导航：安全管理网>> 安全论文>> 电力安全论文>>正文

IGBT变电阻开通策略的研究

文档作者：李武杰程善美孙得金文档来源： 1．华中科技大学 2．武汉征原电气有限公司		点击数：	更新时间： 2024年11月24日
下载地址：点击这里	文件大小： 234.50 KB 共3页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共3页]

本文件共3页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：234.50 KB 共3页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

上一篇：本质安全电阻性电路火花放电的计算法

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

第48卷第11期
2014年11月
电力电子技术
Power Electronics
Vo1．48，No．11
November 2014
IGBT变电阻开通策略的研究
李武杰 ，程善美 ，孙得金
(1．华中科技大学，自动化学院，湖北武汉430074；2．武汉征原电气有限公司，湖北武汉430012)
摘要：提出了一种新的驱动策略来改善绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开通特性。将短路检测与变电阻开通结
合，根据实际情况选择两级变电阻或三级变电阻开通IGBT，同时研究了不同变电阻方式下门极电阻切换的时
刻。实验结果验证了该策略既有三级变电阻开通的优势，又能保证在I类短路的情况下集电极电流的变化率不
至于过大而损坏IGBT。
关键词：绝缘栅双极型晶体管：变电阻开通；短路检测
中图分类号：TN32 文献标识码：A 文章编号：1000—100X(2014)11-0070—03
Research on Variable Turn．on Resistors Tactics fbr IGBT
U Wu— ie ，CHENG Shan．mei ，SUN De-jin
(1．Huazhong University ofScience and Technology，Wuhan 430074，China)
Abstract：A novel insulated gete bipolar transistor(IGBT)gate driver method to improve the turn—on performance of
IGBT is presented．Sh0rt circuit detection with conventional variable gate on resistors are combined．two-level or three—
level variable turn-on resistors are chosen based on actual situation，and the switching time for diferent ways of vari—
able turn-on resistors is studied．Experimental results prove that the proposed method has the advantage of three—level
variable turn—on resistors，as well as ensures di ／dt won’t be too large to break IGBT in shoa circuit situation．
Keywords：insulated gete bipolar transistor；variable gate on resistors；short circuit detect
1 引 言 2 电感负载时IGBT的开通特性
IGBT融合了大功率晶体管和绝缘栅场效应管
的优势．能承受较高电压和较大电流，且能工作在
较高的开关频率．广泛应用于各种功率变换器。为
满足高频条件下IGBT的温升不至于太大．在设计
驱动电路时应尽量减小IGBT的开通关断时间：为
了保证IGBT不损坏．必须限制开通关断时集电极
电流的变化率及关断时集电极一发射极间的电压
尖峰。文献【1]采用前馈控制的方法给定合适的驱
动电压，通过控制驱动电压来取得理想的开通特
性；文献[2]通过检测集电极．发射极电压值作为反
馈信号，来进行变电阻开通关断IGBT；文献[3]通
过向门极注入或抽出电流来改善IGBT的开关特
性。这些方案在IGBT正常开通关断时可取得较理
想的效果，但在IGBT实际应用中，需考虑IGBT
出现I类短路情况。为保证IGBT在I类短路时不
致损坏。必须限制集电极电流变化率。这里提出在
I类短路情况下采用两级变电阻开通．在其他情
况下采用三级变电阻开通的策略
定稿日期：2014—03—04
作者简介：李武杰(1989一)，男，湖北孝感人，硕士研究生，
研究方向为电力电子及电力传动。
70
图1示出IGBT在正常情况下和I类短路情
况下的波形。
竺
．
一
f“ t2 t3 f4 f
。。、 m,- ⋯ 一’
， Z／ge
l
“
，
图1 IGBT开通波形
Fig．1 Waveforms of IGBT turn—on
IGBT正常开通过程中，在to-t 时段，门极电
压U 从驱动负电压 Ⅱ充电至IGBT开通阈值电
压 ，这段时间属于开通延迟时间，IGBT仍未开
通；在tl-t 时段，集电极电流 开始升高，IGBT进
入放大区，i 与 成正比关系，而i 的变化在寄
生电感上产生的压降导致集电极．发射极电压
略微下降。当续流二极管上的反向恢复电流全部
转移至IGBT时，i 上会出现电流尖峰；在t2~t，时
段， 下降，IGBT进入米勒平台，U 保持不变；在
t3~t4时段，IGBT开始进入饱和区，米勒平台结束。
“ 充电至驱动正电压V ， 也下降至饱和电压。
IGBT在I类短路开通过程中，在to～t 时段，
IGBT变电阻开通策略的研究
与正常开通时相同；在f t 时段，i 持续上升至最
大值，U 也持续上升至V∞，i 的变化在漏感上产
生的压降导致 明显下降。在t 时刻，i 上升到
最大值，U 重新回到母线电压， 上升至 ∞。
对比IGBT正常开通和I类短路开通的动态
过程，在IGBT短路开通的过程中，未出现米勒平
台，i。的上升率也远大于正常开通时i 的上升率。
3 变电阻开通策略
所提方案是在I类短路情况下采用两级变电
阻开通，在其他情况下采用三级变电阻开通，该变
电阻开通策略的关键是确定门极电阻切换的时
刻。由图1a可见，to-t 为IGBT开通延迟时间，为
减小IGBT开通的延迟，采用小电阻开通；t ～t 为
上升时间，为减小d ／ ，采用大电阻开通；t ～￡3
为米勒平台的持续时间，为加快 的下降，减小
开通损耗，应采用小电阻开通；t3~t4为IGBT由动
态饱和区进入饱和区的时间．为减小IGBT的开通
损耗。应采用小电阻开通。
假设第一次切换电阻的时刻为t ，第二次切
换电阻的时刻为t 。IGBT无论在何种情况下开
通，在to~t 时段的过程相同，为减小开通延迟时
间，可设 。=t。。有两种方法可得t 的值，一种利用
IGBT的行为模型f41，计算得tl=R (C +C )ln[V ／
( 一 )】，其中尺 为门极驱动电阻；另一种方法
通过实验波形直接得到t，。
t 时刻后IGBT在正常开通和短路开通的过
程不同，故设置 需同时考虑以下几种情况。在
正常开通时为减小d 。／ ，设t~z>t：；在正常开通时
为减小开通损耗，设 尽量小；短路开通时为减
小 ／ ，设t~2>t ，考虑实际情况，短路开通时切
换第三级电阻无益处，而在t 时刻，IGBT集电极
电流达到最大值，u 也达到母线电压，IGBT处于
非正常工作状态，这时切换门极电阻带来的干扰
威胁着IGBT的安全，故所采取的策略是在短路开
通时不进行第三级变电阻开通。为达到该目的，t
时刻应设置在I类短路检测时刻之后。下面介绍
两种不同的方法检测短路及相应设置 [5】。
(1)采用di／dt方案检测I类短路
di／dt短路检测方案通过检测IGBT的e极和
pe极间的电压判断是否发生I类短路。在I类短
路条件下开通IGBT，i 的上升率远大于正常开通
时i 的上升率．而e极与pe极间存在寄生电感
， 故 。 = Id c／出。当检测到u > 时，则判定发
生了I类短路。采用该方法可在 ～ 间检测到I类
短路，并且 越小检测到短路的时刻越超前。假
设采用di／dt方案检测到I类短路的时刻为t 则
可设t~2=t +At，At的作用是提高系统的容错能力。
(2)采用 方案检测I类短路
短路检测方案是在IGBT获得开通信号
后，延伸一段盲区时间t 之后再检测 ，若检测
到 > ，则判断发生了I类短路。 越大，t
越短，检测到短路的时刻越超前。采用 方案
检测到I类短路的时刻为tb，则可设置 = +At。
在实际应用中通过判断t 的大小来决定是
否进行第三级变电阻。
4 实验结果
实验平台如图2所示，实验选用CM900HG一
90H型IGBT，母线电压 =2．7 kV，双脉冲实验
时选择负载电感L=333 H，I类短路时用短路片
替换负载电感，II类短路时选择4 H的负载电
感。K用于手动控制FPGA信号发生板向驱动板a
产生驱动信号．驱动板b用于恒关断下管IGBT。
图3示出IGBT在不同情况下的实验波形。
堙
≥
CD
景
图2 实验平台结构
Fig．2 Experimental platform structure
(a)采用两级变电阻的双脉冲开通波形
t／(5 s／格)
(c)采用两级变电阻的I类短路波形
蛙
垂至
>
0 ·
萼爹
In
盎
难
≥
0
8
≈
蛙
>
8
重
晕
堂
蛙
≥
(d)采用所提方案的I类短路波形
'
”ce
／ 『1
f。＼
(e)采用两级变电阻的II类短路波形 (f)采用所提方案的II类短路波形
图3 实验波形
Fig．3 Experimental waveforms
71
第48卷第11期
2014年l1月
电力电子技术
Powq：r Electronics
Vo1．48，No．11
November 2014
对比图3a．b参数如表1所示．采用三级变电
阻方案时，米勒平台持续时间短，IGBT进入饱和
区的时问短，故开通损耗小；对比图3c，d参数如
表2所示，两种情况下参数相同，说明在所提方案
下发生I类短路时，并未进行第三级变电阻开通：
对比图3e。f参数如表3所示，说明所提方案在检
测Il类短路时，检测时刻比较超前，但由于在开
通时U 上升快，在检测到短路时 相对于两级
变电阻方案的u 较高，故i。的最大值相对略大。
表1 正常开通时参数 b较
Table 1 Parameters compared when normal turn—on
表2 I类短路时参数比较
Table 2 Param eters compared when short circuit I
表3 Ⅱ 类短路时参数比较
Table 3 Param eters compared when short circuit II
5 结 论
对IGBT在不同工作状态下进行动态分析，在
正常开通和短路开通时采取不同的变电阻开通
方案．通过实验验证了该变电阻开通方案的可行
性。该方案具有三级变电阻开通的优势，且不影响I
类短路时IGBT的开通特性，在II类短路时的开
通特性基本相同，在工程实践中具有一定的实用性。
参考文献
【1】P J Grbovie．An IGBT Gate Driver for Feed—forward Con．
trol of Turn-on Losses and Reverse Recovery Current[J]．
IEEE Trans．On Power Electronics，2008，23(2)：643-652．
【2] Chen Lihua，F Z Peng．Closed Loop Gate Drive for High
Power IGBTs[A]．Twenty—fourth Annual IEEE APECE[C]．
2009：1331—1337．
【3】 Wang Zhiqiang，Shi Xiaojie，Xue Yang，et a1．A Gate
Drive Circuit of High Power IGBTs for Improved Turn—
Oil Characteristics Under Hard Switching Conditions[A】．
IEEE 13th W orkshop on Control and Modeling for Pow—
er Electronics(COMPEL)[C】．2012：1—7．
【4] Katya Aspamhova，Tsvetana Grigorova．IGBT Behavioral
PSPICE Model『A1．25th International C0nference on Mic．
meleetronics[C]．2006：203—206．
【5】F Huang，F Flett．IGBT Fault Protection Based on di／dt
Feedback Contml[A]．IEEE Power Electronics Specialists
Conference[C]．2007：1478-1484．
(上接第67页)
5 实 验
PWM整流器实验装置参数：电网电压220 V／
50 Hz，交流侧电感1．5 mH，直流侧电容10 000 ，
输出电压650 V，输出功率40 kW，开关频率15 kHz。
开关管为FZ400R12KS4型大功率IGBT，承受反压
1 200 V，额定电流400 A。图3为实验波形。
r／(10 ms／格)
(a)稳定运行时tga，ia
i 《
⋯ 轮■ -．- ． _’
” ⋯ ⋯ ⋯ ：
72
萼萋
垦
iUdd j f ； i
i j 。 黔 -
： !；ij j；． 一漩
t／(1 0 ms／格) t／(40 ms／格)
(b)稳定运行时Udc，ia (c)系统窄载到满载时％ ，ia
图3 实验波形
Fig．3 Experimental waveforms
可见，系统稳定运行时，网侧电流波形正弦化，
功率因数接近1， 能准确达到电压给定值，电压
稳定，纹波小；系统突加负载时，电流响应快速，电
压波动小，抗负载扰动性和动态调节性良好。
6 结 论
基于该复合控制方法的系统动、静态性能较
好，实现了三相整流器电压、电流解耦控制及输入
电流正弦化，鲁棒性好，功率因数高、谐波含量小
和输出电压稳定。
参考文献
【1】 张崇巍，张 兴．PWM整流器及其控制【M]．北京：机械
工业出版社．2003．
【2】Silva J F．Sliding-mode Control of Boost—type Unity pow—
er factor PWM Rectifiers[J]．IEEE Trans．on Industrial E1一
ectronics(S0278—0046)，1999，46(3)：594—603．
[3] 胡跃明．非线性控制系统理论与应用【M】．北京：国防
工业出版社．2005．
【4】 张志，谢运祥，乐江源，等．基于滑模电压控制的
PWM整流器研究[J]．电气传动，2009，39(10)：35—37．

网友评论 more

电力安全论文最新内容

11-24