專利名稱：一種基于igbt串聯(lián)損耗優(yōu)化電壓自適應(yīng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子電力系統(tǒng)領(lǐng)域。具體涉及一種基于IGBT串聯(lián)損耗優(yōu)化電壓自適應(yīng)控制方法。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的半導(dǎo)體電力開關(guān)器件一絕緣柵雙極型功率管IGBT(Insulated Gate Biploar Transistor)是一種復(fù)合器件，它的輸入控制部分為M0SFET，輸出級為雙極結(jié)型晶體管，兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn):高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)10-40kHz，飽和壓降低，電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)較寬。但是IGBT的缺點(diǎn)在于單個IGBT的電壓、電流允許值很難再提高，為了應(yīng)用于高電壓、大功率的領(lǐng)域，通常采用IGBT串聯(lián)的方法。隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的逐步推廣，基于IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)的高壓閥正在成為各種新型大功率電力電子裝置的核心部件。例如VSC-HVDC、STATCOM、UPFC等。在這些場合中，由于串聯(lián)的IGBT器件運(yùn)行的頻率較高，開關(guān)速度較快，很容易在串聯(lián)的IGBT器件中產(chǎn)生電壓不平衡的情況，而高電壓、大功率的應(yīng)用領(lǐng)域決定了一旦出現(xiàn)嚴(yán)重的電壓不平衡，串聯(lián)的IGBT將不可避免的出現(xiàn)失效甚至損壞。而串聯(lián)的IGBT出現(xiàn)斷路失效后，反過來又會損壞這些大功率電力電子裝置，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前國內(nèi)外對IGBT電壓平衡化控制分為負(fù)載側(cè)控制和柵側(cè)控制兩大類。負(fù)載側(cè)控制主要通過在IGBT集射級兩端并聯(lián)緩沖電路實(shí)現(xiàn)串聯(lián)均壓，但只靠緩沖電路均壓時，體積及損耗較大，同時可靠性較差。因此柵側(cè)控制能為當(dāng)前IGBT均壓控制的主流方法。而保證IGBT串聯(lián)電壓平衡化的同時，不可避免地導(dǎo)致IGBT開關(guān)損耗的增加，對于大功率電力電子裝置來說將大大降低其工作效率。本申請介紹一種基于IGBT串聯(lián)損耗優(yōu)化的電壓自適應(yīng)控制策略，在保證IGBT串聯(lián)電壓平衡化的前提下，提高IGBT的開關(guān)速度，降低IGBT的開關(guān)損耗，為IGBT串聯(lián)應(yīng)用的實(shí)用化指出了一條嶄新的技術(shù)路徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的IGBT平衡化控制原理是讓串聯(lián)的IGBT快速跟隨參考電壓波形，保證串聯(lián)IGBT的電壓平衡性。本發(fā)明提供一種基于IGBT串聯(lián)損耗優(yōu)化電壓自適應(yīng)控制方法，所述方法包括以下步驟:(I)檢測IGBT端電壓；(2)調(diào)整主開關(guān)階段的時間；(3)調(diào)整預(yù)開關(guān)階段的時間。所述調(diào)整主開關(guān)階段包括調(diào)整主開通階段和調(diào)整主關(guān)斷階段；所述調(diào)整預(yù)開關(guān)階段包括調(diào)整預(yù)開通階段和調(diào)整預(yù)關(guān)斷階段。
所述調(diào)整主開關(guān)階段中，由各自獨(dú)立的驅(qū)動電路控制每個IGBT ；IGBT的驅(qū)動電路由同一個閥基控制單元提供控制信號。所述步驟(2)調(diào)整主開關(guān)階段的時間分為下述兩個步驟:(2-1)通過所述步驟(I)檢測IGBT端電壓，對IGBT開關(guān)時電壓變化率dv/dt與閥基控制單元傳遞來的參考電壓電壓變化率dv/dt進(jìn)行比較，判斷兩者之間的差異性，確定向上級傳遞降低或提高dv/dt的信號，閥基控制單元依據(jù)驅(qū)動單元傳遞的信號調(diào)整參考電壓 dv/dt ；(2-2)通過所述步驟(I)檢測IGBT端電壓，將IGBT開關(guān)時電壓變化率dv/dt與閥基控制單元傳遞來的參考電壓電壓變化率dv/dt進(jìn)行比較，確定降低或提高參考電壓dv/dt，傳遞至下級參與IGBT電壓平衡控制電壓。在各驅(qū)動單元上進(jìn)行所述步驟(3)調(diào)整預(yù)開關(guān)階段的時間，各個IGBT相互獨(dú)立，驅(qū)動單元檢測VOUt電壓波形，將檢測到的IGBT實(shí)際延遲時間與參考電壓給定的預(yù)開關(guān)時間進(jìn)行比較，確定增加或減少參考電壓給定的預(yù)開關(guān)時間。所述預(yù)開關(guān)階段和主開關(guān)階段調(diào)整彼此獨(dú)立。參考電壓波形如圖1所示，主要包括預(yù)關(guān)斷階段(tO-tl)、主關(guān)斷階段(tl_t2)、預(yù)開通階段(t3-t4)和主開通階段(t4-t5)。其中預(yù)關(guān)斷階段和預(yù)開通階段控制原理相同，主關(guān)斷階段和主開通階段控制原理相同。預(yù)關(guān)斷階段及主關(guān)斷時間較長時，IGBT的關(guān)斷損耗將會增加；而預(yù)關(guān)斷階段及主關(guān)斷時間較短時，IGBT的電壓將難以保證平衡性。預(yù)開通階段及主開通時間較長時，IGBT的開通損耗將會增加；而預(yù)關(guān)斷階段及主關(guān)斷時間較短時，IGBT的電壓將難以保證平衡性。本專利提出了一種于IGBT串聯(lián)損耗優(yōu)化的電壓自適應(yīng)控制策略，通過檢測IGBT端電壓，合理地調(diào)整預(yù)關(guān)斷階段、主關(guān)斷階段、預(yù)開通階段和主開通階段時間，在保證串聯(lián)IGBT電壓平衡的前提下提高開關(guān)速度，降低IGBT開關(guān)損耗。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:1.1GBT串聯(lián)時電壓平衡可靠度高；2.1GBT串聯(lián)時開關(guān)損耗低；3.1GBT開關(guān)電壓應(yīng)力可控。


圖1是:本發(fā)明的IGBT參考電壓波形示意圖；圖2是:本發(fā)明的IGBT主開關(guān)過程損耗優(yōu)化控制策略功能框圖示意圖；圖3是:本發(fā)明的IGBT預(yù)開關(guān)過程損耗優(yōu)化控制策略功能框圖示意圖；圖4是:本發(fā)明的IGBT給定電壓關(guān)斷階段調(diào)整前示意圖；圖5是:本發(fā)明的IGBT給定電壓關(guān)斷階段調(diào)整后示意圖；圖6是:本發(fā)明的IGBT關(guān)斷電壓波形調(diào)整前示意圖；圖7是:本發(fā)明的IGBT關(guān)斷電壓波形調(diào)整后不意圖；圖8是:本發(fā)明的IGBT給定電壓開通階段調(diào)整前示意圖；圖9是:本發(fā)明的IGBT給定電壓開通階段調(diào)整后示意圖10是:本發(fā)明的IGBT開通電壓波形調(diào)整前示意圖；圖11是:本發(fā)明的IGBT開通電壓波形調(diào)整后示意圖。
具體實(shí)施例方式參考電壓波形如圖1所示，主要包括預(yù)關(guān)斷階段(tO-tl)、主關(guān)斷階段(tl_t2)、預(yù)開通階段(t3-t4)和主開通階段(t4-t5)。其中預(yù)關(guān)斷階段和預(yù)開通階段控制原理相同，主關(guān)斷階段和主開通階段控制原理相同。主關(guān)斷階段(tl_t2)和主開通階段(t4_t5)原理框圖如圖2所示。每個IGBT由各自獨(dú)立的驅(qū)動電路控制，閥臂上IGBT的驅(qū)動電路由同一個閥基控制單元提供控制信號。主關(guān)斷階段和主開通階段優(yōu)化控制分為調(diào)整I和調(diào)整2兩個部分:調(diào)整1:檢測IGBT端電壓，將IGBT開關(guān)時dv/dt與閥基控制單元傳遞來參考電壓dv/dt的進(jìn)行比較。當(dāng)兩者差異大于允許值時，向上級傳遞降低dv/dt的信號，當(dāng)兩者差異小于允許值時，向上級傳遞提高dv/dt的信號。閥基控制單元檢測所有驅(qū)動單元傳遞來的調(diào)整 目號，當(dāng)所有 目號均為提聞dv/dt時，閥基控制單兀將提聞參考電壓的dv/dt ;當(dāng)有一個信號為降低dv/dt時，閥基控制單元將降低參考電壓的dv/dt，調(diào)整后的參考電壓將傳遞給各個驅(qū)動單元。調(diào)整2:檢測IGBT端電壓，將IGBT開關(guān)時dv/dt與閥基控制單元傳遞來的參考電壓dv/dt進(jìn)行比較。當(dāng)IGBT開關(guān)時dv/dt大于閥基控制單元傳遞來參考電壓的dv/dt,將降低參考電壓的dv/dt ;當(dāng)IGBT開關(guān)時dv/dt小于閥基控制單元傳遞來參考電壓的dv/dt，將提高參考電壓的dv/dt。 調(diào)整后的參考電壓傳遞至下級參與IGBT電壓平衡控制。預(yù)關(guān)斷階段(tO-tl)和預(yù)開通階段(t3_t4)控制原理框圖如圖3所示。此部分在個驅(qū)動單元上實(shí)現(xiàn)，各個IGBT相互獨(dú)立。在各個驅(qū)動單元上檢測vout電壓波形，判斷IGBT所需延遲時間。將檢測到的IGBT實(shí)際延遲時間與參考電壓給定的預(yù)開關(guān)時間進(jìn)行比較，當(dāng)檢測到的IGBT實(shí)際延遲時間大于參考電壓給定的預(yù)開關(guān)時間時，增加參考電壓給定的預(yù)開關(guān)時間；當(dāng)檢測到的IGBT實(shí)際延遲時間小于參考電壓給定的預(yù)開關(guān)時間時，減短參考電壓給定的預(yù)開關(guān)時間。本發(fā)明提出的基于損耗優(yōu)化的電壓自適應(yīng)控制策略分別優(yōu)化預(yù)開關(guān)階段和主開關(guān)階段，保證IGBT電壓平衡的前提下，降低IGBT開關(guān)損耗，其中預(yù)開關(guān)階段調(diào)整與主開關(guān)階段調(diào)整相互獨(dú)立。依據(jù)上述控制原理，仿真結(jié)果如下圖所示:圖4、圖5為參考電壓波形關(guān)斷階段調(diào)整前后波形對照；圖6、圖7為IGBT關(guān)斷波形調(diào)整如后對照。從圖中可知預(yù)關(guān)斷時間及主關(guān)斷時間經(jīng)優(yōu)化后，IGBT關(guān)斷速度明顯增快，IGBT關(guān)斷損耗降到較理想值。圖8、圖9為參考電壓波形開通階段調(diào)整前后波形對照；圖10、圖11為IGBT開通波形調(diào)整前后對照。從圖中可知預(yù)開通時間及主開通時間經(jīng)優(yōu)化后，IGBT開通速度明顯增快，IGBT開通損耗降到較理想值。以上具體實(shí)施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀本申請后，參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行種種修改或變更，但這些修改和變更，均在申請待批本發(fā)明的權(quán)利申請要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于IGBT串聯(lián)損耗優(yōu)化電壓自適應(yīng)控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)檢測IGBT端電壓； (2)調(diào)整主開關(guān)階段的時間； (3)調(diào)整預(yù)開關(guān)階段的時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整主開關(guān)階段包括調(diào)整主開通階段和調(diào)整主關(guān)斷階段；所述調(diào)整預(yù)開關(guān)階段包括調(diào)整預(yù)開通階段和調(diào)整預(yù)關(guān)斷階段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整主開關(guān)階段中，由各自獨(dú)立的驅(qū)動電路控制每個IGBT ；IGBT的驅(qū)動電路由同一個閥基控制單元提供控制信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)調(diào)整主開關(guān)階段的時間分為下述兩個步驟: (2-1)通過所述步驟(I)檢測IGBT端電壓，對IGBT開關(guān)時電壓變化率dv/dt與閥基控制單元傳遞來的參考電壓電壓變化率dv/dt進(jìn)行比較，判斷兩者之間的差異性，確定向上級傳遞降低或提高dv/dt的信號，閥基控制單元依據(jù)驅(qū)動單元傳遞的信號調(diào)整參考電壓dv/dt ； (2-2)通過所述步驟(I)檢測IGBT端電壓，將IGBT開關(guān)時電壓變化率dv/dt與閥基控制單元傳遞來的參考電壓電壓變化率dv/dt進(jìn)行比較，確定降低或提高參考電壓dv/dt，傳遞至下級參與IGBT電壓平衡控制電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在各驅(qū)動單元上進(jìn)行所述步驟(3)調(diào)整預(yù)開關(guān)階段的時間，各個IGBT相互獨(dú)立，驅(qū)動單元檢測vout電壓波形，將檢測到的IGBT實(shí)際延遲時間與參考電壓給定的預(yù)開關(guān)時間進(jìn)行比較，確定增加或減少參考電壓給定的預(yù)開關(guān)時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4-5任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述預(yù)開關(guān)階段和主開關(guān)階段調(diào)整彼此獨(dú)立。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于IGBT串聯(lián)損耗優(yōu)化電壓自適應(yīng)控制方法，所述方法包括以下步驟(1)檢測IGBT端電壓；(2)調(diào)整主開關(guān)階段時間；(3)調(diào)整預(yù)開關(guān)階段時間。本發(fā)明的有益效果在于IGBT串聯(lián)時電壓平衡可靠度高；IGBT串聯(lián)時開關(guān)損耗低；IGBT開關(guān)電壓應(yīng)力可控。
文檔編號H02M1/08GK103166435SQ201110426588
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者溫家良、陳中圓、韓健、吳銳、蔚泉清、賈娜、龐宇剛 申請人:中國電力科學(xué)研究院