基于fpga的高壓串聯(lián)igbt門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于FPGA的高壓串聯(lián)絕緣柵雙極晶體管IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元及方法，其中，門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元包括FPGA以及與所述FPGA電連接的觸發(fā)關(guān)斷電路、電壓監(jiān)視回路、自取能電路、動(dòng)態(tài)均壓電路、靜態(tài)均壓電路和光電轉(zhuǎn)換電路；FPGA通過(guò)電壓監(jiān)視回路監(jiān)測(cè)IGBT兩端的實(shí)時(shí)電壓，監(jiān)視IGBT的狀態(tài)是否正常，并根據(jù)IGBT兩端電壓對(duì)取能電路中的存儲(chǔ)電容通過(guò)進(jìn)行控制；所述光電轉(zhuǎn)換電路通過(guò)光纖與閥控裝置連接，接收閥控裝置發(fā)送的IGBT觸發(fā)與關(guān)斷信號(hào)，并將IGBT的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給閥控裝置。本發(fā)明利用了大容量的FPGA器件來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)自取能、均壓、工況監(jiān)視、觸發(fā)、關(guān)斷、接收命令和返回狀態(tài)信息的功能等復(fù)雜的邏輯功能，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，故障率低，確保IGBT可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于FPGA的高壓串聯(lián)IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子領(lǐng)域，尤其是一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA (FieldProgrammable Gate Array)的高壓串聯(lián)IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元。

【背景技術(shù)】
[0002]在高壓大功率變換器中，功率器件要具有較高的耐壓值，而目前單個(gè)器件不能滿(mǎn)足這一要求。用多個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件直接串聯(lián)使用是解決該問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單的方法。由于各串聯(lián)IGBT內(nèi)部參數(shù)以及開(kāi)通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)間及幅值存在差異實(shí)際應(yīng)用中串聯(lián)器件之間會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)電壓不均的問(wèn)題嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致過(guò)電壓而損壞設(shè)備。因此多個(gè)IGBT直接串聯(lián)的驅(qū)動(dòng)控制方法研究與實(shí)現(xiàn)十分必要。
[0003]串聯(lián)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲不一致是引起端電壓失衡的原因之一。延遲時(shí)間不同會(huì)造成開(kāi)通過(guò)程中，在慢開(kāi)的器件上產(chǎn)生電壓尖峰和較高的靜態(tài)電壓，導(dǎo)致各串聯(lián)管電壓不均衡。引起過(guò)電壓的另一個(gè)主要原因是各串聯(lián)器件引線(xiàn)分布電感和吸收電路特性不一致。不同IGBT其引線(xiàn)電感不同，因而會(huì)導(dǎo)致不同的開(kāi)關(guān)特性和電壓尖峰。關(guān)斷瞬間的電壓上升速率dV/dt主要取決于吸收電容，而電容值的誤差較大，且隨工作溫度及應(yīng)用時(shí)間變化，因此每個(gè)串聯(lián)的IGBT的dV/dt也會(huì)有所不同，吸收電容小的IGBT兩端會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓。
[0004]目前國(guó)內(nèi)的應(yīng)用大都直接采購(gòu)國(guó)外大公司生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)和控制裝置，并且都是利用現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制和保護(hù)功能，邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性能低。為了滿(mǎn)足IGBT運(yùn)行時(shí)復(fù)雜的工況，IGBT驅(qū)動(dòng)和控制裝置具有向智能化發(fā)展的趨勢(shì)；為了滿(mǎn)足高壓大容量的需求，IGBT驅(qū)動(dòng)和控制裝置又具有能夠滿(mǎn)足IGBT直接串聯(lián)的發(fā)展趨勢(shì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:一個(gè)目的是提供一種基于FPGA的高壓串聯(lián)IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的至少部分問(wèn)題，
技術(shù)方案:一種基于FPGA的串聯(lián)IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元，包括FPGA以及與所述FPGA電連接的觸發(fā)關(guān)斷電路、電壓監(jiān)視回路、自取能電路、動(dòng)態(tài)均壓電路、靜態(tài)均壓電路和光電轉(zhuǎn)換電路；FPGA通過(guò)電壓監(jiān)視回路監(jiān)測(cè)IGBT兩端的實(shí)時(shí)電壓，并根據(jù)IGBT兩端電壓對(duì)取能電路中的存儲(chǔ)電容通斷進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)調(diào)整充放電時(shí)間，從而控制紋波系數(shù)，使其在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)；所述光電轉(zhuǎn)換電路通過(guò)光纖與閥控裝置連接，接收閥控裝置發(fā)送的IGBT觸發(fā)與關(guān)斷信號(hào)，并將IGBT的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給閥控裝置。
[0006]進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了一種采用上述基于FPGA的串聯(lián)IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)方法，步驟如下:
FPGA驅(qū)動(dòng)電壓監(jiān)視回路采集IGBT兩端的電流，通過(guò)光纖接收閥控裝置的關(guān)斷信號(hào)；
當(dāng)接收到觸發(fā)或關(guān)斷命令時(shí)，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)觸發(fā)關(guān)斷電路以執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，觸發(fā)或關(guān)斷IGBT ； 在觸發(fā)或關(guān)斷過(guò)程中，如果檢測(cè)到器件過(guò)流時(shí)，降低柵極電壓。
[0007]在進(jìn)一步的實(shí)施過(guò)程中，跟蹤IGBT兩端電壓波形，調(diào)整IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓，使IGBT的導(dǎo)通或者關(guān)斷特性滿(mǎn)足要求。若檢測(cè)到故障，延時(shí)調(diào)整；若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。
[0008]有益效果:本發(fā)明由FPGA直接控制驅(qū)動(dòng)采樣芯片，得到IGBT兩端的電壓值，能夠以80MHz及以上的工作頻率實(shí)時(shí)地比較調(diào)整IGBT兩端的電壓值，為動(dòng)態(tài)均壓提供了可靠的保證。接收閥控單元的命令及門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元的工況，均由FPGA實(shí)時(shí)完成，大大提高了裝置的可靠性。FPGA同時(shí)監(jiān)視控制自取能電路，由FPGA實(shí)現(xiàn)的PWM脈沖調(diào)制，能很好的抑制紋波系數(shù)，保證電源的穩(wěn)定可靠而無(wú)需外部供電，實(shí)現(xiàn)真正的高壓應(yīng)用。利用了大容量的FPGA器件來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)自取能、均壓、工況監(jiān)視、觸發(fā)、關(guān)斷、接收命令和返回狀態(tài)信息的功能等復(fù)雜的邏輯功能，所有功能由邏輯電路實(shí)現(xiàn)，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，故障率低，確保IGBT可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0010]如圖1所示，本發(fā)明基于FPGA的串聯(lián)IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元主要包括FPGA以及與所述FPGA電連接的觸發(fā)關(guān)斷電路、電壓監(jiān)視回路、自取能電路、動(dòng)態(tài)均壓電路、靜態(tài)均壓電路和光電轉(zhuǎn)換電路。
[0011]FPGA以現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列XC3S200A為核心；電壓監(jiān)視電路以ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為核心；自取能電路單元其主要由隔離器件、防護(hù)器件及阻容電感等被動(dòng)元件組成。IGBT觸發(fā)關(guān)斷電路用于驅(qū)動(dòng)IGBT的柵極，同時(shí)滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離及提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。FPGA通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路與閥控單元交互信息。
[0012]本發(fā)明的具體實(shí)施方法包括如下步驟:
FPGA直接驅(qū)動(dòng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)IGBT兩端電壓電流進(jìn)行采集。
[0013]降低柵極電壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(zhǎng)了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt，對(duì)器件保護(hù)十分有利。
[0014]監(jiān)測(cè)到故障后，延時(shí)調(diào)整，若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗干擾能力。以上功能均通過(guò)FPGA的邏輯實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣實(shí)時(shí)調(diào)整，完成柵極側(cè)主動(dòng)控制通過(guò)調(diào)整柵極電流或電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT端電以分為驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)控制、反饋控制、端電壓箝位控制。
[0015]本發(fā)明利用FPGA實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整觸發(fā)波形的技術(shù):可實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT兩端電壓波形的快速跟蹤(傳輸延時(shí)<50ns)，并實(shí)時(shí)調(diào)整IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓(工作頻率>80MHz)，讓IGBT的導(dǎo)通或者關(guān)斷特性滿(mǎn)足要求，從而實(shí)現(xiàn)IGBT的安全運(yùn)行。通過(guò)采取合理的動(dòng)態(tài)均壓和靜態(tài)均壓電路，并利用快速FPGA來(lái)跟蹤IGBT兩端的電壓波形，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整IGBT的門(mén)極電壓波形，從而控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷波形，保證IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程的安全性，實(shí)現(xiàn)IGBT直接串聯(lián)技術(shù)。
[0016]FPGA實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT兩端電壓的同時(shí)，對(duì)取能電路中的儲(chǔ)能電容的通斷進(jìn)行控制，根據(jù)IGBT兩端電壓的不同，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整充放電時(shí)間，控制紋波系數(shù)到理想的范圍，為門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元提供穩(wěn)定的工作電源，實(shí)現(xiàn)真正的高壓應(yīng)用。
[0017]FPGA實(shí)時(shí)接收閥控單元的IGBT觸發(fā)與關(guān)斷信號(hào)，根據(jù)閥控單元的信號(hào)利用PWM驅(qū)動(dòng)IGBT，實(shí)時(shí)監(jiān)控門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元的工作狀態(tài)，并將工作狀態(tài)返回給閥控單元，閥控單元可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到各個(gè)串聯(lián)IGBT的運(yùn)行工況。
[0018]總之，本發(fā)明利用大容量的FPGA器件來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，確保IGBT的可靠運(yùn)行。利用FPGA控制模擬采樣芯片，嚴(yán)格保證時(shí)序，實(shí)時(shí)監(jiān)視IGBT的運(yùn)行狀態(tài)，一方面通過(guò)監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)來(lái)控制和保護(hù)IGBT，另一方面，將運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)光纖上送到閥體控制和保護(hù)裝置。門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)在FPGA控制管理下接收閥體控制和保護(hù)裝置的光信號(hào)，根據(jù)IGBT的運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)通或者關(guān)斷IGBT。開(kāi)通或者關(guān)斷的一致性<=10ns，滿(mǎn)足IGBT高壓串聯(lián)閥體的運(yùn)行工況。
[0019]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020]另外需要說(shuō)明的是，在上述【具體實(shí)施方式】中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。
[0021]此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種基于FPGA的高壓串聯(lián)IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元，其特征在于，包括FPGA以及與所述FPGA電連接的觸發(fā)關(guān)斷電路、電壓監(jiān)視回路、自取能電路、動(dòng)態(tài)均壓電路、靜態(tài)均壓電路和光電轉(zhuǎn)換電路；FPGA通過(guò)電壓監(jiān)視回路監(jiān)測(cè)IGBT兩端的實(shí)時(shí)電壓，并根據(jù)IGBT兩端電壓對(duì)取能電路中的存儲(chǔ)電容通斷進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)調(diào)整充放電時(shí)間，從而控制紋波系數(shù)，使其在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)； 所述光電轉(zhuǎn)換電路通過(guò)光纖與閥控裝置連接，接收閥控裝置發(fā)送的IGBT觸發(fā)與關(guān)斷信號(hào)，并將IGBT的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給閥控裝置。
2.一種采用權(quán)利要求1所述基于FPGA的高壓串聯(lián)IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，步驟如下: FPGA驅(qū)動(dòng)電壓監(jiān)視回路采集IGBT兩端的電流，通過(guò)光纖接收閥控裝置的關(guān)斷信號(hào)； 當(dāng)接收到觸發(fā)或關(guān)斷命令時(shí)，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)觸發(fā)關(guān)斷電路以執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作； 在觸發(fā)或關(guān)斷過(guò)程中，監(jiān)視IGBT的開(kāi)通或者關(guān)斷狀態(tài)是否正常，決定是否要采取保護(hù)措施，當(dāng)檢測(cè)到器件過(guò)流時(shí)，降低柵極電壓。
3.如權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，跟蹤IGBT兩端電壓波形，調(diào)整IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓，使IGBT的導(dǎo)通或者關(guān)斷特性滿(mǎn)足要求。
4.如權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，若檢測(cè)到故障，延時(shí)調(diào)整；若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】H02M1/088GK104201871SQ201410423176
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】胡鶴軒, 鄧路, 張曄 申請(qǐng)人:河海大學(xué)