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IGBT串联有源自适应电压平衡控制技术

www.p-e-china.com 2017/6/26 15:28:10 来源:互联网 电力电子论坛|免费发布产品

摘 要:目前柔性直流输电技术正朝着更高电压、更大容量方向发展,由于绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)电容及容量的限制,往往需要采用IGBT串联技术,在实际工程中IGBT串联阀的可靠性及效率则尤为重要,针对IGBT串联阀可靠性及效率高的要求本文提出了IGBT串联有源自适应电压平衡控制技术。首先本文分析了IGBT及二极管串联电压不平衡机理,提出了IGBT串联有源自适应电压平衡控制技术,分析该控制技术的基本原理及方法,最后通过Saber仿真和试验对其进行了验证,实验结果表明IGBT串联有源自适应电压平衡控制技术能够有效地实现IGBT串联电压平衡及损耗最优控制。   关键词:柔性直流输电; IGBT;串联均压;有源自适应控制;   0 引言   随着电力电子技术的进步和发展,柔性直流输电在解决远距离,大容量输电,新能源分布式电源接入,以及特大型交直流混合电网面临的诸多问题时都将展现出其特有的优势。作为新一代直流输电技术,柔性直流输电为电网输电方式的变革和构建未来电网提供了有效的解决方案,将在提高电网的整体经济效益及促进经济社会的可持续发展等方面发挥重要作用[1]。   随着全球能源互联网概念的提出,柔性直流输电也将朝着更高电压等级、更大容量方向发展。为了满足电力系统高压领域应用需求,往往采用器件或者集成组件的串联、级联技术。   采用IGBT直接串联的换流阀技术具有结构紧凑、成本低、占地面积小、控制简单的优点[2];采用换流单元级联的模块化多电平换流阀技术具有模块化程度高,安装维护方便等优点;而采用器件串联与换流单元级联的换流阀技术是目前高压大容量换流器发展的方向,很好的解决了高压环境下,IGBT器件串联数增大带来的应力高、均压难及子单元串联数量大、控制复杂的问题。因此IGBT串联技术仍然是未来超特高压直流输电的核心技术之一。   在基于晶闸管的特高直流输电中,往往采用RC阻尼回路解决晶闸管串联的电压平衡问题,但是IGBT开关速度快、工作频率高,采用RC阻尼均压方案效率较低,在实际工程中可行性较差,因此需要通过先进的栅极控制实现IGBT串联电压平衡[3]。   文献[4,5]提出了同步控制技术,瞬时电压平衡控制器通过对提前开关的开关管进行一定开通关断的延时控制,使各管电压相等。这个控制器可以采用数字离散化,保证每个开关信号同步。文献[6]提出了通过增强密勒效应来实现动态均压的方法,如果串联支路的某个开关管提前关断,被预充电后的电容就会给开关管注入一个正的脉冲,从而让电压均衡的承受在每个开关管上。文献[7]提出的有源电压控制方法让串联的每个开关管在动态过程中集电极-发射极电压都跟随同一个基准信号,因此集电极-发射极电压的变化并不取决于器件而是取决于参考波形。目前上述方法都能有效地实现IGBT串联电压平衡,但是在实际工程中IGBT开关损耗的优化也十分重要,本文提出的有源自适应电压平衡控制策略,在最大程度降低IGBT开关损耗的基础上实现电压平衡。   1 IGBT串联电压不平衡分析   IGBT串联电压不平衡分为静态电压不平衡及动态电压不平衡,而由于IGBT开关速度较快,因此动态电压不平衡是IGBT串联需要解决的核心问题,同时与IGBT反并联的续流二极管的电压平衡控制也是串联需要考虑的重要问题。造成IGBT串联电压不平衡因素主要分为以下五类:   (1)IGBT漏电流不一致   IGBT漏电流的差异性将导致IGBT断态阻抗的不一致,而IGBT关断后,由于串联器件中流过的漏电流是相同的,因此不同的断态阻抗会造成IGBT的静态电压不均衡,器件的结温同样会影响静态均压[8]。   (2)驱动信号的不一致和驱动电路参数的差异   驱动信号的不一致和驱动电路参数(例如栅极电阻)的差异,将导致IGBT栅极驱动信号的不同步,从而极大地影响了IGBT集电极-发射极电压的平衡。关断时,先关断的器件会产生很高的过电压,同理开通时滞后导通的器件也会承受较高过电压[9]。   (3)IGBT本身寄生参数的离散性   器件寄生电感、寄生电容等特性不一致,会导致不同的开关特性和电压尖峰,串联IGBT在关断过程中,关断速度较快的器件要承受很高的过电压,开通过程中导通较慢的器件也会承受较高过电压[10]。   (4)IGBT串联阀杂散参数   IGBT驱动及器件本身对地及相互之间的杂散电容会导致IGBT在开关延迟及dv/dt出现明显的差异,造成IGBT动态电压不平衡。   (5)反向二极管恢复特性的差异   IGBT内部通常反并联一个快恢复二极管,在感性负载情况下,IGBT的开通与电感续流二极管之间存在一个换流过程。由于二极管的反向恢复问题,在IGBT开通瞬间,会在续流二极管两端产生过电压。同时由于二极管反向恢复电荷的差异性,串联二极管关断时将会出现电压的差异,这也将导致二极管过电压。而二极管两端的过电压即IGBT的过电压。   2 有源自适应电压平衡控制策略   通过文献[]可知,IGBT开关过程中的延迟时间td及电压变化率dv/dt,如公式(1)(2)所示   
    通过调节IGBT栅极电压,能够有效地控制IGBT开关过程中的延迟时间td及电压变化率dv/dt,实现IGBT串联电压平衡。有文献提出的有源电压控制,通过闭环控制让IGBT集射极电压VCE快速跟随参考电压Vref。当IGBT端电压高于给定电压时,产生正门极电压信号开通IGBT;当IGBT端电压低于给定电压时,产生负门极电压信号关断IGBT,通过这种闭环控制使得与IGBT集射级电压能快速跟随Vref。   
    Vref分为预关断、主关断、断态、预开通、主开通及通态六个阶段,结合公式可知,Vref各个阶段参数的设计将直接影响IGBT串联电压平衡度及开关损耗。预开关及主开关时间越长,IGBT电压平衡控制度越高,但IGBT开关损耗则相应增加;若预开关及主开关时间过短,则IGBT电压平衡度则较差。因此需要在开关损耗与IGBT串联电压平衡度中寻找最优的Vref。   本文提出有源自适应电压平衡控制策略,在有源电压控制基础上根据IGBT串联电压平衡度优化Vref,如图所示有源自适应电压平衡控制主要由两个闭环反馈回路构成:IGBT集射级电压闭环控制IGBT集电极-发射极电压Vce快速跟随参考电压Vref;IGBT集电极-发射极电压闭环优化参考波形Vref的预开关及主开关时间,优化示意图如图所示。   
    
    3仿真及实验验证   3.1 仿真验证   针对有源自适应电压平衡控制,在BOOST电路上开展两只IGBT串联仿真研究。仿真条件:IGBT关断电压400V,IGBT通态电流180A,串联阀臂杂散电感100nH,IGBT开关频率1kHz,Vref预关断时间初值1µs,Vref主关断时间初值1.5µs。   如图所示,为在不优化Vref下两只IGBT电压及电流波形,由于Vref预关断及主关断时间较长,IGBT预关断时间接近1µs,关断dv/dt为200V/µs,因此IGBT串联电压平衡度很高,但是IGBT关断损耗较大,单次关断损耗达198mJ。   
    如图所示,为在有源自适应电压平衡控制下两只IGBT的Vref,从图中可以看出Vref参数得到了优化,Vref预关断时间由1µs优化到0.5µs附近,Vref主关断时间由1.5µs优化到0.4µs附近,由于两只IGBT特性不同,因此各自IGBT的优化后的Vref有所差异。   
    如图所示,为在有源自适应电压平衡控制下两只IGBT的电压电流波形,与图相比IGBT关断速度显著提升,IGBT预关断时间由1µs缩减到0.5µs附近,关断dv/dt由200V/µs提高到500V/µs,单次关断损耗由198mJ降低到95mJ,与IGBT硬关断损耗十分接近。与图相比,IGBT串联电压平衡度有所降低,但是仍然在预设的范围之内。通过仿真可知,有源自适应电压平衡控制能够优化Vref, IGBT串联电压平衡度在允许等范围内,提高IGBT开关速度,降低IGBT开关损耗。   
    3.2 实验验证   依据前面所述有源自适应电压平衡控制策略,开发IGBT智能驱动板如图所示。IGBT智能驱动板主要包括有源自适应电压平衡控制、故障保护、通讯编码、高位取能等功能。   
    利用FPGA编程设计参考电压波形,如图所示。预关断时间初值为4µs,预关断平台幅值1.5V,主关断时间初值为1µs,钳位电压幅值7V,预开通时间初值为3µs,预开通平台幅值4V,主关断时间初值为2µs。   
    对两个IGBT串联进行实验测试,实验电路采用无源逆变电路,具体参数如下:直流电压1000V,负载电流400A,IGBT开关频率1050Hz。参考电压参数:预关断平台时间4μs,预关断平台幅值1.5V,主关断时间1μs,钳位电压幅值7V,预开通平台时间3μs,预开通平台幅值4V,主开通时间1μs。   实验结果如图4-22所示,关断阶段IGBT经过2μs关断延迟后,两个IGBT能够快速跟随参考电压波形,串联IGBT电压平衡性很好,但此时由于预关断时间较长,因此IGBT关断损耗也较大,为390mJ。   
    前面分析可知,预开关平台是用来弥补IGBT开关延迟不一致导致的电压不平衡,而过长平台时间将会导致IGBT开关损耗增大,而对IGBT串联均压却显得毫无意义。当采用有源自适应电压平衡控制策略时,Vref预关断时间明显降低,由4μs降到3μs,此时IGBT关断损耗则由390mJ降到350mJ。   
    同时有源自适应电压平衡控制策略在主关断阶段,根据IGBT电压跟随情况调整dv/dt,主关断时间由预设的1μs降到0.4μs,IGBT关断dv/dt则由500V/μs提升到850V/μs,因此在保证IGBT电压平衡的基础上,IGBT关断损耗降到了240mJ。通过实验可知,有源自适应电压平衡控制能够优化Vref, IGBT串联电压平衡度在允许等范围内,提高IGBT开关速度,降低IGBT开关损耗。   
    4结语   在柔性直流输电工程中,换流阀的可靠性及损耗是其最为重要指标。本文在有源电压控制的基础上提出的有源自适应电压平衡控制策略,一方面让IGBT电压快速跟随Vref,控制IGBT串联电压平衡度,降低IGBT开关应力,提高了换流阀可靠性;另一方面通过闭环控制,根据电压平衡度优化Vref,最大程度降低IGBT损耗。利用该技术的IGBT串联换流阀能够以较高的可靠性及效率广泛应用于柔性直流输电、灵活交流输电等高压领域场合。   参考文献   [1] 李庚银,吕鹏飞,李广凯,等.轻型高压直流输电技术的发展与展望[J].电力系统自动化,2003;27( 4):77-81.   [2] 汤广福,刘泽洪.2010年国际大电网会议系列报道:高压直流输电和电力电子技术[J].电力系统自动化,2011,35(5):l_4.Environment. IEEE Power Engineering Review,1998,18(8): 19~20.   [3] 金其龙,孙鹞鸿,严萍,等.IGBT 串联技术动态均压电路的研究[J].高电压技术,2009,35(1):176—180.白杰,电力电子变压器的应用研究[J].电工电气,2009(11).   [4] Gerster, C: "Fast high-power/high-voltage switch using series-connected IGBTs with active gate-controlled voltage -balancing", Conference Proceedings of APEC 1994, vol.1, Page(s): 469 -472.   [5] C. Gerster. P. Hofer, N. Karter. "Gate-control strategies for snubberless operation of series connected IGBTs,"Proceedings of IEEE Power Electronics Specialists Conference PESC'96 Conference, June 1996, Baveno, Italy,pp. 1739-1742.   [6] Consoli, A.; Musumeci, S.; Oriti, G.; Testa, A: "Active voltage balancement of series connected IGBTs",Conference Record of the Industry Applications Conference, Volume: 3 , 8-12 Oct 1995, Page(s): 2752 -2758.   [7] Palmer, P.R.; Githiari, A.N: "The series connection of IGBTs with active voltage sharing", IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 12 Issue: 4, Jul 1997, Page(s): 637 -644.   [8] Saiz, J; Mermet, M; Frey, D; Jeannin, P.0; Schanen, J.L;Muszicki, P; "Optimisation and integration of an active clamping circuit for IGBT series association" Industry Applications Conference, 2001. ConferenceRecord of the Thirty-Sixth IAS Annual Meeting,Volume: 2, 30 Sept.-4 Oct.2001, Pages: 1046- 1051 vol.2.   [9] Sasagawa, K.; Abe, Y.; Matsuse, K.; "Voltage balancing method for IGBTs connected in series", Conference Record of the Industry Applications Conference,, Volume: 4, 13-18 Oct. 2002, Page(s): 2597 -2602.   [10] Raciti, A.; Belverde, G.; Galluzzo, A.; Greco, G.; Melito,M.; Musumeci, S.; "Control of the switching transients of IGBT series strings by high-performance drive units", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume:48 Issue: 3 ,June 2001, Page(s): 482 -490.   收稿日期:   作者简介:   温家良(1970—),男,博士,教授级高级工程师,研究方向为高压直流输电和柔性直流输电及大功率电力电子技术。   陈中圆(1988—),男,硕士,工程师,研究方向为大功率电力电子技术。   邹格(1990—),女,硕士研究生,研究方向为大功率电力电力技术及电磁兼容技术。   填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容:
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