一种IGBT串联开通过程均压方法与流程

本发明涉及一种功率器件igbt在多个串联连接应用的开通过程均压控制方法。属于电力电子变换技术领域。

背景技术：

在中高压功率变换领域，igbt由于其良好的工作特性被广泛应用。但是随着工作电压的提高，单个igbt模块无法单独工作，往往需要将多个igbt直接串联应用。

采用多个igbt直接串联结构，存在各igbt之间的均压问题，需要采取一定的均压方案解决这一问题。igbt的工作特性决定其关断过程的均压问题更为严峻，因此现有均压方案都重点解决研究关断过程的均压问题。现有的均压方案一般有以下三种方案：第一种方案是加入吸收电路，吸收不均压时产生的电压尖峰，这是最简单的均压方法，但是会产生很大的损耗。第二种方案是加入箝位电路，在igbt合适的位置并接稳压装置，当igbt的端电压超过预设的电压值时，稳压装置对电压进行箝位，限制电压进一步上升，这种方案同样会在稳压装置上损耗很大的能量。采用这两种方案时，如果针对关断过程均压问题优化电路参数，则无法取得较好的开通过程均压效果，如果针对开通过程均压问题进行优化，则会进一步增加损耗。第三种方案是直接进行驱动电路的同步控制，这种方案实现均压的能耗代价最小，效率最高，但是引起不均压的影响因素较多，驱动同步不能完全解决均压问题，无论开通过程均压还是关断过程均压。

针对上述三种方案的均压问题，已有一些文献提出了解决方案，通过采样igbt两端电压信息，对开通过程和关断过程的igbt电压都可以进行闭环控制。g.belverde，a.galluzzo等人在“snubberlessvoltagesharingofseries-connectedinsulatedgatedevicesbyanovelgatecontrolstrategy”中提出了主从式的门极驱动调节方案，采样各从igbt端电压后与主igbt端电压进行比较，以此来调节各从igbt驱动信号。但是该方案需要开关瞬间完成调节过程，对控制速度有极高的要求。s.ji，t.lu等人在“series-connectedhv-igbtsusingactivevoltagebalancingcontrolwithstatusfeedbackcircuit”中提出了具有箝位功能的驱动控制方案，igbt端电压超过预设值时触发箝位装置，控制装置采集各igbt的箝位装置工作时间后进行控制调节，调节各igbt的驱动信号边沿时刻，最终使各路箝位装置工作时间一致，实现各个igbt均压。但是该方案采用的有源箝位电路只有在产生电压尖峰才能工作，因此较难实现开通过程的完全均压。

因此，申请人提出了一种针对igbt串联开通过程均压的检测电路和控制方法，在开通过程出现不均压时通过调节快速达到完全均压。将该方案结合常用的关断过程均压方案，即可实现igbt串联工作的全过程均压。

技术实现要素：

发明目的：

本发明针对现有技术的不足，提供一种igbt串联开通过程均压控制方法，解决了现有均压方案在igbt串联开通过程均压效果的不足。

技术方案：

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种多个igbt串联应用工作电路，包括串联igbt组(1)，箝位单元(2)，驱动单元(3)和控制单元(4)，所述串联igbt组由n个igbt(igbt1、igbt2、……、igbtn)串联连接构成，n为大于等于2的自然数，其中，第一个igbt(igbt1)的射极e1与第二个igbt(igbt2)的集电极c2连接；如果n大于2，第k-1个igbt(igbtk-1)的射极ek-1与第k个igbt(igbtk)的集电极ck连接，3≤k≤n，所述箝位单元(2)包括n个子箝位单元(21～2n)，每个子箝位单元分别接在各个igbt的集电极和门极之间，每个子箝位单元输出端都与控制单元(4)连接，返回表征各箝位单元工作时间的脉冲电压信号vt1～vtn，所述驱动单元包括n个子驱动单元(31～3n)，每个子驱动单元输出端分别接在各个igbt门极，驱动igbt开关动作，每个子驱动单元输入端都与控制单元(4)连接，由控制单元(4)发出各个igbt的驱动信号vd1_m～vdn_m。

所述箝位单元(21～2n)具有相同的电路结构，以第k个igbt(igbtk)的箝位单元k(2k)为例，电路包括箝位电路(2k1)和隔离电路(2k2)。箝位电路(2k1)由一个放电电阻r1，一个充电电阻r2，一个二极管d1，一个稳压管z1，一个箝位电容c0和一个采样电阻rs组成，放电电阻r1的一端与igbtk的集电极ck连接，另一端与二极管d1的阳极连接，二极管d1的阴极与稳压管z1的阴极连接，稳压管z1的阳极与箝位电容c0的一端连接，采样电阻rs接在箝位电容c0的另一端和igbtk的门极gk之间，充电电阻r2并联连接在二极管d1的两端。隔离电路(2k2)由一个限流电阻r3和一个光耦芯片组成，限流电阻r3一端接到门极gk，另一端接到光耦芯片的正输入端，光耦芯片的负输入端接到箝位电容c0和采样电阻rs的连接点，光耦芯片的输出端接到控制单元(4)。当igbtk处于关断状态时，igbtk的集电极ck和门极gk之间电压vcgk高于稳压管z1的稳压值，其电压差通过充电电阻r2对箝位电容c0充电，使电容电压vc0充电至等于该电压差。在igbtk开通过程中，当电压vcgk电压下降到低于电容电压vc0时，箝位电路(2k1)中电容c0开始通过放电电阻r1进行放电，该放电电流流过采样电阻rs，在采样电阻上产生采样电压vac。采样电压vac加在隔离电路(2k2)中光耦输入端，当vac高于光耦工作电压阈值vth时，光耦输出高电平，光耦将电压vac超过其工作电压阈值vth的时间以脉冲信号vtk的形式反馈回控制单元(4)。

所述控制单元(4)包括一个时间提取单元(40)、一个均压调节单元(41)、n-2个加法单元和一个延时单元(42)，其中，均压调节单元(41)包含n-1个子均压调节单元(412～41n)，延时单元(42)包含n-1个子延时单元(422～42n)。各箝位单元的输出信号vt1～vtn都接到时间提取单元(40)输入端，由时间提取单元(40)提取各相邻脉冲电压信号上升沿延时时间数值t12～tn-1n。t12与igbt2均压调节单元(412)输入端连接，tk-1k与igbtk均压调节单元(41k)输入端连接。igbt2均压调节单元(412)的输出δtd2接到边沿延时单元2(422)的输入端，δtd2与igbt3均压调节单元(413)的输出δt′d3都接到第一加法单元的两个输入端，第一加法单元的输出δtd3与边沿延时单元3(423)的输入端连接，δtdk与igbtk+1均压调节单元(41k+1)的输出δt′dk+1都接到第k-1加法单元的两个输入端，第k-1加法单元的输出δtdk+1与边沿延时单元k+1(42k+1)的输入端连接，3≤k≤n。

所述时间提取单元(40)包含n-1个子时间提取单元(402～40n)，各子时间提取单元具有相同的程序结构，以时间提取单元2(402)为例，内部包括一个异或门，一个边沿计数器，两个三路输入与门和两个脉宽计数器。输入信号vt1和vt2接到异或门的两个输入端，异或门输出信号a，异或门输出端接到边沿计数器输入端，对信号a进行边沿计数，当计数值达到2时边沿计数器输出置高，边沿计数器的输出信号为b。将信号b取反后和信号vt1、信号a输入第一个与门，第一个与门输出接到计数器1输入端，当vt1上升沿超前vt2时，计数器1记录超前时间数值t12x，当vt1上升沿滞后vt2时，计数器1数值为0；将信号b取反后和信号vt2、信号a输入第二个与门，第二个与门输出接到计数器2输入端，当vt1上升沿滞后vt2时，计数器2记录滞后时间数值t12y，当vt1上升沿超前vt2时，计数器1数值为0。使用一个数值t12表示时间提取单元2的输出，当t12x不为零时，t12y等于0，将t12x直接赋值给t12，t12为正值，表示vt1上升沿超前vt2，当t12y不为零时，t12x等于0，将t12y取负后赋值给t12，t12为负值，表示vt1上升沿滞后vt2。同样的，时间提取单元k(40k)输出信号vtk-1和vtk的上升沿延时时间数值tk-1k，如果vtk-1的上升沿超前于vtk，则tk-1k为正值，如果vtk-1的上升沿滞后于vtk，则tk-1k为负值，3≤k≤n。

所述均压调节单元(412～41n)包括一个取绝对值单元、一个乘法单元和一个比例调节器。均压调节单元(412～41n)的输入信号接到乘法单元的一个输入端，同时将该输入信号取绝对值后接到乘法单元的另一个输入端，乘法单元的输出端接到比例调节器的输入端，比例调节器的输出作为均压调节单元(412～41n)的输出。

所述边沿延时单元(422～42n)的作用是将前一次的驱动信号上升沿按照输入量延时后得到本次驱动信号，δtd2作为igbt2驱动信号vd2_m上升沿的延时量，igbt2的第m-1次的驱动信号vd2_m-1上升沿经过延时vd2得到第m次驱动信号vd2_m，m为大于1的自然数，δtdk+1作为igbtk+1驱动信号vdk+1_m上升沿的延时量，igbtk+1的第m-1次的驱动信号vdk+1_m-1上升沿经过延时vdk+1得到第m次驱动信号vdk+1_m。

一种igbt串联开通过程均压控制方法，其中，第一个igbt(igbt1)驱动信号不需要进行均压调节，其他igbt的驱动信号上升沿以igbt1的驱动信号上升沿作为基准进行边沿调节。第二个igbt(igbt2)驱动信号上升沿调节过程的具体实现步骤如下：

步骤1，箝位单元1(21)检测igbt1集电极和门极g1之间电压vcg1，当vcg1电压下降到低于电容电压vc0时，箝位单元1(21)中电容c0开始通过电阻r1进行放电。该放电电流流经采样电阻rs，在采样电阻上产生电压vac。电压vac加在隔离电路(212)中光耦输入端，光耦将电压vac超过其工作电压阈值vth的时间以脉冲信号vt1的形式反馈回控制单元(4)，箝位单元2(22)以相同的方式将脉冲信号vt2反馈回控制单元(4)；

步骤2，控制单元(4)接收到箝位单元1(21)和箝位单元2(22)的反馈的脉冲信号vt1和vt2，通过时间提取单元提取两路脉冲信号上升沿的延时差t12。如果vt1上升沿超前vt2，则t12为正值，如果vt1上升沿滞后vt2，则t12为负值；

步骤3，将t12与其绝对值相乘，再将乘积通过比例系数为k1的比例调节器，得到调节结果δtd2；

步骤4，将步骤3得到的igbt2均压调节单元(412)的调节结果δtd2作为延时单元2(422)的输入，将igbt2在前一个开关周期的驱动信号vd2_m-1上升沿延时δtd2，得到下一个开关周期的驱动信号vd2_m；

步骤5，将步骤4得到的驱动信号vd2_m输入驱动单元2(32)，驱动igbt2。

如果n大于2，第三个至第n个igbt驱动信号调节过程相同，以第k个igbt(igbtk)的调节过程为例，3≤k≤n，具体实现步骤如下：

步骤1，箝位单元k(2k)检测igbtk集电极ck和门极gk之间电压vcgk，当vcgk电压下降到低于电容电压vc0时，箝位单元k(2k)中电容c0开始通过电阻r1进行放电。该放电电流流经采样电阻rs，在采样电阻上产生电压vac。电压vac加在隔离电路(2k2)中光耦输入端，光耦将电压vac超过其工作电压阈值vth的时间以脉冲信号vtk的形式反馈回控制单元(4)；

步骤2，控制单元(4)接收到箝位单元k-1(2k-1)和箝位单元k(2k)的反馈的脉冲信号vtk-1和vtk，通过时间提取单元提取两路脉冲信号上升沿的延时差tk-1k。如果vtk-1上升沿超前vtk，则tk-1k为正值，如果vtk-1上升沿滞后vtk，则tk-1k为负值；

步骤3，将tk-1k与其绝对值相乘，再将乘积通过比例系数为k1的比例调节器，得到调节结果δt′dk；

步骤4，将步骤3得到的igbtk均压调节单元(41k)的调节结果δt′dk和igbtk-1调节单元(41k-1)计算得到的延时大小δtdk-1相加，得到igbtk下一个开关周期需要的延时大小δtdk；

步骤5，将步骤4得到的延时时间δtdk作为延时单元k(42k)的输入，将igbtk在前一个开关周期的驱动信号vdk_m-1上升沿延时δtdk，得到下一个开关周期的驱动信号vdk_m；

步骤6，将步骤5得到的驱动信号vdk_m输入驱动单元k(3k)，驱动igbtk。

在不同开关周期中重复上述步骤，即可实现各个igbt均压。

与现有技术方案相比，本发明具有如下有益效果：

(1)在串联连接的igbt开通过程形成不均压时，本方案可以及时准确的检测到各igbt的开通边沿的超前和滞后情况，并通过控制器调节快速实现均压。

(2)各路均压调节单元计算结果和前一路计算得到的延时时间求和，得到该路的延时时间，可以大大提高多个igbt串联应用时的调节效率；

附图说明

附图1为可以实现多个igbt串联工作的均压电路及其控制系统；

附图2为本发明的箝位单元电路图；

附图3为本发明的箝位单元电路工作情况示意图；

附图4为本发明的可以实现多个igbt串联均压的控制单元框图；

附图5为本发明的时间提取单元框图；

附图6为本发明的时间提取单元工作情况示意图；

附图7为本发明的3个igbt串联实验电路实施例结构图；

附图8为本实施例的控制单元框图；

附图9为本实施例3个igbt串联应用的动态均压实验验证结果。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面以3个igbt串联为例，结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。

本发明涉及的一种igbt串联实验电路实施例如图7所示，包括串联igbt组(1)，直流电源udc(5)，续流二极管d(6)，负载电感l(7)，箝位单元(2)，驱动单元(3)和控制单元(4)。所述控制单元(4)由一个fpga芯片和一个dsp芯片共同实现，其中fpga实现时间提取单元的功能，dsp实现均压调节计算和驱动信号延时的功能。所述串联igbt组(1)由3个igbt串联连接构成，第一个igbt(igbt1)的射极e1与第二个igbt(igbt2)的集电极c2连接，第二个igbt(igbt2)的射极e2与第三个igbt(igbt3)的集电极c3连接。直流电源udc(5)分别与续流二极管d(6)的阴极和第三个igbt(igbt3)的射极e3连接，续流二极管d(6)的阳极和第一个igbt(igbt1)的集电极c1连接，负载电感l(7)并联在续流二极管d(6)两端。每个igbt的集电极和门极之间分别并联接入一个箝位单元，每个箝位单元都与控制单元(4)连接，返回表征各箝位单元工作时间的脉冲电压信号vt1～vt3。箝位单元返回信号vt1～vt3接到fpga芯片，fpga实现时间提取单元的功能，提取脉冲电压信号vt1～vt3的上升沿延时时间数值t12～t23，fpga再接到dsp芯片，由dsp完成控制算法的计算和驱动信号的产生，最后dsp将产生的驱动信号vd1_m～vd3_m接到驱动单元1(31)～驱动单元3(33)。每个igbt门极都与各自的驱动单元一端连接，由驱动单元控制igbt开关动作。

本实施例的每个igbt的箝位单元电路都相同，以第一个igbt(igbt1)的箝位单元1(21)为例，如图2所示，电路包括箝位电路(211)和隔离电路(212)。箝位电路(211)由一个放电电阻r1，一个充电电阻r2，一个二极管d1，一个稳压管z1，一个箝位电容c0和一个采样电阻rs组成，放电电阻r1的一端与igbt1的集电极c1连接，另一端与二极管d1的阳极连接，二极管d1的阴极与稳压管z1的阴极连接，稳压管z1的阳极与箝位电容c0的一端连接，采样电阻rs接在箝位电容c0的另一端和igbt1的门极g1之间，充电电阻r2并联连接在二极管d1的两端。隔离电路(212)由一个限流电阻r3和一个光耦芯片组成，限流电阻r3一端接到门极g1，另一端接到光耦芯片的正输入端，光耦芯片的负输入端接到箝位电容c0和采样电阻rs的连接点，光耦芯片的输出端接到控制单元(4)。当igbt1处于关断状态时，igbt1的集电极c1和门极g1之间电压vcg1高于稳压管z1的稳压值，其电压差通过充电电阻r2对箝位电容c0充电，使电容电压vc0充电至等于该电压差。在igbt1开通过程中，当电压vcg1电压下降到低于电容电压vc0时，箝位电路(211)中电容c0开始通过放电电阻r1进行放电，该放电电流流过采样电阻rs，在采样电阻上产生采样电压vac。采样电压vac加在隔离电路(212)中光耦输入端，当vac高于光耦工作电压阈值vth时，光耦输出高电平，光耦将电压vac超过其工作电压阈值vth的时间以脉冲信号vt1的形式反馈回控制单元(4)，各电路信号的示意图如图3所示。

本实施例的控制单元框图如图8所示，所述控制单元(4)包括一个时间提取单元(40)、一个均压调节单元(41)、一个加法单元和一个延时单元(42)，其中，均压调节单元(41)包含两个子均压调节单元(412，413)，延时单元(42)包含两个子延时单元(422，423)。各箝位单元的输出信号vt1～vt3都接到时间提取单元(40)输入端，由时间提取单元(40)提取各相邻脉冲电压信号上升沿延时时间数值t12和t23。t12与igbt2均压调节单元(412)输入端连接，t23与igbt3均压调节单元(413)输入端连接。igbt2均压调节单元(412)的输出δtd2接到边沿延时单元2(422)的输入端，作为第igbt2驱动信号vd2_m上升沿的延时量，δtd2与igbt3均压调节单元(413)的输出δt′d3都接到加法单元的两个输入端，加法单元的输出δtd3与边沿延时单元3(423)的输入端连接，作为第igbt3驱动信号vd3_m上升沿的延时量。

本实施例的时间提取单元框图如图5所示，所述时间提取单元(40)包含两个子时间提取单元(402，403)，其中时间提取单元2(402)和时间提取单元3(403)具有相同的程序结构。以时间提取单元2(402)为例，内部包括一个异或门，一个边沿计数器，两个三路输入与门和两个脉宽计数器。输入信号vt1和vt2经过异或门得到信号a，对信号a进行边沿计数，当计数值达到2时边沿计数器输出置高，边沿计数器的输出信号为b。将信号b取反后和信号vt1、信号a输入第一个与门，第一个与门输出接到计数器1输入端，当vt1上升沿超前vt2时，计数器1记录超前时间数值t12x，当vt1上升沿滞后vt2时，计数器1数值为0；将信号b取反后和信号vt2、信号a输入第二个与门，第二个与门输出接到计数器2输入端，当vt1上升沿滞后vt2时，计数器2记录滞后时间数值t12y，当vt1上升沿超前vt2时，计数器1数值为0。使用一个数值t12表示时间提取单元2的输出，当t12x时，t12y等于0，将t12x直接赋值给t12，t12为正值，表示vt1上升沿超前vt2，当t12y不为零时，t12x等于0，将t12y取负后赋值给t12，t12为负值，表示vt1上升沿滞后vt2。同样的，时间提取单元3(403)输出信号vt2和vt3的上升沿延时时间数值t23，如果vt2的上升沿超前于vt3，则t23为正值，如果vt2的上升沿滞后于vt3，则t23为负值。时间提取单元(40)中各信号的工作情况如图6所示。

所述均压调节单元(412，413)包括一个取绝对值单元、一个乘法单元和一个比例调节器。均压调节单元(412，413)的输入信号接到乘法单元的一个输入端，同时将该输入信号取绝对值后接到乘法单元的另一个输入端，乘法单元的输出端接到比例调节器的输入端，比例调节器的输出作为均压调节单元(412，413)的输出。

所述边沿延时单元(422，423)的作用是将前一次的驱动信号上升沿按照输入量延时后得到本次驱动信号，δtd2作为igbt2驱动信号vd2_m上升沿的延时量，igbt2的第m-1次的驱动信号vd2_m-1上升沿经过延时vd2得到第m次驱动信号vd2_m，m为大于1的自然数，δtd3作为igbt3驱动信号vd3_m上升沿的延时量，igbt3的第m-1次的驱动信号vd3_m-1上升沿经过延时vd3得到第m次驱动信号vd3_m。

一种igbt串联开通过程均压控制方法，其中，第一个igbt(igbt1)驱动信号不需要进行均压调节，第二个igbt(igbt2)驱动信号上升沿以igbt1的驱动信号上升沿作为基准进行边沿调节，调节过程的具体实现步骤如下：

步骤1，箝位单元1(21)检测igbt1集电极c1和门极g1之间电压vcg1，当vcg1电压下降到低于电容电压vc0时，箝位单元1(21)中电容c0开始通过电阻r1进行放电。该放电电流流经采样电阻rs，在采样电阻上产生电压vac。电压vac加在隔离电路(212)中光耦输入端，光耦将电压vac超过其工作电压阈值vth的时间以脉冲信号vt1的形式反馈回控制单元(4)，箝位单元2(22)以相同的方式将脉冲信号vt2反馈回控制单元(4)；

步骤2，控制单元(4)接收到箝位单元1(21)和箝位单元2(22)的反馈的脉冲信号vt1和vt2，通过时间提取单元提取两路脉冲信号上升沿的延时差t12。如果vt1上升沿超前vt2，则t12为正值，如果vt1上升沿滞后vt2，则t12为负值；

步骤3，将t12与其绝对值相乘，再将乘积通过比例系数为k1的比例调节器，得到调节结果δtd2；

步骤4，将步骤3得到的igbt2均压调节单元(412)的调节结果δtd2作为延时单元2(422)的输入，将igbt2在前一个开关周期的驱动信号vd2_m-1上升沿延时δtd2，得到下一个开关周期的驱动信号vd2_m；

步骤5，将步骤4计算得到的驱动信号vd2_m输入驱动单元2(32)，驱动igbt2。

第三个igbt(igbt3)驱动信号上升沿调节过程的具体实现步骤如下：

步骤1，箝位单元3(23)检测igbt3集电极c3和门极g3之间电压vcg3，当vcg3电压下降到低于电容电压vc0时，箝位单元3(23)中电容c0开始通过电阻r1进行放电。该放电电流流经采样电阻rs，在采样电阻上产生电压vac。电压vac加在隔离电路(232)中光耦输入端，光耦将电压vac超过其工作电压阈值vth的时间以脉冲信号vt3的形式反馈回控制单元(4)；

步骤2，控制单元(4)接收到箝位单元2(22)和箝位单元3(23)的反馈的脉冲信号vt2和vt3，通过时间提取单元提取两路脉冲信号上升沿的延时差t23。如果vt2上升沿超前vt3，则t23为正值，如果vt2上升沿滞后vt3，则t23为负值；

步骤3，将t23与其绝对值相乘，再将乘积通过比例系数为k1的比例调节器，得到调节结果δt′d3；

步骤4，将步骤3得到的igbt3均压调节单元(413)的调节结果δt′d3和igbt2调节单元(412)计算得到的延时大小δtd2相加，得到igbt3下一个开关周期需要的延时大小δtd3；

步骤5，将步骤4得到的延时时间δtd3作为延时单元3(423)的输入，将igbt3在前一个开关周期的驱动信号vd3_m-1上升沿延时δtd3，得到下一个开关周期的驱动信号vd3_m；

步骤6，将步骤5得到的驱动信号vd3_m输入驱动单元3(33)，驱动igbt3。

在不同开关周期中重复上述步骤，即可实现各个igbt均压。

对上述方法进行实验验证，结果如下：

在实验电路(直流电压600v，3个igbt串联应用)上采用本发明中的控制方法进行实验，参见图9的实验结果。实验波形为3个igbt集射极电压的均压调节过程，图9中的3路波形分别为igbt1集射极电压vce1、igbt2集射极电压vce2和igbt3集射极电压vce3，为了便于区分开通过程电压尖峰和关断过程电压尖峰，用黑色箭头标明了开通过程电压尖峰位置。从实验波形中可以看出，在igbt串联开通过程均压控制开始前，3个igbt集射极电压开通过程存在很大的偏差，开通延时较小的igbt2存在较小的开通电压尖峰，开通延时较大的igbt3存在较大的开通电压尖峰，由于3个igbt串联连接，流过3个igbt的电流相同，因此igbt2和igbt3会产生较大的开通损耗。当均压控制方法开始后，3个igbt开通过程电压尖峰开始均衡，经过7个开关周期(约210us)后基本完全均压，3个igbt开通过程中都没有产生电压尖峰，开通损耗相差不大，且均压状态稳定性较好。由此验证了本发明中的igbt串联开通过程均压控制方法的正确性与可靠性。