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IGBT變電阻開通策略的研究

文檔作者：李武杰程善美孫得金文檔來源： 1．華中科技大學(xué) 2．武漢征原電氣有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年11月24日
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第48卷第11期
2014年11月
電力電子技術(shù)
Power Electronics
Vo1．48，No．11
November 2014
IGBT變電阻開通策略的研究
李武杰 ，程善美 ，孫得金
(1．華中科技大學(xué)，自動化學(xué)院，湖北武漢430074；2．武漢征原電氣有限公司，湖北武漢430012)
摘要：提出了一種新的驅(qū)動策略來改善絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的開通特性。將短路檢測與變電阻開通結(jié)
合，根據(jù)實際情況選擇兩級變電阻或三級變電阻開通IGBT，同時研究了不同變電阻方式下門極電阻切換的時
刻。實驗結(jié)果驗證了該策略既有三級變電阻開通的優(yōu)勢，又能保證在I類短路的情況下集電極電流的變化率不
至于過大而損壞IGBT。
關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管：變電阻開通；短路檢測
中圖分類號：TN32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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 電感負(fù)載時IGBT的開通特性
IGBT融合了大功率晶體管和絕緣柵場效應(yīng)管
的優(yōu)勢．能承受較高電壓和較大電流，且能工作在
較高的開關(guān)頻率．廣泛應(yīng)用于各種功率變換器。為
滿足高頻條件下IGBT的溫升不至于太大．在設(shè)計
驅(qū)動電路時應(yīng)盡量減小IGBT的開通關(guān)斷時間：為
了保證IGBT不損壞．必須限制開通關(guān)斷時集電極
電流的變化率及關(guān)斷時集電極一發(fā)射極間的電壓
尖峰。文獻(xiàn)【1]采用前饋控制的方法給定合適的驅(qū)
動電壓，通過控制驅(qū)動電壓來取得理想的開通特
性；文獻(xiàn)[2]通過檢測集電極．發(fā)射極電壓值作為反
饋信號，來進(jìn)行變電阻開通關(guān)斷IGBT；文獻(xiàn)[3]通
過向門極注入或抽出電流來改善IGBT的開關(guān)特
性。這些方案在IGBT正常開通關(guān)斷時可取得較理
想的效果，但在IGBT實際應(yīng)用中，需考慮IGBT
出現(xiàn)I類短路情況。為保證IGBT在I類短路時不
致?lián)p壞。必須限制集電極電流變化率。這里提出在
I類短路情況下采用兩級變電阻開通．在其他情
況下采用三級變電阻開通的策略
定稿日期：2014—03—04
作者簡介：李武杰(1989一)，男，湖北孝感人，碩士研究生，
研究方向為電力電子及電力傳動。
70
圖1示出IGBT在正常情況下和I類短路情
況下的波形。
竺
．
一
f“ t2 t3 f4 f
。。、 m,- ? 一’
， Z／ge
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“
，
圖1 IGBT開通波形
Fig．1 Waveforms of IGBT turn—on
IGBT正常開通過程中，在to-t 時段，門極電
壓U 從驅(qū)動負(fù)電壓 Ⅱ充電至IGBT開通閾值電
壓 ，這段時間屬于開通延遲時間，IGBT仍未開
通；在tl-t 時段，集電極電流 開始升高，IGBT進(jìn)
入放大區(qū)，i 與 成正比關(guān)系，而i 的變化在寄
生電感上產(chǎn)生的壓降導(dǎo)致集電極．發(fā)射極電壓
略微下降。當(dāng)續(xù)流二極管上的反向恢復(fù)電流全部
轉(zhuǎn)移至IGBT時，i 上會出現(xiàn)電流尖峰；在t2~t，時
段， 下降，IGBT進(jìn)入米勒平臺，U 保持不變；在
t3~t4時段，IGBT開始進(jìn)入飽和區(qū)，米勒平臺結(jié)束。
“ 充電至驅(qū)動正電壓V ， 也下降至飽和電壓。
IGBT在I類短路開通過程中，在to～t 時段，
IGBT變電阻開通策略的研究
與正常開通時相同；在f t 時段，i 持續(xù)上升至最
大值，U 也持續(xù)上升至V∞，i 的變化在漏感上產(chǎn)
生的壓降導(dǎo)致 明顯下降。在t 時刻，i 上升到
最大值，U 重新回到母線電壓， 上升至 ∞。
對比IGBT正常開通和I類短路開通的動態(tài)
過程，在IGBT短路開通的過程中，未出現(xiàn)米勒平
臺，i。的上升率也遠(yuǎn)大于正常開通時i 的上升率。
3 變電阻開通策略
所提方案是在I類短路情況下采用兩級變電
阻開通，在其他情況下采用三級變電阻開通，該變
電阻開通策略的關(guān)鍵是確定門極電阻切換的時
刻。由圖1a可見，to-t 為IGBT開通延遲時間，為
減小IGBT開通的延遲，采用小電阻開通；t ～t 為
上升時間，為減小d ／ ，采用大電阻開通；t ～￡3
為米勒平臺的持續(xù)時間，為加快 的下降，減小
開通損耗，應(yīng)采用小電阻開通；t3~t4為IGBT由動
態(tài)飽和區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)的時間．為減小IGBT的開通
損耗。應(yīng)采用小電阻開通。
假設(shè)第一次切換電阻的時刻為t ，第二次切
換電阻的時刻為t 。IGBT無論在何種情況下開
通，在to~t 時段的過程相同，為減小開通延遲時
間，可設(shè) 。=t。。有兩種方法可得t 的值，一種利用
IGBT的行為模型f41，計算得tl=R (C +C )ln[V ／
( 一 )】，其中尺 為門極驅(qū)動電阻；另一種方法
通過實驗波形直接得到t，。
t 時刻后IGBT在正常開通和短路開通的過
程不同，故設(shè)置 需同時考慮以下幾種情況。在
正常開通時為減小d 。／ ，設(shè)t~z>t：；在正常開通時
為減小開通損耗，設(shè) 盡量??；短路開通時為減
小 ／ ，設(shè)t~2>t ，考慮實際情況，短路開通時切
換第三級電阻無益處，而在t 時刻，IGBT集電極
電流達(dá)到最大值，u 也達(dá)到母線電壓，IGBT處于
非正常工作狀態(tài)，這時切換門極電阻帶來的干擾
威脅著IGBT的安全，故所采取的策略是在短路開
通時不進(jìn)行第三級變電阻開通。為達(dá)到該目的，t
時刻應(yīng)設(shè)置在I類短路檢測時刻之后。下面介紹
兩種不同的方法檢測短路及相應(yīng)設(shè)置 [5】。
(1)采用di／dt方案檢測I類短路
di／dt短路檢測方案通過檢測IGBT的e極和
pe極間的電壓判斷是否發(fā)生I類短路。在I類短
路條件下開通IGBT，i 的上升率遠(yuǎn)大于正常開通
時i 的上升率．而e極與pe極間存在寄生電感
， 故 。 = Id c／出。當(dāng)檢測到u > 時，則判定發(fā)
生了I類短路。采用該方法可在 ～ 間檢測到I類
短路，并且 越小檢測到短路的時刻越超前。假
設(shè)采用di／dt方案檢測到I類短路的時刻為t 則
可設(shè)t~2=t +At，At的作用是提高系統(tǒng)的容錯能力。
(2)采用 方案檢測I類短路
短路檢測方案是在IGBT獲得開通信號
后，延伸一段盲區(qū)時間t 之后再檢測 ，若檢測
到 > ，則判斷發(fā)生了I類短路。 越大，t
越短，檢測到短路的時刻越超前。采用 方案
檢測到I類短路的時刻為tb，則可設(shè)置 = +At。
在實際應(yīng)用中通過判斷t 的大小來決定是
否進(jìn)行第三級變電阻。
4 實驗結(jié)果
實驗平臺如圖2所示，實驗選用CM900HG一
90H型IGBT，母線電壓 =2．7 kV，雙脈沖實驗
時選擇負(fù)載電感L=333 H，I類短路時用短路片
替換負(fù)載電感，II類短路時選擇4 H的負(fù)載電
感。K用于手動控制FPGA信號發(fā)生板向驅(qū)動板a
產(chǎn)生驅(qū)動信號．驅(qū)動板b用于恒關(guān)斷下管IGBT。
圖3示出IGBT在不同情況下的實驗波形。
堙
≥
CD
景
圖2 實驗平臺結(jié)構(gòu)
Fig．2 Experimental platform structure
(a)采用兩級變電阻的雙脈沖開通波形
t／(5 s／格)
(c)采用兩級變電阻的I類短路波形
蛙
垂至
>
0 ·
萼爹
In
盎
難
≥
0
8
≈
蛙
>
8
重
暈
堂
蛙
≥
(d)采用所提方案的I類短路波形
'
”ce
／ 『1
f。＼
(e)采用兩級變電阻的II類短路波形 (f)采用所提方案的II類短路波形
圖3 實驗波形
Fig．3 Experimental waveforms
71
第48卷第11期
2014年l1月
電力電子技術(shù)
Powq：r Electronics
Vo1．48，No．11
November 2014
對比圖3a．b參數(shù)如表1所示．采用三級變電
阻方案時，米勒平臺持續(xù)時間短，IGBT進(jìn)入飽和
區(qū)的時問短，故開通損耗??；對比圖3c，d參數(shù)如
表2所示，兩種情況下參數(shù)相同，說明在所提方案
下發(fā)生I類短路時，并未進(jìn)行第三級變電阻開通：
對比圖3e。f參數(shù)如表3所示，說明所提方案在檢
測Il類短路時，檢測時刻比較超前，但由于在開
通時U 上升快，在檢測到短路時 相對于兩級
變電阻方案的u 較高，故i。的最大值相對略大。
表1 正常開通時參數(shù) b較
Table 1 Parameters compared when normal turn—on
表2 I類短路時參數(shù)比較
Table 2 Param eters compared when short circuit I
表3 Ⅱ 類短路時參數(shù)比較
Table 3 Param eters compared when short circuit II
5 結(jié) 論
對IGBT在不同工作狀態(tài)下進(jìn)行動態(tài)分析，在
正常開通和短路開通時采取不同的變電阻開通
方案．通過實驗驗證了該變電阻開通方案的可行
性。該方案具有三級變電阻開通的優(yōu)勢，且不影響I
類短路時IGBT的開通特性，在II類短路時的開
通特性基本相同，在工程實踐中具有一定的實用性。
參考文獻(xiàn)
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(上接第67頁)
5 實 驗
PWM整流器實驗裝置參數(shù)：電網(wǎng)電壓220 V／
50 Hz，交流側(cè)電感1．5 mH，直流側(cè)電容10 000 ，
輸出電壓650 V，輸出功率40 kW，開關(guān)頻率15 kHz。
開關(guān)管為FZ400R12KS4型大功率IGBT，承受反壓
1 200 V，額定電流400 A。圖3為實驗波形。
r／(10 ms／格)
(a)穩(wěn)定運行時tga，ia
i 《
? 輪■ -．- ． _’
” ? ? ? ：
72
萼萋
墾
iUdd j f ； i
i j 。 黔 -
： !；ij j；． 一漩
t／(1 0 ms／格) t／(40 ms／格)
(b)穩(wěn)定運行時Udc，ia (c)系統(tǒng)窄載到滿載時％ ，ia
圖3 實驗波形
Fig．3 Experimental waveforms
可見，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，網(wǎng)側(cè)電流波形正弦化，
功率因數(shù)接近1， 能準(zhǔn)確達(dá)到電壓給定值，電壓
穩(wěn)定，紋波??；系統(tǒng)突加負(fù)載時，電流響應(yīng)快速，電
壓波動小，抗負(fù)載擾動性和動態(tài)調(diào)節(jié)性良好。
6 結(jié) 論
基于該復(fù)合控制方法的系統(tǒng)動、靜態(tài)性能較
好，實現(xiàn)了三相整流器電壓、電流解耦控制及輸入
電流正弦化，魯棒性好，功率因數(shù)高、諧波含量小
和輸出電壓穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)
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