[发明专利]一种准确控制IGBT峰值电压改善开关特性的栅极驱动方法

说明书

本发明公开了属于电力电子技术领域的一种准确控制IGBT峰值电压改善开关特性的栅极驱动方法，首先通过峰值电压检测与数字化电路来准确采样到每次关断瞬态IGBT端电压峰值，再将其数字化，得到了与实际峰值电压v_PK成确定比例关系的数字量，最后将该数字量输出到驱动板上现场可编程逻辑门阵列FPGA；FPGA芯片将该数字量与参考值V_ref对应的数字量作比例‑积分PI运算，产生PI调节器所得的IGBT关断瞬态di_C/d t阶段的驱动电压，并在关断瞬态di_C/d t阶段施加到IGBT栅极；本发明实现不同负载电流下对v_PK的控制和更低的关断延迟和关断损耗；且适应工况变化的；这种控制方法比已有的v_PK控制方法的精度都高。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种准确控制IGBT峰值电压改善开关特性的栅极驱动方法，具体说是一种对v_PK施加直接采样和控制的自调节峰值控制栅极驱动方法。

背景技术

IGBT器件关断瞬态端电压峰值直接影响了器件、系统的安全运行与可靠性，准确控制端电压峰值对于提高母线电压以及IGBT利用率，拓宽器件安全工作区，进而提高器件功率处理能力都有显著的意义。

关断瞬态端电压峰值与母线电压，管电流下降速度，换流回路杂散电感大小这三个因素成正相关关系：其表达式如式(1)，其中v_PK为IGBT关断瞬态端电压峰值，V_bus为直流母线电压，v_os为关断瞬态端电压过冲，L_S为换流回路杂散电感，di_C/dt为管电流下降速度。于是相应地，目前对端电压峰值进行控制的措施主要有两种：调整主电路；采用主动栅极控制。

v_PK＝V_bus+vo_s＝V_bus+L_S|di_C/dt| (1)

调整主电路中的典型做法就是优化母排结构以降低换流回路杂散电感，最终实现对关断瞬态端电压的控制，但是从可行性和成本的角度出发，母排杂散电感一般无法降得太低。于是为了实现对端电压峰值的精确控制，就需要从驱动侧的控制着手。目前很多栅极驱动方法都是通过调节关断瞬态管电流下降速度来控制端电压峰值。为了调节di_C/dt，现有的一部分驱动方法，通过施加预设的驱动量来间接控制di_C/dt；其余的驱动方法则是直接采样并控制斜率di_C/dt。这两种方式虽然可以明显抑制端电压峰值，但是由于不能直接对端电压峰值施加采样和控制，因此它们对端电压峰值的控制是不准确的，且无法适应换流工况变化(工况包括：母线电压、负载电流、半导体器件结温、换流回路杂散电感等)。与这两种间接和直接控制di_C/dt的方法不同，也有一种更为有效的混合型驱动方法(HybridActive Gate Drive，HAGD方法)可以直接对端电压峰值进行采样和抑制，且当端电压峰值超过它的参考值V_ref时，才会对其施加抑制，图1示出了HAGD方法抑制端电压峰值的示意图。

从图1可以看到，当端电压超过参考值V_ref时，压控电流源VCCS会被触发，从而向IGBT栅极注入额外电流i_OPC，从而减缓IGBT管电流下降速度，实现对端电压峰值的抑制。i_OPC的表达式如式(2)所示，其中系数α是图1中VCCS的增益。显然，由于对端电压峰值进行了直接的采样和抑制，HAGD方法比直接或间接控制di_C/dt的方法更能适应工况变化。但是，如果管电流下降速度快，那么端电压峰值超过参考值V_ref，i_OPC将会存在甚至有较大幅值。于是根据式(2)，抑制后的端电压峰值仍然会超过甚至显著超过参考值V_ref。