IGBT串联应用中动态过压的控制_李勇

华南理工大学学报(自然科学版)第34卷第1期Journa l o f South C hina U niversity o f Techno l o g y

V o.l 34 N o.12006年1月

(N atura l Science Editi o n)

January 2006

文章编号:1000-565X (2006)01-0043-05

收稿日期:2005-04-01

*基金项目:国家科技攻关计划资助项目(2001BA 204B01);辽宁省科技攻关计划资助项目

作者简介:李勇(1976-),男,博士生,主要从事工业过程先进控制技术的应用研究.E -m a i :l leeyon2004@yahoo

I G BT 串联应用中动态过压的控制

*

李 勇 邵 诚

(大连理工大学先进控制技术研究所,辽宁大连116024)

摘 要:对高压大功率变流设备中绝缘栅双极型晶体管(I G BT)串联应用的动态过压问题进行了研究,提出了一种基于磅磅控制原理的快速反馈控制方法对器件端压进行控制,以抑制串联器件间的动态过压.根据控制回路的特点,设计了一种实用的反馈信号交互电路,该电路可以为串联I G BT 提供及时、准确的开关信号.将所提出的方法应用于交流感应电机的变频控制,结果表明,该控制方法具有较高的控制精度和较快的响应速度,可以满足实际需要,所设计的反馈交互等电路具有良好的可拓展性.关键词:动态过压;绝缘栅双极型晶体管;快速反馈控制;自反馈中图分类号:TN 386.2 文献标识码:A

高压大功率线路中,要求功率器件具有较高的耐压值,而单一器件往往很难满足这一要求.直接串联使用功率开关器件为解决该问题提供了一种简单有效的方法.它不仅保证了功率器件的变换效率,减小系统尺寸,还拓宽器件的应用领域.例如晶闸管和门控可关断晶闸管(GTO)器件的串联形式,已被应用于高压直流电路(HVDC )、静态可变补偿器和高压逆变器等设备中.然而,晶闸管等传统器件存在功率损耗大和开关速度慢等缺点,导致了它们无法在日益受到重视的P WM 变流装置中得到应用.

I GBT 是20世纪80年代初出现的一种新型半导体功率器件,它不仅具有电压控制输入特性、低阻通态输出特性,还具有高输入阻抗、电压驱动、无二次击穿和安全工作区宽等优点,可以在众多领域

[1-2]

替代GTR 和功率MOSFET 等器件.同时,由于它的结构特性,决定了它具有高速开关的能力,可以满足P WM 变流技术

[3]

的要求.应用I G B T 的P WM 变流

器具有如下特点:(1)较高的系统工作频率;(2)电

路结构更紧凑;(3)缓冲电路的功率损耗减小;(4)驱动电路简单.

然而,I G BT 耐压值低的缺点,限制了它在需求日益增多的高压设备中的应用,尽管一些厂家研制了高压I GBT ,但其只能在一定程度上解决耐高压的问题,应用范围有限.I G B T 串联使用是一种较为有效的提高耐压的方法.理论上,在I G BT 器件参数、触发时间相同的情况下,根据相应的耐压值,可以将任意多的器件进行串联使用以满足实际需要,而且

同为提高耐压的方法,器件直接串联所构成的变流电路远比多重化和多电平等方法简单.然而,由于结构的特殊性以及触发装置的误差,实际应用中串联器件之间会产生动态电压不均的问题,这将导致过电压而大大影响器件的使用寿命和电路的工作效率,损坏设备,造成经济损失.本文针对I GBT 串联使用中的动态过压问题进行了分析,提出了一种基于磅磅控制的快速反馈控制方法,并针对该方法设计了一种有效的反馈信号交互电路.

1 I GBT 过压均衡措施

通常,对于I GBT 的串联使用可以采取以下措施来抑制端电压过冲:(1)驱动电路的设计应保证触发的同时性,因为当触发信号的延迟能限制在0.3L s 以内时,不会引起严重的失衡过电压问题

[4]

.

(2)系统设计工艺要讲究,以避免电路分布参数带来的影响.另外,在主电路结构上尽量采用对称形式.(3)对多级串联系统,可对驱动信号实行动态电压均衡控制,尽可能减少其开通和关断的延时.

目前,基于以上三方面的考虑,已有了一些相应的解决方案.例如/门极均衡核心0[5]

方法,门极电

压倾斜控制方法[6]

,但是,这些方法存在工作频低、

管耗和能耗大的缺点.在开关瞬间采用数字无差拍

控制均压

[7-8]

也是一种好的方法,但这种控制方式

需要传感器、模数转换器等器件,因此会有较大的延时,并且控制是离散的.为了减少延时,传感器部分和控制部分必须选用快速器件,因而不适用于实际需要.门极电流脉冲控制

[9]

是一种直接均压的方

法,其控制效果非常好,控制路径小,功率损耗小,在控制瞬间电压过冲小.但是由于控制的过渡过程是由控制器结构决定的,因此在可变负载情况下无法产生精确的门极脉冲数.同时,这种控制需为门极提供一个离散的充电脉冲,因此无法响应连续的过电压.

2 I GBT 串联过压的快速反馈控制

现有抑制串联过压的方法大都以维持串联器件间电压平均为出发点,这在非过压情况下是不必要的,还会增加控制的复杂性和运行能耗,降低电路工作速度.本文提出了一种更为有效的快速反馈控制方法,以在良好解决变流电路换相过程中开关器件端压过冲问题的同时,满足应用P WM 技术所需的高开关速度,并尽量降低静态及动态损耗.

2.1 原理及特点分析

设计中,首先考虑了电路各部分的数学特性.其中,负载可等价为感性的一阶惯性环节,主要的受控器件I GBT 的动态数学模型可由文献[10]得到,检测和比较环节可等价为比例环节.同时,对系统的一部分非线性环节进行了定性分析,因为它们具体的定量数学模型很难确定,而此问题可以在电路仿真过程中通过在线调整相关参数而得到解决. 为简单明确起见,文中以两支I G BT 串联为例,结构见图1.为每支I GBT 并联了一个10k 8的电阻以保证串联I G BT 的静态均压,这是因为关断时由于串联的两支I GBT 的静态参数不同引起它们阻断电阻不同从而造成静态不均压.I G B T 并上电阻后,由于其关断电阻值远大于并联电阻,所以两支I G BT 的端压按等效并联电阻阻值分配.这可根据式(1)

计算得到.

R =

1

1/R bl +1/R off

(1)

式中:R off 为I GBT 关断电阻,R b l 为与I GBT 并联的外接电阻.当R o ff m R b l 时,R U R b l .因为两个并联部分的等效电阻相等,所以达到了平衡静态电压的目的.并联电阻的选取是在满足不等式关系基础上,尽量选择较大的阻值以减小电路在关断时的漏电流和减少静态损耗.

图1 主电路结构图F i g .1 M a i n c ircuit structure

控制回路的作用是保证主电路中串联I G BT 在动态换相过程中保持端压平衡.其设计的基本思路是通过加入反馈回路对I GBT 的端电压进行控制,

使其不超过I GBT 所能承受的上限电压.具体控制过程见图2,从主电路中分别取两支I G BT 的端电压,与给定的上限电压进行比较,当某I G B T 所承受的电压大于上限电压时,比较所得结果将输入控制器,并由控制器产生控制脉冲送给I G B T 的触发门,使产生过压的I G BT 短暂地开通或关断,以降低其端压,避免损坏.

图2 IGBT 端压控制原理

F i g .2 Contro l pr i nciple of I GBT .s vo ltag e

控制器发出的各控制脉冲幅值应仔细选择,自反馈正向驱动脉冲(使器件趋向开通的脉冲)幅值应大于互反馈反向驱动脉冲和触发器的触发脉冲幅值;而互反馈反向驱动脉冲(使器件趋向关断的脉冲)幅值应小于自反馈脉冲,但要大于或等于触发器的触发脉冲幅值,因为在I G BT 关断过程中,自反馈起主导作用,所以自反馈脉冲强于互反馈信号才能使控制器正常工作.开通时,因为I GBT 开关速度受门信号影响极小,因此自反馈信号加快器件开通作用很小,而互反馈信号是控制作用的关键,所以其

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