[發明專利]基于FPGA的高壓串聯IGBT門極驅動單元及方法

有效

• 申請號: 201410423176.8
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號: CN104201871B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 胡鶴軒;鄧路;張曄
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: H02M1/088
• 分類號: H02M1/088
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明屬于電力電子領域，尤其是一種基于現場可編程門陣列FPGA (Field Programmable Gate Array)的高壓串聯IGBT門極驅動單元。

背景技術

在高壓大功率變換器中，功率器件要具有較高的耐壓值，而目前單個器件不能滿足這一要求。用多個功率開關器件直接串聯使用是解決該問題的一種簡單的方法。由于各串聯IGBT內部參數以及開通關斷驅動脈沖的時間及幅值存在差異實際應用中串聯器件之間會產生動態及穩態電壓不均的問題嚴重時將導致過電壓而損壞設備。因此多個IGBT直接串聯的驅動控制方法研究與實現十分必要。

串聯IGBT的驅動信號的延遲不一致是引起端電壓失衡的原因之一。延遲時間不同會造成開通過程中，在慢開的器件上產生電壓尖峰和較高的靜態電壓，導致各串聯管電壓不均衡。引起過電壓的另一個主要原因是各串聯器件引線分布電感和吸收電路特性不一致。不同IGBT其引線電感不同，因而會導致不同的開關特性和電壓尖峰。關斷瞬間的電壓上升速率dV/dt主要取決于吸收電容，而電容值的誤差較大，且隨工作溫度及應用時間變化，因此每個串聯的IGBT的dV/dt也會有所不同，吸收電容小的IGBT兩端會產生較高的過電壓。

目前國內的應用大都直接采購國外大公司生產的IGBT驅動和控制裝置，并且都是利用現成的驅動芯片來實現監視、控制和保護功能，邏輯相對簡單，可靠性能低。為了滿足IGBT運行時復雜的工況，IGBT驅動和控制裝置具有向智能化發展的趨勢；為了滿足高壓大容量的需求，IGBT驅動和控制裝置又具有能夠滿足IGBT直接串聯的發展趨勢。

發明內容

發明目的：一個目的是提供一種基于FPGA的高壓串聯IGBT門極驅動單元，以解決現有技術存在的至少部分問題，

技術方案：一種基于FPGA的串聯IGBT門極驅動單元，包括FPGA以及與所述FPGA電連接的觸發關斷電路、電壓監視回路、自取能電路、動態均壓電路、靜態均壓電路和光電轉換電路；FPGA通過電壓監視回路監測IGBT兩端的實時電壓，并根據IGBT兩端電壓對取能電路中的存儲電容通斷進行控制，實時調整充放電時間，從而控制紋波系數，使其在預設的范圍內；所述光電轉換電路通過光纖與閥控裝置連接，接收閥控裝置發送的IGBT觸發與關斷信號，并將IGBT的運行狀態發送給閥控裝置。

進一步的，本發明還提供了一種采用上述基于FPGA的串聯IGBT門極驅動單元的驅動方法，步驟如下：

FPGA驅動電壓監視回路采集IGBT兩端的電流，通過光纖接收閥控裝置的關斷信號；

當接收到觸發或關斷命令時，FPGA驅動觸發關斷電路以執行相應的動作，觸發或關斷IGBT；

在觸發或關斷過程中，如果檢測到器件過流時，降低柵極電壓。

在進一步的實施過程中，跟蹤IGBT兩端電壓波形，調整IGBT門極驅動電壓，使IGBT的導通或者關斷特性滿足要求。若檢測到故障，延時調整；若延時后故障信號依然存在，則關斷器件，若故障信號消失，驅動電路可自動恢復正常的工作狀態。

有益效果：本發明由FPGA直接控制驅動采樣芯片，得到IGBT兩端的電壓值，能夠以80MHz及以上的工作頻率實時地比較調整IGBT兩端的電壓值，為動態均壓提供了可靠的保證。接收閥控單元的命令及門極驅動單元的工況，均由FPGA實時完成，大大提高了裝置的可靠性。FPGA同時監視控制自取能電路，由FPGA實現的PWM脈沖調制，能很好的抑制紋波系數，保證電源的穩定可靠而無需外部供電，實現真正的高壓應用。利用了大容量的FPGA器件來同時實現自取能、均壓、工況監視、觸發、關斷、接收命令和返回狀態信息的功能等復雜的邏輯功能，所有功能由邏輯電路實現，硬件結構簡單可靠，故障率低，確保IGBT可靠穩定的運行。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明基于FPGA的串聯IGBT的門極驅動單元主要包括FPGA以及與所述FPGA電連接的觸發關斷電路、電壓監視回路、自取能電路、動態均壓電路、靜態均壓電路和光電轉換電路。

FPGA以現場可編程門陣列XC3S200A為核心；電壓監視電路以ADC模數轉換芯片為核心；自取能電路單元其主要由隔離器件、防護器件及阻容電感等被動元件組成。IGBT觸發關斷電路用于驅動IGBT的柵極，同時滿足實現控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離及提供合適的柵極驅動脈沖。FPGA通過光電轉換電路與閥控單元交互信息。