一種igbt串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種IGBT串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)及方法，包括N個(gè)串聯(lián)的IGBT管，N個(gè)IGBT端電壓采樣電路、基準(zhǔn)電壓源Vref、比較模塊、驅(qū)動(dòng)信號(hào)采樣電路、DSP處理電路、N個(gè)驅(qū)動(dòng)器及輔助驅(qū)動(dòng)器；采用對(duì)各個(gè)串聯(lián)的IGBT管兩端電壓進(jìn)行采樣比較，判斷是具體那個(gè)管子承受過(guò)大的電壓，再通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣判斷此時(shí)開(kāi)關(guān)管是處于開(kāi)通還是導(dǎo)通的狀態(tài)，最后通過(guò)DSP處理輸出相應(yīng)的信號(hào)控制輔助驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓。本系統(tǒng)采用的是分開(kāi)驅(qū)動(dòng)的方法，同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，不僅可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓，而且可以防止誤導(dǎo)通和誤關(guān)斷操作。
【專利說(shuō)明】一種IGBT串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子器件控制領(lǐng)域，特別涉及一種IGBT串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極晶體管(IGBT)結(jié)合了電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和電力晶體管通、關(guān)斷機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，具有輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，工作頻率高，開(kāi)關(guān)特性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的全控型器件，廣泛應(yīng)用于電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域。然而，在許多高壓或超高壓場(chǎng)合中如:高壓直流輸電、靜態(tài)可變補(bǔ)償器、高壓逆變器、機(jī)車牽引等，由于單管的耐壓等級(jí)比較低，不能滿足電路工作的需求，導(dǎo)致其使用受到限制。一方面如何提高IGBT的單管耐壓成了高壓應(yīng)用的一個(gè)需求，另一方面如何在現(xiàn)有的條件下提高耐壓也是一個(gè)研究的方向。其中IGBT的串聯(lián)使用是一種較為有效的提高耐壓的方法。然而，在IGBT的串聯(lián)應(yīng)用中，由于單個(gè)IGBT器件自身的參數(shù)及其寄生參數(shù)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)都會(huì)存在大大小小的差異，導(dǎo)致串聯(lián)器件開(kāi)通和關(guān)斷的不一致，進(jìn)而導(dǎo)致串聯(lián)器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的耐壓不均。存在這種電壓分配不均勻現(xiàn)象會(huì)對(duì)電路的正常使用帶來(lái)影響，可能會(huì)導(dǎo)致個(gè)別器件因受壓過(guò)高而被擊穿。因此，IGBT串聯(lián)研究的核心是動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種IGBT串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)及方法。
[0004]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種IGBT串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)，包括N個(gè)串聯(lián)的IGBT管，其特征在于，還包括與IGBT管相同數(shù)量的IGBT端電壓采樣電路、基準(zhǔn)電壓源Vref、比較模塊、驅(qū)動(dòng)信號(hào)采樣電路、DSP處理電路、與IGBT管相同數(shù)量的驅(qū)動(dòng)器及輔助驅(qū)動(dòng)器；
[0006]所述IGBT端電壓采樣電路跨接在IGBT管的源極和漏極上，實(shí)時(shí)采集IGBT的端電壓，所述IGBT端電壓采樣電路的輸出端與比較模塊的輸入端連接，所述基準(zhǔn)電壓源Vref與比較模塊的輸入端連接，所述比較模塊的輸出端與DSP處理電路的輸入端連接，所述DSP處理電路的輸出端分別與N個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接，所述輔助驅(qū)動(dòng)器的輸出端與IGBT管的基極連接，所述N個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸入端分別與驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接，所述驅(qū)動(dòng)器的輸出端與IGBT管的基極連接，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)采樣電路的輸出端分別與DSP處理電路和比較模塊連接，所述N為大于等于2的自然數(shù)。
[0007]一種IGBT串聯(lián)均壓的控制方法，包括如下步驟:
[0008]SI系統(tǒng)初始化，N個(gè)IGBT端電壓采樣電路分別采集所對(duì)應(yīng)單個(gè)IGBT管的電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)采樣電路采集驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓，同時(shí)初始化基準(zhǔn)電壓源Vref然后輸入到比較模塊電路；
[0009]S2比較模塊判斷出單管IGBT最大端電壓和最小端電壓，設(shè)第X個(gè)IGBT管的兩端電壓為最大端電壓，記為Vx，設(shè)第y個(gè)IGBT管的兩端電壓為最小端電壓，記為Vy，然后將這兩個(gè)電壓的差值即Vx-Vy與基準(zhǔn)電壓Vref比較，如果差值大于Vref則第x個(gè)IGBT管出現(xiàn)了過(guò)壓的情況；
[0010]同時(shí)比較模塊判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓值為正時(shí)，將第X個(gè)IGBT管比較模塊輸出相應(yīng)位即第X位置一，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓值為負(fù)時(shí)將第y個(gè)IGBT管比較模塊輸出相應(yīng)位即第y位置一，觸發(fā)DSP的中斷處理；
[0011]S3DSP收到中斷請(qǐng)求之后，判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓為正時(shí)，得知此時(shí)第X個(gè)IGBT管處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)第X個(gè)IGBT管相應(yīng)DSP處理電路中斷位置一，則輸出信號(hào)給第X個(gè)IGBT管相對(duì)應(yīng)的輔助驅(qū)動(dòng)器，加大柵極驅(qū)動(dòng)電壓，加速第X個(gè)IGBT管的導(dǎo)通；
[0012]當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓為負(fù)時(shí)，得知此時(shí)第X個(gè)IGBT管處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)第y個(gè)IGBT管相應(yīng)DSP處理電路輸入中斷位置一，則輸出信號(hào)給第y個(gè)IGBT管相對(duì)應(yīng)的輔助驅(qū)動(dòng)器，增大第I個(gè)IGBT管柵極的反向電壓，從而加速第y個(gè)IGBT管的關(guān)斷，所述2 < X，y < N。
[0013]采用IGBT端電壓采樣信號(hào)閉環(huán)反饋控制方式實(shí)現(xiàn)IGBT的動(dòng)態(tài)串聯(lián)均壓；分開(kāi)控制各個(gè)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，更加容易實(shí)現(xiàn)模塊化。
[0014]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0015]實(shí)現(xiàn)N個(gè)串聯(lián)IGBT的動(dòng)態(tài)均壓；同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，防止開(kāi)關(guān)管的誤導(dǎo)通和誤關(guān)斷，使得電路工作 更加安全和可靠；系統(tǒng)還設(shè)立了基準(zhǔn)電源Vref可以靈活控制IGBT的過(guò)壓程度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明一種IGBT串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明中比較模塊的工作流程圖；
[0018]圖3是本發(fā)明中DSP處理電路的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0020]如圖1所示，一種IGBT串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)，包括N個(gè)串聯(lián)的IGBT管Q1，Q2……QN，還包括與IGBT管相同數(shù)量的IGBT端電壓采樣電路、一個(gè)基準(zhǔn)電壓源Vref、一個(gè)比較模塊、驅(qū)動(dòng)信號(hào)采樣電路、DSP處理電路、與IGBT管相同數(shù)量的驅(qū)動(dòng)器及輔助驅(qū)動(dòng)器。
[0021]所述IGBT端電壓采樣電路跨接在IGBT管的源極和漏極上，實(shí)時(shí)采集IGBT管的兩端電壓。所述IGBT端電壓采樣電路的輸出端、基準(zhǔn)電壓源Vref分別與比較模塊電路的輸入端連接。所述比較模塊的輸出端與DSP處理電路的輸入端連接，所述DSP處理電路的輸出端分別與N個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接。
[0022]所述輔助驅(qū)動(dòng)器的輸出端與IGBT管的基極連接，所述N個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸入端分別與驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)采樣電路的輸出端分別與DSP處理電路和比較模塊電路連接，所述N為大于等于2的自然數(shù)。[0023]本發(fā)明中的基準(zhǔn)電壓Vref可以根據(jù)需要取不同的值，從而控制單個(gè)IGBT的過(guò)壓程度。
[0024]本發(fā)明加入了輔助驅(qū)動(dòng)器，不僅可以分開(kāi)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)可以控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷的速度，更加靈活和實(shí)用。本發(fā)明所述的輔助驅(qū)動(dòng)器，可以在IGBT導(dǎo)通時(shí)加大驅(qū)動(dòng)電壓，從而加大驅(qū)動(dòng)電流，加速IGBT的導(dǎo)通。在IGBT關(guān)斷時(shí)，增大IGBT柵極的反向電壓，從而加速IGBT的關(guān)斷。通過(guò)上述的兩個(gè)動(dòng)作就可以同時(shí)可以控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷的速度。
[0025]一種IGBT串聯(lián)均壓的控制方法，包括如下步驟:
[0026]SI系統(tǒng)初始化，N個(gè)IGBT端電壓采樣電路分別采集所對(duì)應(yīng)單個(gè)IGBT管的電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)采樣電路采集驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓，同時(shí)初始化基準(zhǔn)電壓源Vref然后輸入到比較模塊電路；Vref的取值不同可以控制IGBT的過(guò)壓程度，使得系統(tǒng)更加靈活；清除中斷位，防止系統(tǒng)誤操作。
[0027]S2如圖2所示，比較模塊判斷出單管IGBT最大端電壓和最小端電壓，設(shè)第x個(gè)IGBT管的兩端電壓為最大端電壓，記為Vx，設(shè)第y個(gè)IGBT管的兩端電壓為最小端電壓，記為Vy，然后將這兩個(gè)電壓的差值即Vx-Vy與基準(zhǔn)電壓Vref比較，如果差值大于Vref則第x個(gè)IGBT管出現(xiàn)了過(guò)壓的情況，否則，退回上一步繼續(xù)監(jiān)視單管IGBT最大端電壓和最小端電壓。
[0028]同時(shí)比較模塊判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓值為正時(shí)，可知此時(shí)IGBT處于開(kāi)通狀態(tài)，所以是出現(xiàn)過(guò)壓的IGBT管開(kāi)通過(guò)慢，將第X個(gè)IGBT管的比較模塊輸出相應(yīng)位即第X位置一，觸發(fā)DSP中斷，DSP輸出相應(yīng)的信號(hào)加速其開(kāi)通；
[0029]當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓值為負(fù)時(shí)，此時(shí)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，所以是端電壓最小的IGBT管關(guān)斷過(guò)慢，將比較模塊輸出第y位置一觸發(fā)DSP中斷，DSP輸出相應(yīng)的信號(hào)加速其關(guān)斷。
[0030]S3DSP收到中斷請(qǐng)求之后，判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓為正時(shí)，得知此時(shí)第X個(gè)IGBT管處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)第X個(gè)IGBT管相應(yīng)DSP處理電路輸入中斷位置一(中斷位置于高電平)，則輸出信號(hào)給第X個(gè)IGBT管的輔助驅(qū)動(dòng)器，加大柵極驅(qū)動(dòng)電壓，加速第X個(gè)IGBT管的導(dǎo)通；
[0031]當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓為負(fù)時(shí)，得知此時(shí)第X個(gè)IGBT管處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)第y個(gè)IGBT管相應(yīng)DSP處理電路輸入中斷位置一，則輸出信號(hào)給第I個(gè)IGBT管的輔助驅(qū)動(dòng)器，增大第I個(gè)IGBT管柵極的反向電壓，從而加速第y個(gè)IGBT管的關(guān)斷，所述2 < x，y < N。
[0032]S4延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期到兩個(gè)時(shí)鐘周期，確?？梢杂|發(fā)DSP中斷。清除中斷位，返回S2繼續(xù)監(jiān)視單管IGBT最大端電壓和最小端電壓。
[0033]圖3是本發(fā)明中DSP處理電路的工作流程圖。當(dāng)比較模塊與DSP連接的相應(yīng)中斷位置一時(shí)，觸發(fā)DSP中斷。中斷處理內(nèi)容具體如下:判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓VeE是否大于0，當(dāng)VeE大于O時(shí)，可知此時(shí)IGBT處于開(kāi)通狀態(tài)，所以是出現(xiàn)過(guò)壓的IGBT管開(kāi)通過(guò)慢，DSP輸出相應(yīng)的信號(hào)加速中斷位對(duì)應(yīng)的IGBT開(kāi)通。相反當(dāng)VeE小于O時(shí)，可知此時(shí)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，所以是端電壓最小的IGBT管關(guān)斷過(guò)慢，DSP輸出相應(yīng)的信號(hào)加速中斷位對(duì)應(yīng)的關(guān)斷。
[0034]系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓VeE的正負(fù)作了兩次判斷:第一次是在比較模塊電路中，這里對(duì)VeE作判斷主要是確定將第X位或是第y位的中斷位置一；第二次是在DSP處理電路中，這里對(duì)VeE作判斷主要是確定加速中斷位對(duì)應(yīng)IGBT管的開(kāi)通或是關(guān)斷。通過(guò)這兩個(gè)模塊的共同作用就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓，而且可以防止誤導(dǎo)通和誤關(guān)斷操作。
[0035]一種IGBT串聯(lián)均壓的控制方法和用于實(shí)現(xiàn)該方法的控制系統(tǒng)，采用分開(kāi)驅(qū)動(dòng)的方式，可以對(duì)單個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管進(jìn)行單獨(dú)的控制，控制更加靈活。同時(shí)還對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，可以判斷開(kāi)關(guān)管的瞬時(shí)工作狀態(tài)到底是導(dǎo)通狀態(tài)還是關(guān)斷狀態(tài)，這樣就可以避免誤操作。以整流橋?yàn)槔?，一般均壓電路是在IGBT過(guò)壓時(shí)導(dǎo)通此IGBT，雖然這樣做是可以降低其兩端電壓，但是如果此時(shí)該橋臂是處在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，有可能出現(xiàn)誤導(dǎo)通狀況，使得上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，造成短路現(xiàn)象。而采用本控制方法就不會(huì)出現(xiàn)上述的情況，使得電路工作更加安全。
[0036]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種IGBT串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)，包括N個(gè)串聯(lián)的IGBT管，其特征在于，還包括N個(gè)IGBT端電壓采樣電路、基準(zhǔn)電壓源Vref、比較模塊、驅(qū)動(dòng)信號(hào)采樣電路、DSP處理電路、N個(gè)驅(qū)動(dòng)器及N個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)器； 所述IGBT端電壓采樣電路跨接在IGBT管的源極和漏極上，實(shí)時(shí)采集IGBT的端電壓，所述IGBT端電壓采樣電路的輸出端與比較模塊的輸入端連接，所述基準(zhǔn)電壓源Vref與比較模塊的輸入端連接，所述比較模塊的輸出端與DSP處理電路的輸入端連接，所述DSP處理電路的輸出端分別與N個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接，所述輔助驅(qū)動(dòng)器的輸出端與IGBT管的柵極連接，所述N個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸入端分別與驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接，所述驅(qū)動(dòng)器的輸出端與IGBT管的基極連接，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)采樣電路的輸出端分別與DSP處理電路和比較模塊連接，所述N為大于等于2的自然數(shù)。
2.應(yīng)用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括如下步驟: SI系統(tǒng)初始化，N個(gè)IGBT端電壓采樣電路分別采集所對(duì)應(yīng)單個(gè)IGBT管的電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)采樣電路采集驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓，同時(shí)初始化基準(zhǔn)電壓源Vref然后輸入到比較模塊電路； S2比較模塊判斷出單管IGBT最大端電壓和最小端電壓，設(shè)第X個(gè)IGBT管的兩端電壓為最大端電壓，記為Vx，設(shè)第y個(gè)IGBT管的兩端電壓為最小端電壓，記為Vy，然后將這兩個(gè)電壓的差值即Vx-Vy與基準(zhǔn)電壓Vref比較，如果差值大于Vref則第x個(gè)IGBT管出現(xiàn)了過(guò)壓的情況； 同時(shí)比較模塊判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓值為正時(shí)，將第X個(gè)IGBT管比較模塊輸出相應(yīng)位即第X位置一，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓值為負(fù)時(shí)將第I個(gè)IGBT管比較模塊輸出相應(yīng)位即第I位置一，觸發(fā)DSP的中斷處理； S3DSP收到中斷請(qǐng)求之后，判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓為正時(shí)，得知此時(shí)第X個(gè)IGBT管處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)第X個(gè)IGBT管相應(yīng)DSP處理電路輸入中斷位置一，則輸出信號(hào)給第X個(gè)IGBT管相對(duì)應(yīng)的輔助驅(qū)動(dòng)器，加大柵極驅(qū)動(dòng)電壓，加速第X個(gè)IGBT管的導(dǎo)通； 當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采樣電壓為負(fù)時(shí)，得知此時(shí)第X個(gè)IGBT管處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)第y個(gè)IGBT管相應(yīng)DSP處理電路輸入中斷位置一，則輸出信號(hào)給第y個(gè)IGBT管相對(duì)應(yīng)的輔助驅(qū)動(dòng)器，增大第I個(gè)IGBT管柵極的反向電壓，從而加速第y個(gè)IGBT管的關(guān)斷，所述2 < x，y < N。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于:采用IGBT端電壓采樣信號(hào)閉環(huán)反饋控制方式實(shí)現(xiàn)IGBT的動(dòng)態(tài)串聯(lián)均壓；分開(kāi)控制各個(gè)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)模塊化。
【文檔編號(hào)】H02M1/088GK104022628SQ201410203525
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】陳建壯, 陳艷峰, 丁力 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)