CN113517804B - 一种igbt串联条件下的同步性能监测电路 - Google Patents

一种igbt串联条件下的同步性能监测电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种IGBT串联条件下的同步性能监测电路，缓冲电路包括缓冲电路导体、缓冲电阻元件及缓冲电容元件，其中，缓冲电路导体、缓冲电阻元件及缓冲电容元件串联于IGBT的集电极与发射极之间，缓冲电路导体位于PCB型磁场传感器与聚磁体之间，PCB型磁场传感器与信号输入整流桥的交流电压输入侧相连接，信号输入整流桥输出侧的正极经输入电阻与输入保持电容的一端及信号处理电路的输入端相连接，输入保持电容的另一端与信号输入整流桥输出侧的负极相连接，信号处理电路的输出端与控制系统相连接，该电路能够实现对IGBT串联条件下的同步触发性能进行监测。

Description

一种IGBT串联条件下的同步性能监测电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种IGBT串联条件下的同步性能监测电路。
背景技术
绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的应用，不断推动固态脉冲功率技术的发展。为提高IGBT的应用电压等级，通常会采用多级串连方案以提高晶体管耐压能力，同时，必须采取一定的同步触发方案，以实现对各级IGBT触发分散性的良好控制。
目前IGBT的隔离触发技术主要包括磁隔离触发、光纤隔离触发两种方式；在触发控制方面，基于嵌入式系统的应用，可通过数字驱动端口对各级IGBT的触发时延进行调整，并通过提高控制系统晶振频率，以提高数字信号的时延精度。
由于串联条件下，各级IGBT的触发时延会受到晶体管特性、磁体材料以及光纤特性的影响，在这种情况下，对器件特性的一致性要求极大的增加了筛选工作的技术难度和成本；同时，由于环境温度、电路参数以及工作点差异等影响，都构成实际情况下的不确定性因素。因此，实现对IGBT同步触发性能的动态、在线监测与控制，是降低成本，提高触发控制精度的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种IGBT串联条件下的同步性能监测电路，该电路能够实现对IGBT串联条件下的同步触发性能进行监测。
为达到上述目的，本发明所述的IGBT串联条件下的同步性能监测电路包括控制系统、缓冲电路、PCB型磁场传感器、信号输入整流桥、输入电阻、输入保持电容、信号处理电路及聚磁体；
缓冲电路包括缓冲电路导体、缓冲电阻元件及缓冲电容元件，其中，缓冲电路导体、缓冲电阻元件及缓冲电容元件串联于IGBT的集电极与发射极之间，缓冲电路导体位于PCB型磁场传感器与聚磁体之间，PCB型磁场传感器与信号输入整流桥的交流电压输入侧相连接，信号输入整流桥输出侧的正极经输入电阻与输入保持电容的一端及信号处理电路的输入端相连接，输入保持电容的另一端与信号输入整流桥输出侧的负极相连接，信号处理电路的输出端与控制系统相连接。
信号处理电路包括第一电阻、第二电阻、极性电容、与非门及与门；
输入电阻与第一电阻的一端、与门的第一个输入端及与非门的输入端相连接，第一电阻的另一端接地，与非门的输出端经第二电阻与极性电容的正极及与门的第二个输入端相连接，与门的输出端作为信号处理电路的输出端，极性电容的负极接地。
信号处理电路通过光电转换单元与控制系统相连接。
在使用时，控制系统与待控制的IGBT相连接。
控制系统通过隔离驱动电路与待控制的IGBT相连接。
利用PCB型磁场传感器以非接触的方式监测缓冲电路的充电和放电电流磁场。
信号处理电路通过PCB型磁场传感器监测缓冲电路的充电和放电电流磁场，并将PCB型磁场传感器输出的信号转换为方波信号。
信号处理电路经光电转换单元及光纤与控制系统相连接。
控制系统根据信号处理器输出的方波信号调整IGBT的导通延时及关断延时，保证串联条件下各级IGBT导通及关断特性的一致性。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的IGBT串联条件下的同步性能监测电路在具体操作时，基于IGBT的导通及关断时刻与缓冲电路的放电及充电过程同步，且一一对应，因此以缓冲电路的电流(磁场)为监测对象，为IGBT多级串联条件下的在线监测与同步控制提供依据，填补目前该领域同步控制技术的空白，另外，采用磁场传感器插入阻抗较小，因此，对一次侧缓冲电路的影响较小，而且由于采用非接触测量方式，实现信号处理电路与高压侧的隔离，适用于多级串联条件下的在线监测需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中信号处理电路7的原理图；
图3为本发明的原理图；
图4为检出信号与IGBT控制信号的配合图。
其中，1为缓冲电阻元件、2为缓冲电容元件、3为PCB型磁场传感器、4为信号输入整流桥、5为输入电阻、6为输入保持电容、7为信号处理电路、8为光电转换单元、9为聚磁体、10为缓冲电路导体。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
IGBT多级串连方式下，IGBT导通及关断过程总是存在着不同程度的不同期性：触发导通过程中，最后导通的晶体管，以及关断过程中先行关断的晶体管将面临最高系统电压，如不采取必要措施，必将引起晶体管的击穿损坏。
为抑制暂态不同期性对晶体管造成的过电压冲击，需采用缓冲电路并接于IGBT集电极与发射极之间，以实现对过电压的缓冲吸收，其中，缓冲电路主要由RC元件构成。
当IGBT的集电极与发射极之间具备正常耐压条件时，RC缓冲电路能够正常充电，产生正常充电电流，其电容被充电至预期的单级分压值；IGBT能够被正常触发导通时，电容的电压通过放电电阻以及IGBT的集电极、发射极释放，并产生预期的放电电流。
由上述分析可知，该暂态缓冲电路的充放电过程，与IGBT动作过程的导通和关断是同步的，通过监测暂态缓冲电路的充放电情况，便可监测到IGBT动作过程的导通和关断情况。
基于此原理，本发明所述的IGBT串联条件下的同步性能监测电路包括缓冲电路、PCB型磁场传感器3、信号输入整流桥4、输入电阻5、输入保持电容6、信号处理电路7、光电转换单元8及聚磁体9；
参考图1，缓冲电路包括缓冲电路导体10、缓冲电阻元件1及缓冲电容元件2，其中，缓冲电路导体10、缓冲电阻元件1及缓冲电容元件2串联于IGBT的集电极与发射极之间，缓冲电路导体10位于PCB型磁场传感器3与聚磁体9之间，PCB型磁场传感器3与信号输入整流桥4的交流电压输入侧相连接，信号输入整流桥4输出侧的正极经输入电阻5与输入保持电容6的一端及信号处理电路7的输入端相连接，输入保持电容6的另一端与信号输入整流桥4输出侧的负极相连接，信号处理电路7通过光电转换单元8与控制系统相连接。
参考图2，所述信号处理电路7包括第一电阻R2、第二电阻Rb、极性电容C1、与非门及与门，其中，输入电阻5与第一电阻R2的一端、与门的第一个输入端及与非门的输入端相连接，第一电阻R2的另一端接地，与非门的输出端经第二电阻Rb与极性电容C1的正极及与门的第二个输入端相连接，与门的输出端作为信号处理电路7的输出端，极性电容C1的负极接地，通过信号处理电路7实现对缓冲电路充、放电过程的准确检出，并输出方波检出信号。
如图3所示，控制系统通过隔离驱动电路与IGBT相连接，以两路串联检测和控制为例，上述方波检出信号经光电转换后，以光纤接入到控制系统，控制系统对各路信号的前、后沿时间进行判断，以各路触发时刻的平均值，或以某一路为基准对其他各路的触发和关断时刻进行调整，分别通过输出触发信号，确保串联条件下各级IGBT导通、关断特性的一致性。
为提高上述同步控制方式的可靠性，控制系统同时监测缓冲电路充放电过程的方波检出信号是否与IGBT原控制信号相匹配，如图4所示，当满足匹配条件，即△t1及△t2在预定范围内时，根据上述方法进行闭环调整，当不满足匹配条件时，即表示该级电路存在异常开通或关断现象，则系统立刻停止工作。

Claims (8)

1.一种IGBT串联条件下的同步性能监测电路，其特征在于，包括控制系统、缓冲电路、PCB型磁场传感器（3）、信号输入整流桥（4）、输入电阻（5）、输入保持电容（6）、信号处理电路（7）及聚磁体（9）；
缓冲电路包括缓冲电路导体（10）、缓冲电阻元件（1）及缓冲电容元件（2），其中，缓冲电路导体（10）、缓冲电阻元件（1）及缓冲电容元件（2）串联于IGBT的集电极与发射极之间，缓冲电路导体（10）位于PCB型磁场传感器（3）与聚磁体（9）之间，PCB型磁场传感器（3）与信号输入整流桥（4）的交流电压输入侧相连接，信号输入整流桥（4）输出侧的正极经输入电阻（5）与输入保持电容（6）的一端及信号处理电路（7）的输入端相连接，输入保持电容（6）的另一端与信号输入整流桥（4）输出侧的负极相连接，信号处理电路（7）的输出端与控制系统相连接；
信号处理电路（7）包括第一电阻（R2）、第二电阻（Rb）、极性电容（C1）、与非门及与门；
输入电阻（5）与第一电阻（R2）的一端、与门的第一个输入端及与非门的输入端相连接，第一电阻（R2）的另一端接地，与非门的输出端经第二电阻（Rb）与极性电容（C1）的正极及与门的第二个输入端相连接，与门的输出端作为信号处理电路（7）的输出端，极性电容（C1）的负极接地。
2.根据权利要求1所述的IGBT串联条件下的同步性能监测电路，其特征在于，信号处理电路（7）通过光电转换单元（8）与控制系统相连接。
3.根据权利要求1所述的IGBT串联条件下的同步性能监测电路，其特征在于，在使用时，控制系统与待控制的IGBT相连接。
4.根据权利要求3所述的IGBT串联条件下的同步性能监测电路，其特征在于，控制系统通过隔离驱动电路与待控制的IGBT相连接。
5.根据权利要求1所述的IGBT串联条件下的同步性能监测电路，其特征在于，利用PCB型磁场传感器（3）以非接触的方式监测缓冲电路的充电和放电电流磁场。
6.根据权利要求1所述的IGBT串联条件下的同步性能监测电路，其特征在于，信号处理电路（7）通过PCB型磁场传感器（3）监测缓冲电路的充电和放电电流磁场，并将PCB型磁场传感器（3）输出的信号转换为方波信号。
7.根据权利要求2所述的IGBT串联条件下的同步性能监测电路，其特征在于，信号处理电路（7）经光电转换单元（8）及光纤与控制系统相连接。
8.根据权利要求1所述的IGBT串联条件下的同步性能监测电路，其特征在于，控制系统根据信号处理器输出的方波信号调整IGBT的导通延时及关断延时，保证串联条件下各级IGBT导通及关断特性的一致性。
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