RU2754962C1 - Программно-аппаратные методы прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты - Google Patents

Программно-аппаратные методы прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты Download PDF

Info

Publication number
RU2754962C1
RU2754962C1 RU2020141386A RU2020141386A RU2754962C1 RU 2754962 C1 RU2754962 C1 RU 2754962C1 RU 2020141386 A RU2020141386 A RU 2020141386A RU 2020141386 A RU2020141386 A RU 2020141386A RU 2754962 C1 RU2754962 C1 RU 2754962C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
current
collector
gate
transistor
Prior art date
Application number
RU2020141386A
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Олегович Анисимов
Владимир Владимирович Квитков
Сергей Иванович Кокташев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью «ТРАНСМАШ»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью «ТРАНСМАШ» filed Critical Общество с ограниченной ответственностью «ТРАНСМАШ»
Priority to RU2020141386A priority Critical patent/RU2754962C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2754962C1 publication Critical patent/RU2754962C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

Изобретение относится к силовым модулям на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором. Технический результат заключается в расширении арсенала средств прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты, при этом схема драйвера реализована в контроллере, который создает опорное vrefнапряжение для операционного усилителя, создающего управляющее напряжение на затворе транзистора G. Транзисторный буфер создает необходимый ток iGперезарядки емкости затвора G. Дополнительная цепь измеряет напряжение VEe, пропорциональное току iC, выделяющееся на индуктивности LEи сопротивлении REэмиттерного вывода транзистора. Это напряжение VEeучаствует в измерении тока коллектора и в формировании сигнала прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты. Также VEeподают на операционный усилитель (ОУ), замыкая обратную связь по току. Это контур прогнозирования критических состояний режима: больше ток iC– меньше управляющий сигнал на затворе. Второй контур – по напряжению. Напряжение коллектора Uc через дифференциальную цепь Cvподают на ОУ, замыкая обратную связь по изменению напряжения Uc. Быстрый рост напряжения (обычно при выключении) вызывает повышение напряжения на затворе, затягивая фронт роста напряжения коллектора Uc. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к технике мониторинга рабочего состояния IGBT-устройства, технике формирования обратной связи для управления затвором IGBT, механизма защит при наступлении критических состояний и формирования сигнал ошибки. Мониторинг состояния IGBT и управления оп обратным связям основан на измерении тока коллектора iC, напряжении коллектор-эмиттер открытого перехода vCE,on, и динамики его открытия и закрытия, определении температуры открытого полупроводникового перехода Tj, во время работы силового IGBT-устройства в реальном времени и корректировании опорного напряжения аналоговой части управления затвором IGBT-устройства.
При проведения измерений используются особенности конструкций формования силовых выводов IGBT-устройств, и их корпусирования.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изучение опыта существующих решений в области преобразовательной техники на базе IGBT устройств, спроектированных успешными производителями, техники управления для различных поколений кремниевых транзисторов IGBT, от таких компаний как Infineon, Semikron, Alstom, ABB, и других крупнейших производителей компонентной базы и оконечного оборудования, в том числе российских производителей «Ангстрем», «Электровыпрямитель», в том числе драйверов для модулей IGBT позволило сформулировать ряд отличающихся алгоритмов управления модулями.
В ходе проведения экспериментов по разработке алгоритмов управления формированием сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) были исследованы отличия характеристик идентичных модулей разных производителей. Эксперименты проводились на IGBT модулях европейских, американских и азиатских производителей.
По итогам экспериментов сформулировано, что для реализации алгоритмов управления наборами IGBT модулей целесообразно применять, в том числе, методы прогнозирования критических состояний транзистора в преобразователе частоты в соответствии с поведением моделей драйвера и состоянии этих IGBT модулей при реализации аппаратной части ПЧ.
В большой степени програмно-аппаратная реализация использует теоретические выкладки известных работ, предлагающих оптимизированные модели драйвера IGBT, в том числе модели обратной связи состояний, Y. Lobsiger and J. W. Kolar, "Closed-loop di/dt & dv/dt control and dead time minimization of IGBTs in bridge leg configuration", to be published in Proc. of the 14th IEEE Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), Salt Lake City, UT, USA, Jun. 2013., Z. Wang, X. Shi, L. M. Tolbert, and B. J. Blalock, “Switching performance improvement of IGBT modules using an active gate driver,” in IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2013, 8 pages, Z. Wang, X. Shi, L. M. Tolbert, B. J. Blalock, M. Chinthavali "A Fast Overcurrent Protection Scheme for IGBT Modules Through Dynamic Fault Current Evaluation", Department of Electrical Engineering and Computer Science The University of Tennessee Knoxville, TN 37996-2250, USA.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала средств мониторинга IGBT-устройств и прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразовательной технике.
Было принято решение о реализации проекта по созданию собственного драйвера IGBT модуля на основе контроллера, выполненного на архитектуре ARM Cortex-M4.
В одном из вариантов реализации драйвер построен на ARM Cortex-M4 STM32F405 производства ST и операционных усилителях производства Analog Devices.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации структурная схема драйвера формирования сигнала прогнозирования критических состояний биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) модулей в преобразователе частоты реализована в контроллере, который создает опорное vref напряжение для операционного усилителя, создающего управляющее напряжение на затворе транзистора G. Транзисторный буфер создает необходимый ток ig перезарядки емкости затвора G. Дополнительная цепь измеряет напряжение vEe, пропорциональное току iC, выделяющее на индуктивности LE и сопротивлении RE эмиттерного вывода транзистора. Это напряжение vEe участвует в измерение тока коллектора и в формировании сигнала прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты. Также vEe подают на операционный усилитель (ОУ), замыкая обратную связь по току, как преобразованный сигнал vEe,clip. Это контур прогнозирования критических состояний режима: больше ток iC – меньше управляющий сигнал на затворе. Второй контур – по напряжению. Напряжение коллектора UC через дифференциальную цепь CV подают на ОУ, замыкая обратную связь по изменению напряжения UC. Быстрый рост напряжения (обычно при выключении) вызывает повышение напряжения на затворе, затягивая фронт роста напряжения коллектора UC. Также vEe подают на операционный усилитель (ОУ), замыкая обратную связь по току как vEe,clip при следующих условиях: при наличии управляющего сигнала включения IGBT vEe,clip равно vEe , во всех остальных случаях нуль.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 отображает схему драйвера.
Фиг.2 изображает схему формирования сигналов ошибок.
Фиг.3 зависимости напряжения насыщения коллектора от тока при различных температурах кристалла.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 изображена система драйвера формирования сигнала прогнозирования критических состояний биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) модулей в преобразователе частоты, при этом схема драйвера реализована в контроллере, который создает опорное Vref 101 напряжение для операционного усилителя, создающего управляющее напряжение на затворе транзистора G 102. Транзисторный буфер создает необходимый ток iG 103 перезарядки емкости затвора G 102. Дополнительная цепь измеряет напряжение vEe 104, пропорциональное току iC 105, выделяющее на индуктивности LE 106 и сопротивлении RE эмиттерного вывода транзистора. Это напряжение VEe 104 участвует в измерение тока коллектора и в формировании сигнала прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты. Также vEe 104 подают на операционный усилитель (ОУ) 107, замыкая обратную связь по току через преобразованный сигнал vEe,clip. Это контур прогнозирования критических состояний режима: больше ток iC 105 – меньше управляющий сигнал на затворе. Второй контур – по напряжению. Напряжение коллектора Uc через дифференциальную цепь Cv 108 подают на ОУ 107, замыкая обратную связь по изменению напряжения Uc. Быстрый рост напряжения (обычно при выключении) вызывает повышение напряжения на затворе, затягивая фронт роста напряжения коллектора UC.
В соответствии с Фиг.2 контроллер принимает сигналы тока эмиттера ic и напряжения насыщения коллектора Vce,on для оцифровки и расчета температуры кристалла. Также компараторы напряжения формируют сигналы ошибок при превышении тока >iC,max, напряжения >Vce,max.
Кусочно-линейная аппроксимация модели транзистора описывает напряжение насыщения: Usat=Vo+(Ro+Температура/K)*Ic.
В соответствии с Фиг.3 температуру кристалла определяют по следующий зависимости: Температура=( (Usat-Vo)/Ic-Ro)*K+To, где Usat - измеренное напряжение насыщения 0,8 - 8 В, To - 25С, Vo - начальное напряжение насыщения 0,8 -1,2 В Ic - измеренный ток эмиттера, коллектора 0-800 А, Ro - сопротивление коллектора-эмиттера для конкретного IGBT модуля, K - коэффициент для конкретного IGBT модуля.
Раскрытая выше структурная схема драйвера позволяет реализовать следующие преимущества:
1 Изолировать источники питания.
1 Выполнять включение и выключение транзистора по состоянию управляющего сигнала.
2 Создать безопасный режим работы транзистора: ограничение тока, ограничение роста напряжения коллектора, ограничение напряжения коллектора.
3 Формировать сигнал статуса, состояния драйвера.
4 Измерять параметры транзистора и вычислять температуру кристалла транзистора.
5 Принимать и передавать данные параметров транзистора и коды ошибок драйвера.
Дополнительные преимущества реализованного драйвера заключаются в обеспечении защитных функции, таких как:
1 Низкое напряжение питания - при падении напряжения +18В ниже 15В.
1 Высокое напряжение насыщения транзистора, возможно при большом токе коллектора.
2 Большой ток эмиттера.
3 Высокая температура кристалла транзистора.
Исходя из приведенных выше аппаратных измерений и их программной обработки выполнение драйвера на контроллере дополнительно позволяет прогнозировать состояния инвертора в целом.
В одном из вариантов реализации контроллер осуществляет расчет температуры кристалла по техническим характеристикам зависимости температуры кристалла IGBT модуля от режима его работы, которые известны из документации. Расчет возможен только во время включения транзистора и времени ШИМ не менее 20 мксек. Основываясь на полученных данных, микроконтроллер драйвера IGBT рассчитывает ожидаемую модель поведения как IGBT модуля, так и отдельного транзистора в модуле. При расхождении реальной модели от математической контроллер принимает меры по стабилизации рабочего состояния совокупности IGBT модулей (инвертора).

Claims (14)

1. Система драйвера формирования сигнала прогнозирования критических состояний биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) модулей в преобразователе частоты, отличающаяся тем, что драйвер выполнен в контроллере, который создает опорное vref напряжение для операционного усилителя, создающего управляющее напряжение на затворе транзистора G, при этом: транзисторный буфер создает необходимый ток iG перезарядки емкости затвора G; дополнительная цепь измеряет напряжение vEe, пропорциональное току iC, выделяющееся на индуктивности LE и сопротивлении RE эмиттерного вывода транзистора; напряжение vEe участвует в измерении тока коллектора и в формировании сигнала прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты; vEe подают на операционный усилитель (ОУ), замыкая обратную связь по току; при этом контур прогнозирования критических состояний токового режима при следующих условиях: при повышении тока iC уменьшает управляющий сигнал на затворе; контур режима по напряжению включает подачу напряжения коллектора Uc через дифференциальную цепь Cv на ОУ, замыкая обратную связь по изменению напряжения Uc; контур по росту напряжения вызывает повышение напряжения на затворе, затягивая фронт роста напряжения коллектора Uc.
2. Система по п.1, в которой кусочно-линейная аппроксимация модели транзистора описывает напряжение насыщения как: Usat=Vo+(Ro+Температура/K)*Ic, где
Usat - измеренное напряжение насыщения 0,8-8 В;
Vo - начальное напряжение насыщения 0,8-1,2 В;
Ic - измеренный ток эмиттера, коллектора 0-800 А;
Ro - сопротивление коллектора-эмиттера для конкретного IGBT модуля;
K - коэффициент для конкретного IGBT модуля.
3. Система по п.1, в которой температуру кристалла рассчитывают в соответствии с зависимостью: Температура=((Usat-Vo)/Ic-Ro)*K+To, где
Usat - измеренное напряжение насыщения 0,8-8 В;
To - 25°С;
Vo - начальное напряжение насыщения 0,8-1,2 В;
Ic - измеренный ток эмиттера, коллектора 0-800 А;
Ro - сопротивление коллектора эмиттера для конкретного IGBT модуля.
K - коэффициент для конкретного IGBT модуля.
RU2020141386A 2020-12-15 2020-12-15 Программно-аппаратные методы прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты RU2754962C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020141386A RU2754962C1 (ru) 2020-12-15 2020-12-15 Программно-аппаратные методы прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020141386A RU2754962C1 (ru) 2020-12-15 2020-12-15 Программно-аппаратные методы прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2754962C1 true RU2754962C1 (ru) 2021-09-08

Family

ID=77670240

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020141386A RU2754962C1 (ru) 2020-12-15 2020-12-15 Программно-аппаратные методы прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2754962C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6850426B2 (en) * 2002-04-30 2005-02-01 Honeywell International Inc. Synchronous and bi-directional variable frequency power conversion systems
RU2314621C1 (ru) * 2006-08-07 2008-01-10 Закрытое акционерное общество "ИРИС" Двухкаскадный преобразователь напряжения с интеллектуальной защитой от режимов перегрузки и токов коротких замыканий
CN201956699U (zh) * 2011-01-10 2011-08-31 黑龙江瑞好科技集团有限公司 双馈风力发电机的变流装置控制系统
CN104251965B (zh) * 2014-09-24 2017-07-04 河北工业大学 一种igbt动态性能测试装置及其运行方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6850426B2 (en) * 2002-04-30 2005-02-01 Honeywell International Inc. Synchronous and bi-directional variable frequency power conversion systems
RU2314621C1 (ru) * 2006-08-07 2008-01-10 Закрытое акционерное общество "ИРИС" Двухкаскадный преобразователь напряжения с интеллектуальной защитой от режимов перегрузки и токов коротких замыканий
CN201956699U (zh) * 2011-01-10 2011-08-31 黑龙江瑞好科技集团有限公司 双馈风力发电机的变流装置控制系统
CN104251965B (zh) * 2014-09-24 2017-07-04 河北工业大学 一种igbt动态性能测试装置及其运行方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jiang et al. Temperature-dependent characteristics of SiC devices: Performance evaluation and loss calculation
US7940034B2 (en) Apparatus for detecting a state of operation of a power semiconductor device
Alvarez et al. A new delay time compensation principle for parallel connected IGBTs
Zhang et al. Online junction temperature monitoring using turn-off delay time for silicon carbide power devices
Paredes et al. A novel active gate driver for silicon carbide MOSFET
CN111435817A (zh) 使用计算出的平均电流的功率转换器控制
Brandelero et al. Online junction temperature measurements for power cycling power modules with high switching frequencies
Zhang et al. Dead-time optimization of SiC devices for voltage source converter
US20210249948A1 (en) Controller for determining dead times for power electronics half-bridges
WO2016154910A1 (zh) 一种igbt参数辨识方法、死区补偿方法及逆变装置
Tiwari et al. Design considerations and laboratory testing of power circuits for parallel operation of silicon carbide MOSFETs
RU2754962C1 (ru) Программно-аппаратные методы прогнозирования критических состояний транзисторов в преобразователе частоты
Müting et al. Exploring the behavior of parallel connected SiC power MOSFETs influenced by performance spread in circuit simulations
Musumeci et al. Saturable Inductor Modelling in GaN FETs Based Synchronous Buck Converter
Jones et al. Active gate drive to increase the power capacity of hard-switched IGBTs
Skarolek et al. Tracking deadtime Algorithm for GaN DC/DC converter
Bulut et al. Simplified method to analyze drive strengths for GaN power devices
Ewanchuk et al. A gate driver based approach to improving the current density in a power module by equalizing the individual die temperatures
Lefdal Hove et al. Improved SiC MOSFET SPICE model to avoid convergence errors
Weimer et al. Thermal Impedance Calibration for Rapid and Non-Invasive Calorimetric Soft-Switching Loss Characterization
JP2008301617A (ja) 電力変換器の保護装置
RU2752780C1 (ru) Программно-аппаратные решения по управлению IGBT модулями на основе драйвера на микроконтроллере
US9184744B2 (en) Gate signal generation with adaptive signal profiles
Tan et al. Evaluation of active current source gate driver for IGBT module switching transitions
CN113219225A (zh) 一种双脉冲输出方法、装置、电子设备和系统