CN114552950A - 大功率igbt驱动自适应闭环控制方法及系统 - Google Patents

大功率igbt驱动自适应闭环控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法及系统，该控制方法包括：采集并处理IGBT功率模块输出的电压和电流，以生成第一反馈信号；采集并处理IGBT功率模块的CE极电压，以生成第二反馈信号；对包括第一反馈信号和第二反馈信号的所有反馈信号进行综合处理，以有选择地向IGBT驱动模块发出相应地第一调制驱动信号或第二调制驱动信号，第一调制驱动信号包括处于当前状态的PWM波或上升、下降沿时间经过调整的PWM波，第二调制驱动信号包括PFM波；根据上述控制方法，可有效提高了IGBT功率模块的安全性和使用生命周期，且可使得IGBT功率模块可适应更多应用场景，并进一步提升其利用率，降低设备制造成本，而且硬件结构更加简洁，而且对不同场景的适应性更强。

Description

大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法及系统
技术领域
本发明涉及大功率IGBT驱动控制技术领域，尤其涉及一种大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法及系统。
背景技术
逆变器，是电能转换的关键器件，尤其是在清洁能源制备中，需要采用大功率逆变器将其他形式的能如风能、太阳能等转换成电能。逆变器中的关键器件IGBT功率模块的应用是考验设备性能稳定性重要因素。
IGBT功率模块的工作需要受到IGBT驱动模块的控制，以提高IGBT功率模块的工作稳定性和效率。然而，现有的IGBT驱动波形控制策略普遍有下述几个不足之处：
1、现有逆变器多数仅采用电压、电流等PI环路控制调节IGBT器件驱动波形，环路参考因数单一，无法进一步释放IGBT器件使用空间；
2、目前逆变器中的IGBT的驱动波形多采样脉宽调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)，调节方式固定，限制IGBT器件使用效率；
3、目前IGBT的驱动波形多采用分级开关的方式去调节其驱动波形的上升和下降沿，驱动电路复杂或可适应性差。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题而提供一种可根据反应IGBT功率模块工作状态的多种因素参数而制定不同调制驱动策略以实现混合调制且降低硬件复杂度的大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法及系统。
为了实现上述目的，本发明公开了一种大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法，以用于对驱动IGBT功率模块工作的IGBT驱动模块进行闭环控制，所述控制方法包括：
采集并处理所述IGBT功率模块输出的电压和电流，以生成第一反馈信号；
采集并处理所述IGBT功率模块的CE极电压，以生成第二反馈信号；
对包括所述第一反馈信号和所述第二反馈信号的所有反馈信号进行综合处理，以有选择地向所述IGBT驱动模块发出相应地第一调制驱动信号或第二调制驱动信号，所述第一调制驱动信号包括处于当前状态的PWM波或上升、下降沿时间经过调整的PWM波，所述第二调制驱动信号包括PFM波。
较佳地，在所述IGBT功率模块工作过程中，还实时采集并处理所述IGBT功率模块的GE极电压，以生成第三反馈信号。
较佳地，在所述IGBT功率模块工作过程中，还实时采集并处理所述IGBT功率模块内的温度，以生成第四反馈信号。
较佳地，当所述IGBT功率模块处于非正常状态时，向所述IGBT驱动模块发出相应地第一调制驱动信号，并判断该第一调整驱动信号的持续时长是否超过预设值，如果是，则停止发送所述第一调制驱动信号，发出所述第二调制驱动信号。
较佳地，提供一数据处理控制器和与所述数据处理控制器电性连接的可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器与所述IGBT驱动模块电性连接，通过所述数据处理控制器对包括所述第一反馈信号和所述第二反馈信号的各个反馈信号进行处理，并生成所述所述PWM波、PFM波和控制信号给所述可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器根据所述控制信号对所述PWM波的上升、下降沿时间进行处理。
较佳地，所述IGBT驱动模块包括依次电性连接的驱动电路、变压隔离电路和滤波电路，所述驱动电路的输入端与所述可编程逻辑控制器电性连接，所述滤波电路的输出端与所述IGBT功率模块的控制端电性连接。
本发明还公开一种大功率IGBT驱动自适应闭环控制系统，其包括数据处理控制器、可编程逻辑控制器、第一反馈网络、第二反馈网络及IGBT驱动模块；
所述数据处理控制器通过所述可编程逻辑控制器与所述IGBT驱动模块电性连接，所述IGBT驱动模块与IGBT功率模块电性连接；
所述第一反馈网络，用于采集并处理所述IGBT功率模块输出的电压和电流，以生成提供给所述数据处理控制器的第一反馈信号；
所述第二反馈网络，用于采集并处理所述IGBT功率模块的CE极电压，以生成提供给所述数据处理控制器的第二反馈信号；
所述数据处理控制器，用于根据所收到的各个反馈信号的综合反馈向所述可编程逻辑控制器输出驱动调制波和控制信号，所述驱动调制波可在PWM波和PFM波之间变换；
所述可编程逻辑控制器，用于根据所述控制信号改变所述PWM波的上升、下降沿时间。
较佳地，还包括第三反馈网络，所述第三反馈网络用于采集并处理所述IGBT功率模块的GE极电压，以生成提供给所述数据处理控制器的第三反馈信号。
较佳地，还包括第四反馈网络，所述第四反馈网络用于采集并处理所述IGBT功率模块内的温度，以生成提供给所述数据处理控制器的第四反馈信号。
较佳地，当所述IGBT功率模块处于非正常状态时，所述数据处理控制器输出PWM波，且发出使得所述可编程逻辑控制器对所述PWM波的上升、下降沿时间进行处理的控制信号，以对所述IGBT功率模块的工作状态进行调整，如果对所述IGBT功率模块的调整时间大于预设值，则所述数据处理控制器输出PFM波，停止发出所述控制信号。
较佳地，所述IGBT驱动模块包括依次电性连接的驱动电路、变压隔离电路和滤波电路，所述驱动电路的输入端与所述可编程逻辑控制器电性连接，所述滤波电路的输出端与所述IGBT功率模块的控制端电性连接。
与现有技术相比，本发明大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法及系统具有如下有益技术效果：
1、对于IGBT功率模块的闭环控制，综合考虑多种反馈信号对IGBT功率模块的影响来制定控制策略，从而有效提高了IGBT功率模块的安全性和使用生命周期；
2、驱动信号可根据当前状况在PWM波和PFM波之间变换，从而实现对IGBT功率模块的混合调制，使得IGBT功率模块可适应更多应用场景，并进一步提升其利用率，降低设备制造成本；
3、采用软件对PWM波的上升、下降沿时间进行处理，与现有技术中通过选用不同驱动电阻或增加不同等级电源的分级关断来调整PWM波的上升、下降沿时间的方式相比，硬件结构更加简洁，而且对不同场景的适应性更强。
附图说明
图1为本发明实施例中大功率IGBT驱动自适应闭环控制信号流动示意图。
图2为本发明实施例中大功率IGBT驱动自适应闭环控制系统的结构框图。
图3为本发明实施例中大功率IGBT驱动自适应闭环控制系统的工作流程示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
如图1和图2，本实施例公开了一种大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法，以用于对驱动IGBT功率模块10工作的IGBT驱动模块11进行闭环控制，从而根据当前状态对IGBT功率模块10的工作状态进行自适应调整，提高IGBT功率模块10的使用安全性和多场景适应性，该控制方法包括如下步骤：
采集并处理IGBT功率模块10输出的电压和电流，以生成第一反馈信号F1；
采集并处理IGBT功率模块10的CE极电压，以生成第二反馈信号F2；
对包括第一反馈信号F1和第二反馈信号F2的所有反馈信号进行综合处理，以有选择地向IGBT驱动模块11发出相应地第一调制驱动信号或第二调制驱动信号，第一调制驱动信号包括处于当前状态的PWM波或上升、下降沿时间经过调整的PWM波，第二调制驱动信号包括PFM波。
具体地，以输出三相交流电的IGBT功率模块10为例，在工作过程中，实时采集IGBT功率模块10输出的三相电压和三相电流，并经过派克变换(简称DQ变换)后得到输出采样电压Vout_s和输出采样电流Iout_s，然后将该输出采样电压Vout_s送入PI控制器，对该输出采样电压Vout_s与给定的参考输出电压Vref_out比较，并将比较结果经过PI环路后输出参考输出电流Iref；然后将输出采样电流Iout_s再送入PI控制器，对该输出采样电流Iout_s与参考输出电流Iref进行比较并将比较结果通过PI环路，生成第一反馈信号F1，通过该第一反馈信号F1形成IGBT功率模块10的驱动波形(PWM波)，从而实现电压外环控制和电流内环控制的闭环控制策略。
在IGBT功率模块10工作过程中，同时采集IGBT功率模块10的CE极电压作为CE采样电压Vce_s，并把该CE采样电压Vce_s送入PI控制器，与给定的参考CE电压Vref_ce进行比较并将该比较结果通过PI环路，以得到第二反馈信号F2。根据该第二反馈信号F2，可选择输出PWM波或PFM波，当输出PWM波时，可通过软件对PWM波的上升、下降沿时间调整。
进一步地，在IGBT功率模块10工作过程中，还可实时采集并处理IGBT功率模块10的GE极电压，以生成第三反馈信号F3。在本实施例中，将采集到GE极电压作为GE采样电压Vge_s送入PI控制器，与给定的参考GE电压Vref_ge进行比较并将该比较结果通过PI环路，以得到第三反馈信号F3。根据该第三反馈信号F3，可选择输出PWM波或PFM波，当输出PWM波时，可通过软件对PWM波的上升、下降沿时间调整。
进一步地，在IGBT功率模块10工作过程中，还可实时采集并处理IGBT功率模块10内的温度，以生成第四反馈信号F4。在本实施例中，将采集到IGBT功率模块10内的温度值作为采样温度Tntc_s送入PI控制器，与给定的参考温度Vref_t比较并将该比较结果通过PI环路，以得到第四反馈信号F4。根据该第四反馈信号F4，可选择输出PWM波或PFM波，当输出PWM波时，可通过软件对PWM波的上升、下降沿时间调整。
如图2，为方便上述控制方法的实施，本发明另一较佳实施例中还公开一种大功率IGBT驱动自适应闭环控制系统，其包括数据处理控制器20、可编程逻辑控制器21、第一反馈网络W1、第二反馈网络W2、第三反馈网络W3、第四反馈网络W4及IGBT驱动模块11。
数据处理控制器20通过可编程逻辑控制器21与IGBT驱动模块11电性连接，IGBT驱动模块11与IGBT功率模块10电性连接。
第一反馈网络W1，用于采集并处理IGBT功率模块10输出的电压和电流，以生成提供给数据处理控制器20的第一反馈信号F1。
第二反馈网络W2，用于采集并处理IGBT功率模块10的CE极电压，以生成提供给数据处理控制器20的第二反馈信号F2。
第三反馈网络W3，用于采集并处理IGBT功率模块10的GE极电压，以生成提供给数据处理控制器20的第三反馈信号F3。
第四反馈网络W4，用于采集并处理IGBT功率模块10内的温度，以生成提供给数据处理控制器20的第四反馈信号F4。
数据处理控制器20，用于根据所收到的各个反馈信号的综合反馈向可编程逻辑控制器21输出驱动调制波和控制信号，驱动调制波可在PWM波和PFM波之间变换。
可编程逻辑控制器21，用于根据控制信号改变PWM波的上升、下降沿时间。本实施例中的可编程逻辑控制器21优选为CPLD，当然，也可选用FPGA。
具体地，第一反馈网络W1设置在IGBT功率模块10的输出端和数据处理控制器20之间，该第一反馈网络W1包括输出电压采集模块31、输出电流采集模块30，以及与输出电压采集模块31和输出电流采集模块30电性连接的第一PI控制器32，输出电压采集模块31用于采集IGBT功率模块10的输出电压，输出电流采集模块30用于采集IGBT功率模块10的输出电流，第一PI控制器32用于根据输出电压和输出电流进行PI运算，以生成第一反馈信号F1。
第二反馈网络W2包括CE电压采集模块40和第二PI控制器41，该CE电压采集模块40用于采集IGBT功率模块10的CE极电压，第二PI控制器41用于根据参考CE电压对CE极电压进行处理，以得到第二反馈信号F2。
第三反馈网络W3包括GE电压采集模块50和第三PI控制器51，该GE电压采集模块50用于采集IGBT功率模块10的GE极电压，第三PI控制器51用于根据参考GE电压对GE极电压进行处理，以得到第三反馈信号F3。
第四反馈网络W4包括温度采集模块60和第四PI控制器61，该温度采集模块60用于采集IGBT功率模块10内的温度，第四PI控制器61用于根据参考温度对采样温度进行处理，以得到第四反馈信号F4。
另外需要说明的是，在第二反馈网络W2中，在得到第二反馈信号F2后，还可分别与第三反馈信号F3和第四反馈信号F4比较后再输出给数据处理控制器20。同理，在第三反馈网络W3中，在得到第三反馈信号F3后，还可分别与第二反馈信号F2和第四反馈信号F4比较后再输出给数据处理控制器20，在第四反馈网络W4中，在得到第四反馈信号F4后，还可分别与第二反馈信号F2和第三反馈信号F3比较后再输出给数据处理控制器20。
结合上述控制方法，以及图1至图3，本实施例中的控制系统的工作流程包括：
S1：读取IGBT功率模块10的预设参数，包括参考输出电压、参考输出电流、参考CE电压、参考GE电压以及参考温度以及相关参数的警戒值等参数；
S2：设备启动后，通过第一反馈网络W1建立电压外环控制、电流内环控制的闭环控制流程，并在数据处理控制器20中形成驱动调制波，并发送给可编程逻辑控制器21，可编程逻辑控制器21再将该驱动调制波通过IGBT驱动模块11加载到IGBT功率模块10；
S3：在IGBT功率模块10工作过程中，实时检测IGBT功率模块10是否处于正常状态，也即检测CE极电压、GE极电压以及内部温度，并判断检测值是否位于预设范围内，如果是，则执行S4，如果否，则执行S5；
S4：关闭对驱动调制波(此时为PWM波)进行调整的功能；
S5：开启计时器，并判断计时器是否溢出，如果否，则进入S6，如果是，则进入S7；
S6：开启对驱动调制波进行调整的功能，数据处理控制器20输出PWM波和控制信号到可编程逻辑控制器21，可编程逻辑控制器21根据该控制信号对PWM波的上升、下降沿时间进行调整后输出，以对IGBT功率模块10的工作状态进行调整；
S7：改变对驱动调整波的调整策略，即，数据处理控制器20调整为输出PFM波给可编程逻辑控制器21，通过PFM波对IGBT功率模块10的工作状态进行调整，并关闭计时器，直到IGBT功率模块10处于正常工作状态。
更进一步地，IGBT驱动模块11包括依次电性连接的驱动电路、变压隔离电路和滤波电路，驱动电路的输入端与可编程逻辑控制器21电性连接，滤波电路的输出端与IGBT功率模块10的控制端电性连接。
综上，通过上述实施例公开的控制系统和控制方法，首先，在设置用于建立电压外环控制和电流内环控制的第一反馈网络W1的基础上，还设置有用于根据IGBT功率模块10的CE极电压进行反馈的第二反馈网络W2、用于根据IGBT功率模块10的GE极电压进行反馈的第三反馈网络W3以及用于根据IGBT功率模块10的温度进行反馈的第四反馈网络W4，从而使得数据处理控制器20综合根据多个反馈网络反馈的反馈信号制定控制策略，有效提高了IGBT功率模块10的安全性和使用生命周期。
其次，驱动IGBT驱动模块11工作的调整驱动波可根据当前状况可在PWM波和PFM波之间变换，从而实现对IGBT功率模块10的混合调制，使得IGBT功率模块10可适应更多应用场景，并进一步提升其利用率，降低设备制造成本。
再者，采用可编程逻辑控制器21对PWM波的上升、下降沿时间进行处理，与现有技术中通过选用不同驱动电阻或增加不同等级电源的分级关断来调整PWM波的上升、下降沿时间的方式相比，硬件结构更加简洁，而且对不同场景的适应性更强。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法，以用于对驱动IGBT功率模块工作的IGBT驱动模块进行闭环控制，其特征在于，所述控制方法包括：
采集并处理所述IGBT功率模块输出的电压和电流，以生成第一反馈信号；
采集并处理所述IGBT功率模块的CE极电压，以生成第二反馈信号；
对包括所述第一反馈信号和所述第二反馈信号的所有反馈信号进行综合处理，以有选择地向所述IGBT驱动模块发出相应地第一调制驱动信号或第二调制驱动信号，所述第一调制驱动信号包括处于当前状态的PWM波或上升、下降沿时间经过调整的PWM波，所述第二调制驱动信号包括PFM波。
2.根据权利要求1所述的大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法，其特征在于，在所述IGBT功率模块工作过程中，还实时采集并处理所述IGBT功率模块的GE极电压，以生成第三反馈信号。
3.根据权利要求2所述的大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法，其特征在于，在所述IGBT功率模块工作过程中，还实时采集并处理所述IGBT功率模块内的温度，以生成第四反馈信号。
4.根据权利要求3所述的大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法，其特征在于，当所述IGBT功率模块处于非正常状态时，向所述IGBT驱动模块发出相应地第一调制驱动信号，并判断该第一调整驱动信号的持续时长是否超过预设值，如果是，则停止发送所述第一调制驱动信号，发出所述第二调制驱动信号。
5.根据权利要求1所述的大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法，其特征在于，提供一数据处理控制器和与所述数据处理控制器电性连接的可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器与所述IGBT驱动模块电性连接，通过所述数据处理控制器对包括所述第一反馈信号和所述第二反馈信号的各个反馈信号进行处理，并生成所述所述PWM波、PFM波和控制信号给所述可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器根据所述控制信号对所述PWM波的上升、下降沿时间进行处理。
6.根据权利要求5所述的大功率IGBT驱动自适应闭环控制方法，其特征在于，所述IGBT驱动模块包括依次电性连接的驱动电路、变压隔离电路和滤波电路，所述驱动电路的输入端与所述可编程逻辑控制器电性连接，所述滤波电路的输出端与所述IGBT功率模块的控制端电性连接。
7.一种大功率IGBT驱动自适应闭环控制系统，其特征在于，包括数据处理控制器、可编程逻辑控制器、第一反馈网络、第二反馈网络及IGBT驱动模块；
所述数据处理控制器通过所述可编程逻辑控制器与所述IGBT驱动模块电性连接，所述IGBT驱动模块与IGBT功率模块电性连接；
所述第一反馈网络，用于采集并处理所述IGBT功率模块输出的电压和电流，以生成提供给所述数据处理控制器的第一反馈信号；
所述第二反馈网络，用于采集并处理所述IGBT功率模块的CE极电压，以生成提供给所述数据处理控制器的第二反馈信号；
所述数据处理控制器，用于根据所收到的各个反馈信号的综合反馈向所述可编程逻辑控制器输出驱动调制波和控制信号，所述驱动调制波可在PWM波和PFM波之间变换；
所述可编程逻辑控制器，用于根据所述控制信号改变所述PWM波的上升、下降沿时间。
8.根据权利要求7所述的大功率IGBT驱动自适应闭环控制系统，其特征在于，还包括第三反馈网络，所述第三反馈网络用于采集并处理所述IGBT功率模块的GE极电压，以生成提供给所述数据处理控制器的第三反馈信号。
9.根据权利要求8所述的大功率IGBT驱动自适应闭环控制系统，其特征在于，还包括第四反馈网络，所述第四反馈网络用于采集并处理所述IGBT功率模块内的温度，以生成提供给所述数据处理控制器的第四反馈信号。
10.根据权利要求9所述的大功率IGBT驱动自适应闭环控制系统，其特征在于，当所述IGBT功率模块处于非正常状态时，所述数据处理控制器输出PWM波，且发出使得所述可编程逻辑控制器对所述PWM波的上升、下降沿时间进行处理的控制信号，以对所述IGBT功率模块的工作状态进行调整，如果对所述IGBT功率模块的调整时间大于预设值，则所述数据处理控制器输出PFM波，停止发出所述控制信号。
11.根据权利要求6所述的所述的大功率IGBT驱动自适应闭环控制系统，其特征在于，所述IGBT驱动模块包括依次电性连接的驱动电路、变压隔离电路和滤波电路，所述驱动电路的输入端与所述可编程逻辑控制器电性连接，所述滤波电路的输出端与所述IGBT功率模块的控制端电性连接。
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