一种基于光滑滑模控制的绝缘栅双极型晶体管串联均压方法与流程

本发明涉及一种半导体控制技术，特别涉及一种基于光滑滑模控制的绝缘栅双极型晶体管串联均压方法。

背景技术：

基于电压源换流器的高压直流输电系统(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current,VSC-HVDC，也称作柔性直流输电，HVDC-Flexible)是新一代直流输电技术，能够接入弱电网，向无源负荷供电，具备电网黑启动能力，动态响应快，谐波特性优良，占地面积小等优点，自1997年ABB在瑞典建立的第一个工业试验工程开始发展起来，并成功地在多个国家投入使用。研究发展VSC-HVDC技术，可促进太阳能、风力、潮汐等可再生能源的发电并网(分布式发电并网)，解决大城市市中心区，海上钻井平台等孤远负荷的供电(孤岛供电)问题，其意义非常重大。

VSC-HVDC应用的主要器件是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)，VSC-HVDC系统中直流侧电压等级达10-1000kV，但目前商用的单个IGBT耐压值有限(约6.5kV)，不能满足上述高压大功率场合的需求。此时就需要用多个IGBT串联分压来提高其耐压值，这就是IGBT串联模块化电压源换流器。此领域的主要研究方向有换流器拓扑、调制方法、控制保护、串联均压等问 题。本发明涉及的是其中的串联均压问题，IGBT直接串联的技术难点在于：由于IGBT特性参数的分散性、门极驱动电阻不同和驱动信号的延迟，会引起串联段中的IGBT动态过程不一致，进而导致某些IGBT的电压超过耐压值而损坏。

对于IGBT串联均压控制问题，现有的方法主要有被动均压和主动均压。被动均压是在功率端也就是负载端进行控制，主要包括缓冲电路法(有源、无源)，钳位电路法；主动均压是在IGBT的栅极端也就是驱动端就行控制，包括同步变压器控制、有源电压控制、基于状态反馈的有源电压控制、栅极驱动控制等，但这些方法都有各自的局限性。

一种基于现场可编程门阵列的IGBT串联均压方法，专利申请号：201510448731.7，此专利中的方法可有效地抑制开关过程中的过电压，控制算法简单，易于实现，硬件设计成本低；但开关过程中的电压不平衡度仍然很高，且抖振严重。

技术实现要素：

本发明是针对绝缘栅双极型晶体管串联使用均压控制存在的问题，提供了一种基于光滑滑模控制的绝缘栅双极型晶体管串联均压方法，用于消除滑模控制系统输出的抖振现象，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤1，设定理想集射级电压曲线；

步骤2，设计光滑滑模控制器模型；

步骤3，将光滑滑模控制器模型数学表达式写入运算器现场可编程门阵列中；以及

步骤4，运算器现场可编程门阵列写入光滑滑模控制器后，绝缘栅双极型晶体管实际的集射级电压跟踪上了设定的理想集射级电压曲线。

在本发明提供的一种基于光滑滑模控制的绝缘栅双极型晶体管串联均压方法中，还可以具有这样的特征：

其中，步骤2中光滑滑模控制器模型数学表达式是，

光滑滑模控制器模型数学表达式中，u_sl为栅极控制输入，m的值通过实验的方法得到，最终实现e→0，δ(t)必须是一个正的可积函数，即满足μ为一非负常数。

另外，在本发明提供的一种基于光滑滑模控制的绝缘栅双极型晶体管串联均压方法中，还可以具有这样的特征：

其中，改进光滑滑模控制器模型数学表达式中改进后光滑滑模控制器模型数学表达式为：

式中

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的基于光滑滑模控制的绝缘栅双极型晶体管串联均压方法，可有效地降低IGBT开关暂态过程中的电压不平衡度，所以对IGBT造成的冲击小，因此基于光滑滑模控制的绝缘栅双极型晶体管串联均压方法具有保护IGBT的特性。

附图说明

图1为基于现场可编程门阵列的IGBT串联均压控制电路图；

图2为本发明涉及的光滑滑模控制的IGBT串联均压方法在实施例中的V_ce波形；

图3为本发明涉及的光滑滑模控制的IGBT串联均压方法在实施例中关断暂态过程中的V_ce波形；以及

图4为本发明涉及的光滑滑模控制的IGBT串联均压方法在实施例中关断暂态过程中栅极控制输入波形。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明涉及的串联均压方法作具体阐述。

光滑滑模是在滑模控制的基础上，将原来的不连续函数改为光滑连续函数，达到消除抖振的效果，本发明将光滑滑模方法应用到IGBT串联均压问题上。

对于绝缘栅双极型晶体管来说，设定理想的集射级电压曲线为V_ced，实际的集射级电压为V_ce，则电压误差

e＝V_ce-V_ced (1)

电压误差的导数

式中，u为栅极控制输入，ξ为简化后的未知项，m为未知项的上界值。

设计滑模控制器

u＝-ke-msgn(e) (3)

式中，k为待设计的增益参数，m的值通过实验的方法得到，最终实现e→0。

若应用式(3)的控制器，会出现抖振现象，因此，根据光滑滑模理论可将式(3)中的符号函数msgn(e)改为式(4)。

式中，δ(t)必须是一个正的可积函数，即满足μ为一非负常数。

满足上述条件的δ(t)很多，比如e^-t，e^-t-1，n＞1等。

更进一步，可以改进式(4)中的将u_s1改写成式(5)。

式中

本发明控制器选用式(4)，取即控制器设计为

电压不平衡度可用于评价不同均压措施的效果，其定义为：

式中，Vs为主电路电压，N为IGBT串联个数，u_max、u_min分别表示同一时刻N个IGBT中的电压最大值和最小值，max{u_max-u_min}则为整个开关过程中的最大值。

根据式(6)求得，

不加均压控制时电压不平衡度为0.3648；

使用基于现场可编程门阵列的IGBT串联均压方法后的电压不平 衡度为0.2063；

使用本发明的基于光滑滑模控制的绝缘栅双极型晶体管串联均压方法后的电压不平衡度为0.0264。

由此可见，使用本发明大大降低了IGBT开关过程中的电压不平衡度。

如图1所示，基于现场可编程门阵列的IGBT串联均压控制电路图，如选用3个IGBT串联，主电路电压为1500V，IGBT开关频率为10kHz，则理想的集射级电压曲线V_ced为一个峰值500V、频率10kHz的方波。将编写的光滑滑模控制的程序写入运算器现场可编程门阵列(FPGA)中，应用本发明的均压方法后看到；

如图2所示，图为3个IGBT集射级的电压波形。

如图3所示，图为关断暂态过程中的集射级电压波形，图中可以明显看出，在关断动态过程中3个IGBT都没有出现过电压。

如图4所示，图为关断暂态过程中3个IGBT的栅极控制输入波形，图中可以看出控制输入波形非常光滑，没有抖振现象，因此对IGBT造成的冲击小。

实施例的作用与效果

根据本发明所涉及的基于光滑滑模控制的绝缘栅双极型晶体管串联均压方法，在实施例中已显示，在关断动态过程中3个IGBT都 没有出现过电压，而且控制输入波形非常光滑，没有抖振现象，可有效地降低IGBT开关暂态过程中的电压不平衡度，所以对IGBT造成的冲击小，因此基于光滑滑模控制的绝缘栅双极型晶体管串联均压方法具有保护IGBT的特性。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。