串联IGBT动态均压控制系统的制作方法

本发明涉及一种高压半导体阀体技术，特别涉及一种串联IGBT动态均压控制系统。

背景技术：

在大量应用于高电压系统中的电力电子中装置，单个IGBT因电压容量无法满足高电压的要求，一般都采用多个同规格的IGBT串联组成阀体。例如大容量柔性直流输电系统，其电压往往达到几百千伏，其中换流阀就是由大功率的IGBT串联组成。阀段中的器件串联数量根据输送电压，由相同规格IGBT串联而成。高压大容量逆变器，动态无功补偿电路也经常会使用IGBT串联结构。

但是IGBT串联后，即便同一规格的器件，由于在半导体工艺上造成的静态参数不同，以及栅极驱动信号的不同步，均造成了串联器件的动态电压不平衡。尤其在开关的过程中，问题会更加严重，有时甚至造成器件因过电压而损坏。因此必须对动态电压进行控制，这就是动态均压技术。

本专利技术“串联IGBT动态均压最优控制系统”，就是针对解决串联IGBT在开关过程中动态电压不均衡的问题的专门技术。

技术实现要素：

本发明是针对串联IGBT动态电压不均衡的问题，提出了一种串联IGBT动态均压控制系统，利用FPGA（现场可编程门阵列）的快速特性，在处理器中建立了IGBT端电压和栅电压闭环控制系统，利用先进的控制策略，快速有效地控制了栅极电压。以均压和降低开关损耗为最优控制目标，实现了串联IGBT动态电压的最优控制，提高了系统效率。

本发明的技术方案为：一种串联IGBT动态均压控制系统，包括光纤接收器、FPGA模块、端压检测电路、栅极驱动器电路、栅压检测电路和均压检测电路，均压检测电路通过采样电阻采集串联IGBT电路的两端动态均压信号，端压检测电路采集IGBT开关过程的动态端电压，栅压检测电路采集栅极驱动器输出电压，光纤接收器接收PWM信号，均压检测电路、端压检测电路、栅压检测电路和光纤接收器转化信号后送FPGA模块，FPGA模块将所有输入信号按动态均压最优和开关损耗最小控制算法处理后，输出栅极控制信号给栅极驱动器电路，栅极驱动器电路按动态均压要求控制IGBT。

所述FPGA模块由4条信号输入通道、1条信号输出通道和FPGA芯片组成，第1信号输入通道直接接收来自光纤接收器的PWM信号；第一滤波电路和第一A/D转换芯片串连构成第2信号输入通道接均压检测信号；第二滤波电路和第二A/D转换芯片串连构成第3信号输入通道接端压检测信号；第三滤波电路和第三A/D转换芯片串连构成第4信号输入通道接栅压检测信号；D/A转换芯片构成信号输出通道。

所述端压检测电路、栅压检测电路和均压检测电路均由采样电阻和高速隔离运算放大器组成，采样电阻与待测电压并联，高速隔离运算放大器信号输入与采样电阻并联。

本发明的有益效果在于：本发明串联IGBT动态均压控制系统，系统能在所有串联IGBT总电压和电流在变化条件下，自动实现各个IGBT动态电压均衡；能弥补串联IGBT栅极脉冲不同步造成的器件端压不均衡；能在各个IGBT动态电压均衡条件下，提高开关速度，降低开关损耗和提供系统效率。本发明可广泛的应用于为高压直流输电、高压变流器、高压补偿装置和电网潮流控制的电力电子设备之中。以此得到性价比更好的高压半导体阀体，降低价格，提高性能。

附图说明

图1为本发明串联IGBT动态均压控制系统电路图；

图2为本发明FPGA模块电路图；

图3为本发明光纤接收电路图；

图4为本发明电压测试模块电路图；

图5为本发明用于MMC串联子模块的均压控制电路图；

图6为本发明控制前3个IGBT串联端压波形图；

图7为本发明控制后3个IGBT串联端压波形图。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1所示串联IGBT动态均压控制系统电路图，此为最优实施方式，系统包括光纤接收器1、FPGA模块2、端压检测电路3、栅极驱动器电路4、栅压检测电路5和均压检测电路6，均压检测电路6通过采样电阻R1采集串联IGBT电路的两端动态均压信号，端压检测电路3采集IGBT开关过程的动态端电压，栅压检测电路5采集栅极驱动器输出电压，光纤接收器1接收PWM信号，均压检测电路6、端压检测电路3、栅压检测电路5和光纤接收器1转化信号后送FPGA模块2，FPGA模块将所有输入信号按一定算法处理后，输出栅极控制信号给栅极驱动器电路，栅极驱动器电路4按动态均压要求控制IGBT，达到动态均压目的。

本发明中的FPGA模块2如图2所示。该模块由4条信号输入通道和1条信号输出通道和FPGA芯片组成。第1信号输入通道直接接收来自光纤接收器1的PWM信号；第一滤波电路和第一A/D转换芯片（模拟数字转换芯片）构成第2信号输入通道接均压检测信号；第二滤波电路和第二A/D转换芯片构成第3信号输入通道接端压检测信号；第三滤波电路和第三A/D转换芯片构成第4信号输入通道接栅压检测信号；D/A转换芯片(数字模拟转换芯片)构成信号输出通道。

FPGA模块2的工作原理为：4条信号输入信号进入FPGA芯片，FPGA芯片内部构成闭环结构，经过控制软件和控制策略分析计算，按照动态均压最优和开关损耗最小最优控制（动态均压最优就是：IGBT关断过程中，控制系统将每一个IGBT电压进行控制，使串联在一条支路的各个IGBT之间的电压差值最小，开关损耗就是IGBT开关过程中的电能损耗），得到栅极控制信号，经和D/A转换芯片(数字模拟转换芯片)输出。

本发明中的光纤接收电路如图3所示。光纤接收电路由光纤接收器（插座）、电源、电容C1和电容C2组成。电容C1和C2根据光纤接收器电压接输入电源和正负两端，起滤波作用，光纤插头插入光纤接收器，将PWM(脉宽调制信号)光信号转化为PWM电信号，PWM电信号输入FPGA芯片。

本发明中的均压检测电路3、端压检测电路4和栅压检测电路5类似，如图4所示，此处统称为电压检测电路。电压检测电路由采样电阻、高速隔离运算放大器组成。采样电阻与待测电压并联，高速隔离运算放大器信号输入与采样电阻并联。电压检测电路工作原理为：待测电压经高速隔离运算放大器隔离后送入FPGA模块的对应输入通道；电压检测电路检测了电压信号，与高压电路隔离，起到了保护低压电路的作用。

本串联IGBT动态均压最优控制系统方法，还可以用于MMC(Modular Multilevel Converter模块化多电平变换器)串联子模块的均压控制。本发明用于MMC串联子模块的均压控制电路如图5所示。包括光纤接收器11、FPGA微处理器模块12、子模块电压检测电路13、子模块控制驱动14、子模块15和均压检测电路16，均压检测电路16通过采样电阻R11采集串联子模块动态端电压信号，子模块电压检测电路13采集子模块动态端电压信号，光纤接收器11接收子模块控制信号，光纤接收器11、子模块电压检测电路13、均压检测电路16转化信号后送FPGA模块12，FPGA模块12将所有输入信号按一定算法处理后，输出子模块控制信号给子模块控制驱动14，子模块控制驱动14按动态均压要求控制子模块15，达到动态均压目的。

本发明可以广泛的应用于为高压直流输电、高压变流器中串联IGBT的有源电压控制系统提供所需的电能，同时也可以将电能储存起来供给监测、传感器等使用，提高了免维护性、可靠性。因此本发明有广泛的应用前景。