[發明專利]一種基于IGBT串聯損耗優化電壓自適應控制方法

有效

• 申請號: 201110426588.3
• 申請日: 2011-12-19
• 公開（公告）號: CN103166435A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 溫家良;陳中圓;韓健;吳銳;蔚泉清;賈娜;龐宇剛
• 申請（專利權）人: 中國電力科學研究院
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

技術領域

本發明涉及電子電力系統領域。具體涉及一種基于IGBT串聯損耗優化電壓自適應控制方法。

背景技術

20世紀80年代中期出現的半導體電力開關器件——絕緣柵雙極型功率管IGBT(Insulated?Gate?Biploar?Transistor)是一種復合器件，它的輸入控制部分為MOSFET，輸出級為雙極結型晶體管，兼有MOSFET和電力晶體管的優點：高輸入阻抗，電壓控制，驅動功率小，開關速度快，工作頻率可達10-40kHz，飽和壓降低，電壓、電流容量較大，安全工作區較寬。但是IGBT的缺點在于單個IGBT的電壓、電流允許值很難再提高，為了應用于高電壓、大功率的領域，通常采用IGBT串聯的方法。

隨著電力電子技術在電力系統中應用的逐步推廣，基于IGBT串聯均壓技術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，由于串聯的IGBT器件運行的頻率較高，開關速度較快，很容易在串聯的IGBT器件中產生電壓不平衡的情況，而高電壓、大功率的應用領域決定了一旦出現嚴重的電壓不平衡，串聯的IGBT將不可避免的出現失效甚至損壞。而串聯的IGBT出現斷路失效后，反過來又會損壞這些大功率電力電子裝置，造成嚴重的經濟損失。

目前國內外對IGBT電壓平衡化控制分為負載側控制和柵側控制兩大類。負載側控制主要通過在IGBT集射級兩端并聯緩沖電路實現串聯均壓，但只靠緩沖電路均壓時，體積及損耗較大，同時可靠性較差。因此柵側控制能為當前IGBT均壓控制的主流方法。而保證IGBT串聯電壓平衡化的同時，不可避免地導致IGBT開關損耗的增加，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串聯損耗優化的電壓自適應控制策略，在保證IGBT串聯電壓平衡化的前提下，提高IGBT的開關速度，降低IGBT的開關損耗，為IGBT串聯應用的實用化指出了一條嶄新的技術路徑。

發明內容

本發明提出的IGBT平衡化控制原理是讓串聯的IGBT快速跟隨參考電壓波形，保證串聯IGBT的電壓平衡性。

本發明提供一種基于IGBT串聯損耗優化電壓自適應控制方法，所述方法包括以下步驟：

(1)檢測IGBT端電壓；

(2)調整主開關階段的時間；

(3)調整預開關階段的時間。

所述調整主開關階段包括調整主開通階段和調整主關斷階段；所述調整預開關階段包括調整預開通階段和調整預關斷階段。

所述調整主開關階段中，由各自獨立的驅動電路控制每個IGBT；IGBT的驅動電路由同一個閥基控制單元提供控制信號。

所述步驟(2)調整主開關階段的時間分為下述兩個步驟：

(2-1)通過所述步驟(1)檢測IGBT端電壓，對IGBT開關時電壓變化率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，閥基控制單元依據驅動單元傳遞的信號調整參考電壓dv/dt；

(2-2)通過所述步驟(1)檢測IGBT端電壓，將IGBT開關時電壓變化率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。

在各驅動單元上進行所述步驟(3)調整預開關階段的時間，各個IGBT相互獨立，驅動單元檢測vout電壓波形，將檢測到的IGBT實際延遲時間與參考電壓給定的預開關時間進行比較，確定增加或減少參考電壓給定的預開關時間。

所述預開關階段和主開關階段調整彼此獨立。

參考電壓波形如圖1所示，主要包括預關斷階段(t0-t1)、主關斷階段(t1-t2)、預開通階段(t3-t4)和主開通階段(t4-t5)。其中預關斷階段和預開通階段控制原理相同，主關斷階段和主開通階段控制原理相同。

預關斷階段及主關斷時間較長時，IGBT的關斷損耗將會增加；而預關斷階段及主關斷時間較短時，IGBT的電壓將難以保證平衡性。預開通階段及主開通時間較長時，IGBT的開通損耗將會增加；而預關斷階段及主關斷時間較短時，IGBT的電壓將難以保證平衡性。

本專利提出了一種于IGBT串聯損耗優化的電壓自適應控制策略，通過檢測IGBT端電壓，合理地調整預關斷階段、主關斷階段、預開通階段和主開通階段時間，在保證串聯IGBT電壓平衡的前提下提高開關速度，降低IGBT開關損耗。