一種基于查表法的數(shù)字化IGBT串聯(lián)均壓電路制造技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)提供一種基于查表法的數(shù)字化IGBT串聯(lián)均壓電路，所述電路包括電壓采樣電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA電路、DA轉(zhuǎn)換電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)具有均壓速度快、精度高、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可綜合解決串聯(lián)均壓和過(guò)流、短路保護(hù)等技術(shù)難題，適用于基于IGBT串聯(lián)的柔性直流輸電、電力電子變壓器、高壓變頻器、有源濾波器、靜止無(wú)功發(fā)生器等高壓場(chǎng)合的IGBT控制與保護(hù)電路。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)屬于電力電子
，具體涉及一種基于查表法的數(shù)字化IGBT串聯(lián)均壓電路。
技術(shù)介紹
絕緣柵雙極型晶體管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)因其具有較高的額定電壓和額定電流、開(kāi)關(guān)速度快、易于驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為大功率電能變換應(yīng)用中的最佳選擇，得到了廣泛的應(yīng)用。目前IGBT單管的耐壓值還非常有限，遠(yuǎn)不能滿足高電壓場(chǎng)合的應(yīng)用。盡管?chē)?guó)內(nèi)外有許多廠家正在研制大容量IGBT器件，但目前尚無(wú)可以直接應(yīng)用于IOkv及以上的場(chǎng)合的商用化產(chǎn)品；因而對(duì)IGBT進(jìn)行串聯(lián)使用，尤其是模塊型IGBT的串聯(lián)使用，提高其耐壓值，使之適用于柔性直流輸電、靜止無(wú)功發(fā)生器、高壓變頻器等高壓場(chǎng)合，具有十分重要的意義。實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)需解決的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何確保各串聯(lián)器件的動(dòng)、靜態(tài)電壓均衡，尤其是動(dòng)態(tài)電壓均衡，以防止器件因過(guò)電壓而損壞。引起串聯(lián)器件動(dòng)、靜態(tài)電壓不均衡的主要原因有I,IGBT關(guān)斷阻抗的不一致(靜態(tài)均壓)一IGBT關(guān)斷后，串聯(lián)器件中流過(guò)的漏電流是相同的，因此不同的關(guān)斷阻抗會(huì)造成IGBT的靜態(tài)電壓不均衡，此外器件的結(jié)溫差異同樣會(huì)影響靜態(tài)均壓。2、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不一致和驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的差異一驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不一致和驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的差異，將導(dǎo)致IGBT柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲，從而極大地影響了 IGBT集電極.發(fā)射極電壓的均衡。關(guān)斷時(shí)，先關(guān)斷的器件會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，同理，開(kāi)通時(shí)滯后導(dǎo)通的器件也會(huì)承受較高過(guò)電壓。3、IGBT本身寄生參數(shù)的離散性——器件寄生電感、寄生電容等特性不一致(尤其是寄生電容)，會(huì)導(dǎo)致不同的開(kāi)關(guān)特性和電壓尖峰。串聯(lián)IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，關(guān)斷速度較快的器件要承受很高的過(guò)電壓，開(kāi)通過(guò)程中導(dǎo)通較慢的器件也會(huì)承受較高過(guò)電壓。4、反向二極管恢復(fù)特性的差異一在感性負(fù)載情況下，IGBT開(kāi)通時(shí)與續(xù)流二極管之間存在一個(gè)換流過(guò)程，由于二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，在IGBT開(kāi)通瞬間，會(huì)在續(xù)流二極管兩端產(chǎn)生過(guò)電壓。在橋式電路中IGBT通常與二極管反向并聯(lián)，二極管兩端的過(guò)電壓即為IGBT的過(guò)電壓。串聯(lián)IGBT的均壓控制方法可以分為無(wú)源緩沖法、驅(qū)動(dòng)耦合平衡法、有源電壓鉗位法和柵極主動(dòng)控制法等四類(lèi)。無(wú)源緩沖法就是在每個(gè)IGBT上并聯(lián)電容、電阻、電抗器、半導(dǎo)體二極管或者它們所組合成的電路，以此來(lái)改善IGBT開(kāi)關(guān)瞬間電壓、電流的特性，達(dá)到平衡電壓的目的。這種緩沖電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)也相對(duì)容易，但由于其直接與高電壓大電流設(shè)備相連接，器件需要有很高的功率等級(jí)，使用成本比較高。此外，緩沖電路是在開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬間進(jìn)行工作，勢(shì)必會(huì)降低電路的工作頻率。因此，這種均壓方法僅適應(yīng)于工作頻率和功率等級(jí)不高的場(chǎng)合。驅(qū)動(dòng)耦合平衡法是將串聯(lián)IGBT的每一路驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)變壓器耦合在一起，如果其中一路驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生了延時(shí)，由于耦合變壓器的存在，驅(qū)動(dòng)電流仍然一致。這樣保證了串聯(lián)IGBT柵-射極電容電壓同步增加，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓。但這種均壓方法對(duì)由驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不一致產(chǎn)生的電壓不均衡有較好的抑制效果，但對(duì)因器件參數(shù)的分散性引起的電壓不均衡沒(méi)有控制效果。有源電壓鉗位法通過(guò)控制柵極電壓或注入到柵極的電流來(lái)保證串聯(lián)IGBT的端電壓小于一個(gè)限定值。這種方法會(huì)產(chǎn)生三個(gè)問(wèn)題電壓比較電路帶來(lái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延時(shí)；在反饋和控制回路中使用太多的運(yùn)算放大器會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；柵極電壓有可能會(huì)過(guò)調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致串聯(lián)上下橋臂的直通短路。柵極主動(dòng)控制法是通過(guò)反饋回路將IGBT端電壓反饋至控制電路，與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)曲線比較，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)IGBT柵極電壓進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使端電壓跟蹤設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線。此方法的控制電路由參考電壓發(fā)生電路、反饋回路等部分組成，控制電路復(fù)雜，可靠性較差且難以實(shí)現(xiàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專(zhuān)利技術(shù)提供一種基于查表法的數(shù)字化IGBT串聯(lián)均壓電路，具有均壓速度快、精度高、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可綜合解決串聯(lián)均壓和過(guò)流、短路保護(hù)等技術(shù)難題，適用于基于IGBT串聯(lián)的柔性直流輸電、電力電子變壓器、高壓變頻器、有源濾波器、靜止無(wú)功發(fā)生器等高壓場(chǎng)合的IGBT控制與保護(hù)電路。為了實(shí)現(xiàn)上述專(zhuān)利技術(shù)目的，本專(zhuān)利技術(shù)采取如下技術(shù)方案提供一種基于查表法的數(shù)字化IGBT串聯(lián)均壓電路，所述電路包括電壓采樣電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA電路、DA轉(zhuǎn)換電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路；所述電壓采樣電路采集IGBT端電壓的部分電壓，并將所采集的部分電壓輸入AD轉(zhuǎn)換電路，所述AD轉(zhuǎn)換電路對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)輸入FPGA電路，所述FPGA電路還原IGBT端電壓，得到IGBT端電壓在表中所處分區(qū)，并將根據(jù)所在分區(qū)得到的相應(yīng)結(jié)果輸出至DA轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，DA轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換得到的模擬信號(hào)輸入所述IGBT驅(qū)動(dòng)電路。所述電壓采樣電路包括電阻R1、電阻R2、電容Cl和電容C2，所述電阻Rl與電容Cl并聯(lián)，組成Rl-Cl支路；所述電阻R2與電容C2并聯(lián)，組成R2-C2支路；所述Rl-Cl支路與R2-C2支路串聯(lián)，所述部分電壓為R2-C2支路的端電壓。所述電阻Rl的阻值遠(yuǎn)大于所述電阻R2的阻值，且Rl · Cl = R2 · C2。所述AD轉(zhuǎn)換電路包括AD轉(zhuǎn)換器，所述AD轉(zhuǎn)換器為16位AD轉(zhuǎn)換器。通過(guò)查表法得到IGBT端電壓在表中所處分區(qū)，根據(jù)IGBT端電壓在表中所處分區(qū)與IGBT的工作狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到相應(yīng)結(jié)果。將IGBT的端電壓劃分區(qū)間，根據(jù)區(qū)間將所述IGBT的工作狀態(tài)分為正常導(dǎo)通態(tài)、過(guò)電流態(tài)、短路態(tài)、正常關(guān)斷態(tài)、微過(guò)壓態(tài)和嚴(yán)重過(guò)壓態(tài)。所述IGBT處于正常關(guān)斷態(tài)時(shí)，根據(jù)所述IGBT的端電壓判斷IGBT處于正常均壓態(tài)、微過(guò)壓態(tài)和嚴(yán)重過(guò)壓態(tài)。所述DA轉(zhuǎn)換電路包括DA轉(zhuǎn)換器，所述DA轉(zhuǎn)換器為8位DA轉(zhuǎn)換器或10位轉(zhuǎn)換器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果在于1、本專(zhuān)利技術(shù)基于高精度、純數(shù)字化的電路進(jìn)行均壓處理，電路處理速度高，且可以將端電壓區(qū)間表劃分的足夠細(xì)，以滿足不同精度等級(jí)的均壓和保護(hù)要求；2、本專(zhuān)利技術(shù)中只有單一的取樣查表電路，就實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)IGBT均壓電路和過(guò)流(短路)保護(hù)電路的全部功能，電路結(jié)構(gòu)上非常簡(jiǎn)單，成本也大為降低；3、當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)IGBT的端電壓處于表值中的微過(guò)壓區(qū)間后，通過(guò)DAC輸出一定時(shí)長(zhǎng)的高電平至IGBT的柵極，促使柵極短暫導(dǎo)通，從而快速降低IGBT的端電壓至正常范圍。這種一次性的調(diào)節(jié)不會(huì)出現(xiàn)由于連續(xù)性調(diào)節(jié)而引起的振蕩，即降低了功耗，又沒(méi)有因過(guò)分調(diào)節(jié)而引起上、下橋臂通路的風(fēng)險(xiǎn)；4、本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)現(xiàn)IGBT過(guò)流或短路保護(hù)的原理是當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)IGBT的端電壓處于表值中的過(guò)流或短路區(qū)間后，通過(guò)DAC輸出截止電平關(guān)斷IGBT，由于依靠純數(shù)字電路判斷，可有效濾除各種誤報(bào)警信號(hào)及毛刺信號(hào)，杜絕誤動(dòng)作。5、本專(zhuān)利技術(shù)中除了必須使用的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路之外，沒(méi)有其它模擬電路的存在，減少了由模擬電路帶來(lái)的離散性誤差，同時(shí)減少了由柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)產(chǎn)生的器件不均壓，在實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)均壓時(shí)具有很高的一致性；6、適用于基于IGBT串聯(lián)的柔性直流輸電、電力電子變壓器、高壓變頻器、有源濾波器、靜止無(wú)功發(fā)生器等高壓場(chǎng)合的IGBT控制與保護(hù)電路。附圖說(shuō)明圖1是基于查表法的數(shù)字化IGBT串聯(lián)均壓電路原理框圖；圖2是本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例中電源電壓1500V，回路電流300A情況下的兩只IGBT的均壓情況示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于查表法的數(shù)字化IGBT串聯(lián)均壓電路，其特征在于：所述電路包括電壓采樣電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA電路、DA轉(zhuǎn)換電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路；所述電壓采樣電路采集IGBT端電壓的部分電壓，并將所采集的部分電壓輸入AD轉(zhuǎn)換電路，所述AD轉(zhuǎn)換電路對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)輸入FPGA電路，所述FPGA電路還原IGBT端電壓，得到IGBT端電壓在表中所處分區(qū)，并將根據(jù)所在分區(qū)得到的相應(yīng)結(jié)果輸出至DA轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，DA轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換得到的模擬信號(hào)輸入所述IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于查表法的數(shù)字化IGBT串聯(lián)均壓電路，其特征在于所述電路包括電壓采樣電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA電路、DA轉(zhuǎn)換電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路；所述電壓采樣電路采集IGBT 端電壓的部分電壓，并將所采集的部分電壓輸入AD轉(zhuǎn)換電路，所述AD轉(zhuǎn)換電路對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)輸入FPGA電路，所述FPGA電路還原IGBT端電壓，得到IGBT端電壓在表中所處分區(qū)，并將根據(jù)所在分區(qū)得到的相應(yīng)結(jié)果輸出至DA轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，DA轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換得到的模擬信號(hào)輸入所述IGBT驅(qū)動(dòng)電路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于查表法的數(shù)字化IGBT串聯(lián)均壓電路，其特征在于所述電壓采樣電路包括電阻R1、電阻R2、電容Cl和電容C2，所述電阻Rl與電容Cl并聯(lián)，組成 Rl-Cl支路；所述電阻R2與電容C2并聯(lián)，組成R2-C2支路；所述Rl-Cl支路與R2-C2支路串聯(lián)，所述部分電壓為R2-C2支路的端電壓。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于查表法的數(shù)字化IGBT串聯(lián)均壓電路，其特征在于所述電阻Rl的阻值遠(yuǎn)大于所述電阻R...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：侯凱，駱健，范鎮(zhèn)淇，李偉邦，董長(zhǎng)城，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，國(guó)家電網(wǎng)公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：