CN113131511A - 一种igbt器件退饱和检测保护电路控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种DPB逆变器中SiC器件控制退饱和检测保护电路的方法；该方法包括以下步骤：通过采样、滤波、比较电路后将逆变器输出电压电流信号由逻辑电路进行快速判断，确定输出电压电流的方向；根据不同方向的电压电流组合对其输出状态进行分类，分别为Ⅰ区(v＞0，i＞0)、Ⅱ区(v＞0，i＜0)、Ⅲ区(v＜0，i＜0)及Ⅳ区(v＜0，i＞0)；再通过在I区和III区SiC开关器件计数时钟产生的中断程序，在SiC器件从关断到开通的过程中，向外围驱动电路输出信号以抑制退饱和检测功能；该方法避免了在DPB逆变器在高速换流过程中，由于寄生电感、频率过高等因素引起的退饱和检测电路误触发故障，有效提高了系统故障诊断的可靠性，从而保证电路正常工作。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统领域，具体地说，涉及一种IGBT器件退饱和检测保护电路控制方法。
背景技术
在能源枯竭与环境污染日益严重的今天，光伏发电技术已经成为世界各国争相发展的新能源技术。而光伏并网逆变器作为光伏发电系统中的核心部件，特别是分布式单相光伏并网发电系统，近年来得到了大力推广，其可靠性直接关系到光伏系统的利用率和供电质量。
一般而言传统逆变器内IGBT器件的退饱和检测保护速度较快(低于10us)，因此目前广泛的做法是将退饱和检测电路通常集成于驱动芯片内，此过程中退饱和检测保护电路的输入信号为IGBT器件的端电压值，而IGBT器件的端电压值在饱和区内，与电流几乎成线性关系。当发生过流或短路时，IGBT的端电压随着电流的增加而上升，当大于退饱和检测保护电路的给定阈值时，则保护电路判断为过流或短路故障，从而进行保护动作。随着SiC器件逐渐取代IGBT器件作为高速开关器件，逆变器的效率出现大幅度的提高，同时也面临着更为复杂的控制及保护电路和更高的可靠性要求。
DPB是一种新型单相光伏并网逆变器拓扑，在DPB逆变器中，由于SiC器件工作在高频状态，容易在电流续流、换向等过程中因电路寄生电感的影响对工频常开IGBT产生影响，造成端电压上升，导致驱动芯片误判断误触发，从而进行误短路保护动作，影响逆变器的正常运行，容易出现电路振荡等现象。这些现象降低了系统可靠性。
发明内容
本发明的目的在于建立一种IGBT器件退饱和检测保护电路控制方法，有效避免误触发的情况，提高整个系统的短路保护可靠性，以克服现有技术中的缺陷。
为了实现上述目的，本发明针对SiC器件在电流续流或换向过程中，电感扰动和并联二极管反向恢复导致的常开IGBT开关器件端电压上升，进而引发退饱和检测保护电路的误触发这一故障现象，提出了一种DPB逆变器中IGBT器件退饱和检测保护电路控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
步骤1)：由电压传感器采样逆变器的输出电压信号，电流传感器采样逆变器的输出电流信号；
步骤2)：将采样到的电压信号和电流信号依次经滤波电路、运放比较电路处理后，送入数字信号处理器中；
步骤3)：数字信号处理器接收到信号后对其进行计算分析，判断输出电流及输出电压的方向，确定逆变器输出状态是处于Ⅰ区、Ⅱ区、III区或Ⅳ区；其中：Ⅰ区为v＞0，i＞；Ⅱ区为v＞0，i＜0；III区为v＜0，i＜0；Ⅳ区为v＜0，i＞0；v表示电网电压，i表示输出电流；
步骤4)：当在I区或III区时，S2或S1的控制信号时钟在完成全周期计数时输出中断信号；
步骤5)：中断中，使能退饱和检测电路的控制信号，并通过数字信号处理器输出低电平，以抑制S3或S4开关管的退饱和检测保护电路功能，输出完成后返回到步骤1。
优选的，所述数字信号处理器为FPGA数字信号控制器。
本发明的工作原理为：
本发明通过分析DPB逆变器的输出电流和电压，判断逆变器的输出状态及电流换向状态，数字信号处理器根据不同的输出状态和换向状态生成相应的控制信号使得驱动芯片或电路的退饱和检测保护电路功能被激活或抑制，例如FPGA。判断逆变器的输出状态有四种，分别为I区(v＞0，i＞0)、Ⅱ区(v＜0，i＞0)、Ⅲ区(v＜0，i＜0)及Ⅳ区(v＞0，i＜0)；但IGBT工作的状态仅为I区和Ⅲ区，在Ⅱ区和Ⅳ区均不动作，由SiC器件承担开关工作。在分析完状态之后，由数字信号处理器，例如TC1797，生成并输出激活或抑制退饱和检测保护电路功能的使能控制信号，由常开IGBT器件的驱动芯片或电路接收并执行。当退饱和检测保护电路功能被激活时，驱动芯片或电路能够对IGBT器件进行正常的退饱和检测。当退饱和检测保护电路功能被抑制时，阻止驱动芯片或电路对开关进行退饱和检测，以实现避免电流换流换向情况下电路振荡、开关内阻过大造成、电流冲击等导致退饱和检测误触发。由于数字信号处理器运行的频率可达MHz级，因此生成并输出退饱和检测功能使能控制信号的速度元大于SiC器件的开关速度，可以起到足够的保护效果。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明解决了DPB逆变器中采用退饱和检测带来的误检测问题，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为DPB逆变器中IGBT器件退饱和检测保护电路的控制方法流程图；
图2为DPB逆变器中IGBT器件退饱和检测保护电路的示意图；其中：S1、S2为SiC开关器件，S3、S4为IGBT器件(S1和S2互补，S3和S4互补)，C为母线电容，L2、L3为滤波电路中的电感，Grid为单相电网，Driver3、Driver4为两个IGBT开关器件的驱动电路(集成退饱和检测电路)；
图3为DPB逆变器状态从Ⅳ区至I区再至Ⅱ区过程中S2和S3的占空比示意图；可知在I区S3常开，在Ⅳ区和Ⅱ区均不动作，Ⅱ区由S2承担高速动作；
图4为SiC开关器件的退饱和检测使能电路实施例简图；Vref为退饱和检测电路参考电压，D1、D2及D3为快恢复二极管，Cb为控制死区时间的电容，Rp为下拉电阻，Sf为超快速开关，VG为驱动电压。Sf作为驱动外围电路接受处理器的控制信号，并进行相应动作对退饱和检测进行使能控制。
具体实施方式
为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
以下结合附图和实例，对本发明作进一步的详细描述。
以感性负载情况下，从Ⅰ区过程为例，具体过程如下：
(1)如图1，采样电路对输出电感电流及输出电压进行采样，采样信号经滤波电路、运放比较电路后，输入数字信号处理器进行分析，以判断当下输出状态是处于I区(v＞0，i＞0)、Ⅱ区(v＜0i＞0)、Ⅲ区(v＜0，i＜0)或Ⅳ区(v＞0，i＜0)。
(2)数字信号处理器判断出DPB逆变器的输出状态处于Ⅰ区，则进一步判断此时下式是否成立：
|i|＜0.01×imax
①
若①式不成立，则进行模式为Ⅰ1的控制信号输出，原因如下所述：
输出状态为Ⅰ区时，S2进行开关动作，S3保持导通，S1、S4保持关断，逆变器输出正向电压和正向电流，电流流向路径为C(+)→S3→单相电网→L3→S2→C(-)或L3→D2→S3→单相电网(D2为S2的续流二极管)，S2、S3开关管时序如,2所示。由于①式不成立，则在一个较短的时刻内，不会出现输出电流i突然换向的问题，电流流向路径保持不变。因此PWM3的电平转换对电流换向无影响，而PWM2的电平转换直接影响到电流换向和各开关管的电压分压。
当在PWM2为从低电平转变高电平时，L3电动势方向发生改变，D2转为反向恢复状态，其反向恢复过程的数学表达式为：
式中，trr为反向恢复时间，τp为二极管基区少子寿命，If及Ir分别为二极管的正向、反向电流。
由于电路中可能存在寄生电感，且SiC开关速度较快，数量级通常是10-6s至10-9s，在较大的dirr/dt作用下，导致S3的端电压振荡，而此时S3正处于常开导通状态，其退饱和检测保护电路一旦启动，则易导致退饱和电路误触发从而发生失效故障。在Ⅲ区过程中，S4的端电压同样会因为上述描述的过程发生退饱和检测误触发等电路失效故障。因此需要在S2的开通时刻，抑制S3的退饱和检测保护电路功能。
(3)如图3，S2的控制信号时钟在完成全周期计数时输出中断信号，通过中断程序，使能退饱和检测电路的控制信号，并通过数字信号处理器输出高电平，以抑制S3或S4开关管的退饱和检测保护电路功能，输出完成后返回到步骤(1)。
(4)在本实施案例中，控制信号通过控制退饱和检测电路中的超快速开关，即图4中Sf，来进行保护电路功能激活或抑制。当数字信号处理器输出高电平时，Sf导通。退饱和检测比较电路的正端输入被下拉到0V，此时不管IGBT的端电压如何变化，其比较器正端输入始终为0V，因此退饱和检测电路不动作。当输出低电平时，Sf关断。此时退饱和检测比较器正端输入决定于IGBT的端电压值，当正端输入电压值高于设定阈值时，退饱和检测动作。
本实施例只详述了一种在逆变器输出状态为Ⅰ区时的控制退饱和检测保护电路的方法，当输出状态为III区时，由同类电路抑制S4器件的退饱和检测保护电路。附图中的装置模块等只是作为一个实施例的示意图，并不一定是实施本发明所必须的。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。
Claims (2)
1.一种IGBT器件退饱和检测保护电路控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
步骤1)：由电压传感器采样逆变器的输出电压信号，电流传感器采样逆变器的输出电流信号；
步骤2)：将采样到的电压信号和电流信号依次经滤波电路、运放比较电路处理后，送入数字信号处理器中；
步骤3)：数字信号处理器接收到信号后对其进行计算分析，判断输出电流及输出电压的方向，确定逆变器输出状态是处于Ⅰ区、Ⅱ区、III区或Ⅳ区；其中：Ⅰ区为v＞0，i＞；Ⅱ区为v＞0，i＜0；III区为v＜0，i＜0；Ⅳ区为v＜0，i＞0；v表示电网电压，i表示输出电流；
步骤4)：当在I区或III区时，S2或S1的控制信号时钟在完成全周期计数时输出中断信号；
步骤5)：中断中，使能退饱和检测电路的控制信号，并通过数字信号处理器输出低电平，以抑制S3或S4开关管的退饱和检测保护电路功能，输出完成后返回到步骤1。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述数字信号处理器为FPGA数字信号控制器。
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