基于FPGA的栅极控制IGBT串联动态均压方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了基于FGPA的栅极控制IBGT串联动态均压方法及系统，解决了现有对串联IGBT动态均压的方式存在系统复杂、控制难度较大等问题，其主要方案包括：S1、对IGBT集电极和发射级之间的电压U

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的栅极控制IGBT串联动态均压方法及系统


[0001]本专利技术涉及电力电子变换
，尤其涉及基于FPGA的栅极控制IGBT串联动态均压方法及系统。

技术介绍

[0002]在中高压的功率变换领域，IGBT具备良好的工作特性被广泛应用。为了解决工作电压升高，单个IGBT模块无法单独工作问题，提出了IGBT串联技术：通过将若干个IGBT串联在一起，可以大幅提高变换器的电压功率跟等级。IGBT串联技术拓扑简洁、控制方法简单，是实现高压大功率应用的重要方法。但是多个IGBT直接串联结构，存在IGBT串联之间的动态和静态下的均压问题。若IGBT的两端电压不均衡，可能会导致串联中的IGBT因为过压损坏，影响到电路的安全工作。如何使串联中的各个IGBT所承受的电压差异最小化，即如何解决各个IGBT间的不均压问题，是IGBT串联应用过程中的技术难点。
[0003]根据电压差异IGBT在开关过程中的电压差异不同，串联不均压可以分为静态不均压和动态不均压两类。其中静态不均压主要是由于各IGBT进入关断稳态前所承受的电压及进入关断稳态后等效漏电阻的不同所造成；动态不均压的原因主要是由于每个IGBT的自身参数特性不同和驱动信号的不同步。由于IGBT关断动态过程的时间是一个瞬态的时间量通常只有几十纳秒至几微秒，因此动态均压控制的要求较高，难度较大，使其成为IGBT串联均压研究的关键问题。目前，国内外针对串联IGBT动态不均压问题已提出多种解决方案。
[0004]为解决这一问题，一般有以下三种方案：
[0005]1.加入吸收电路，是最简单的均压方法，但是这种方法会在一些电流和电压变化较大的场合以及电压、电流要求过高的应用中产生较大的损耗；
[0006]2.加入钳位电路，是在IGBT的集电极跟发射极两端接上一个稳压装置，当IGBT端电压超过了设定的电压时，钳位电路发挥作用，限制IGBT的端电压上升，使电压保持在一个范围内。这种方案实现也比较简单，但是在稳压装置上也会带有很大的能量损耗；
[0007]3.直接控制各IGBT的驱动电路，通过调节IGBT的开关边沿实现均压过程。这种方案实现均压的效率最高，能耗代价最小，但是对工作在高频功率下的IGBT来说，对均压控制的快速跟稳定性提出很高的要求。
[0008]上述IGBT串联均压方式都存在一定的缺陷。因此，在IGBT实际串联应用中，为了达到更好的实际效果通常是将多种方式结合。将门极附加电流源与负载侧缓冲电路相结合，通过实时反馈集射极间电压与发射极寄生电感压降来确定IGBT瞬时状态，同时利用门极附加电流源实时调节IGBT导通与关断速度，很好地实现了IGBT间动态均压。但是该方式不仅需要高精度高带宽AD/DA转换器及多个MCU配合实现数据采集及电流源控制，而且系统复杂且高频应用时控制难度较大，难以实现。将门极有源钳位与门信号调节相结合，通过采样门极有源钳位电路工作时间，估算IGBT过压时间，进而调节各IGBT驱动信号发出时刻，达到均压目的。为了避免IGBT长时间工作于有源区而损耗增加，钳位电路工作时间通常只有几十到几百纳秒，因此采样电路需要高带宽运放来实现，其在高频高压环境下易受干扰且电路
结构复杂降低了系统的可靠性。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，本专利技术提出了一种基于FPGA的栅极控制IGBT串联动态均压方法及系统，基于FPGA的栅极触发补偿控制方法可以产生多路的控制信号的同时，实时地根据IGBT串联运行情况进行反馈和补偿，实现IGBT串联动态的快速调节。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：基于FPGA的栅极控制IGBT串联动态均压方法，包括如下步骤：
[0011]S1、对IGBT集电极和发射级之间的电压U
ce
进行采集，将U
ce
与预定电压U
ref
统一经过电压比较反馈电路并输入到FPGA；
[0012]S2、FPGA对反馈脉冲信号的上升沿及下降沿进行采样，并将采集到的脉冲时间与新产生的初始触发时间信号进行比对，计算得出IGBT对应延迟时间
△
t，并在初始触发信号的基础上进行时间的加减，得到补偿后的触发信号；
[0013]S3、开始新的补偿周期并开启下一补偿阶段，其中触发时间补偿策略为多级补偿策略，在串联的各个IGBT之间的动作误差缩小至指定范围后，补偿结束。
[0014]进一步地，所述步骤S3中补偿策略为两级补偿模式，将每个补偿周期对IGBT触发信号补偿的时间t1记为初级补偿量，将次级触发补偿的补偿量记为每个补偿周期对IGBT触发信号补偿时间t2，并且设置t1>t2，将IGBT导通延时记作t
on
，
[0015]当t
on
＞t1时，触发时间补偿策略工作在初级补偿阶段，FPGA开始工作将IGBT的初始触发信号时间提前，并产生一个新的触发信号，该触发信号驱动IGBT导通，并等待新的导通延迟时间反馈回来，比较新的导通延迟时间与提前触发信号时间大小，当新的导通延迟时间小于提前触发信号时间时，则初级补偿阶段结束，次级触发补偿阶段开始，反之则继续初级触发补偿阶段。
[0016]当t1>t
on
>t2时，触发时间补偿策略工作在次级触发补偿，FPGA处理后将IGBT的初始
[0017]触发信号时间提前，产生新的驱动触发信号，并等待IGBT新的导通延迟时间反馈回来，对比IGBT的新导通延迟时间和提前触发时间，若新导通延迟时间大于提前触发时间，则FPGA继续初级触发补偿阶段，当新导通延迟时间小于提前触发时间时，有源栅极触发时间补偿结束。
[0018]进一步地，所述一个周期内补偿阶段具体步骤如下，
[0019]FPGA内部计数器最先产生计时信号并保持；
[0020]检测回路检测到电压比较器传来的IGBT的信号后，FPGA对反馈电压信号进行处理，记录IGBT电压上升沿与下降沿信号，产生与之对应的上升沿时间信号t
r
和下降沿时间信号t
f
，并存储到FPGA的内部寄存器中；
[0021]当进入到信号触发阶段时，FPGA产生一个触发时间信号t
cmp
并调取之前存储在寄存器中的时间信号，与之前在FPGA中预设的参考信号的上升沿跟下降沿时间进行对比，经过计算产生IGBT的一组导通延时t
on
与关断延时t
off
；
[0022]当下一个周期的触发信号到来时，将导通延时t
on
和关断延时t
off
作为补偿量加入
到每个
[0023]IGBT的周期触发延迟，补偿计算完成后，FPGA输出触发信号给IGBT触发电路，完成一个周期的补偿过程。
[0024]基于FPGA的栅极控制IGBT串联动态均压系统，包括：FPGA本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于FPGA的栅极控制IGBT串联动态均压方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对IGBT集电极和发射级之间的电压U
ce
进行采集，将U
ce
与预定电压U
ref
统一经过电压比较反馈电路并输入到FPGA；S2、FPGA对反馈脉冲信号的上升沿及下降沿进行采样，并将采集到的脉冲时间与新产生的初始触发时间信号进行比对，计算得出IGBT对应延迟时间
△
t，并在初始触发信号的基础上进行时间的加减，得到补偿后的触发信号；S3、开始新的补偿周期并开启下一补偿阶段，其中触发时间补偿策略为多级补偿策略，在串联的各个IGBT之间的动作误差缩小至指定范围后，补偿结束。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的栅极控制IGBT串联动态均压方法，其特征在于：所述步骤S3中补偿策略为两级补偿模式，将每个补偿周期对IGBT触发信号补偿的时间t1记为初级补偿量，将次级触发补偿的补偿量记为每个补偿周期对IGBT触发信号补偿时间t2，并且设置t1>t2，将IGBT导通延时记作t
on
，当t
on
＞t1时，触发时间补偿策略工作在初级补偿阶段，FPGA开始工作将IGBT的初始触发信号时间提前，并产生一个新的触发信号，该触发信号驱动IGBT导通，并等待新的导通延迟时间反馈回来，比较新的导通延迟时间与提前触发信号时间大小，当新的导通延迟时间小于提前触发信号时间时，则初级补偿阶段结束，次级触发补偿阶段开始，反之则继续初级触发补偿阶段。当t1>t
on
>t2时，触发时间补偿策略工作在次级触发补偿，FPGA处理后将IGBT的初始触发信号时间提前，产生新的驱动触发信号，并等待IGBT新的导通延迟时间反馈回来，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈滋健，周君，刘宏飞，
申请(专利权)人：安徽中科海奥电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：