时所述双向导通MOSFET管与所述驱动模块构成所述IGBT器件的栅极充电通路。
2.根据权利要求1所述的IGBT器件的栅极电流调节器，其特征在于，所述驱动模块包括串联并接在电源和地之间的两个三极管，其串联点作为所述驱动模块的输出端并通过所述IGBT栅极电阻后连接所述IGBT器件的栅极；当所述IGBT器件集射电压的数字信号低于所述参考信号时，所述第二控制信号调整所述IGBT器件的驱动脉冲信号使得连接地的三极管开启、连接电源的三极管关断；当所述IGBT器件集射电压的数字信号高于所述参考信号时，所述第二控制信号调整所述IGBT器件的驱动脉冲信号使得连接电源的三极管开启、连接地的三极管关断。
3.根据权利要求1或2所述的IGBT器件的栅极电流调节器，其特征在于，当有N个IGBT器件串联使用时，每个所述IGBT器件配置一个所述栅极电流调节器，N为正整数。
4.根据权利要求3所述的IGBT器件的栅极电流调节器，其特征在于，所述参考信号为N个所述IGBT器件集射电压的数字信号的平均值。
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