Mevcut geri bildirime dayalı IGBT aktif geçit sürüş yöntemi üzerine araştırma
Özet: IGBT anahtarlama işleminde di / dt ve du / dt'nin büyüklüğü, akım aşımı, voltaj aşımı ve açma-kapama kaybının büyüklüğünü belirler. IGBT'nin istikrarlı ve verimli çalışmasını sağlamak için, di / dt ve du / dt geri beslemesine dayalı bir geçit sürücü yöntemi önerilir. IGBT açıldığında, di / dt ile orantılı kontrol edilebilir bir akım kapıya geri beslenir; benzer şekilde, IGBT kapatıldığında Kapandığında, du / dt ile orantılı kontrol edilebilir bir akım şebekeye geri beslenir. Şebekeye geri beslenen akım değerini ayarlayarak, di / dt ve du / dt'nin kontrolü gerçekleştirilir, böylece ani akımın ve aşırı gerilim hasarının oluşması bastırılır. Simülasyon ve deneysel sonuçlar, teorik analizin doğruluğunu ve uygulanabilirliğini doğrular.
TN432
Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.173192
Çince alıntı biçimi: Du Xiang, Chen Quan, Wang Qunjing ve diğerleri.Geçerli geri bildirime dayalı IGBT aktif geçit sürücü yöntemi üzerine araştırma.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (4): 33-36.
İngilizce alıntı biçimi: Du Xiang, Chen Quan, Wang Qunjing ve diğerleri.Geçerli geri bildirime dayalı IGBT aktif geçit sürücü yönteminin incelenmesi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (4): 33-36.
0 Önsöz
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) üretim sürecinin ve entegre proses teknolojisinin artan olgunluğuyla, iyi anahtarlama özellikleri yeni enerji geliştirmede ve akıllı şebekelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. IGBT'nin gittikçe artan yüksek frekanslı uygulamasında, açma ve kapama anında oluşan akım aşımı ve voltaj aşımı, IGBT'nin güvenilir çalışmasını ciddi şekilde etkiler. Bu nedenle, IGBT açıldığında di / dt'yi ve kapatıldığında du / dt'yi kontrol etmek araştırma odağı haline geldi.
Son yıllarda, IGBT'nin açılması ve kapatılması sırasında akım ve voltaj aşımının bastırılması için belirli bir araştırma temeli olmuştur. Literatür, DSP'nin iş yükünü artıran ve yüksek frekanslı uygulamalar için uygun olmayan bir itici darbe kenarı modülasyon teknolojisi önermektedir. Literatür, aşırı di / dt ve du / dt'yi bastırmak için geçit direncini ve kenetleme devresini artırmaya yönelik geleneksel yöntemleri kullanır Bu yöntem, göz ardı edilemeyecek kapı direnci kayıplarını ortaya çıkarır. Literatür, aktif bir akım kaynağı IGBT kapısı kapalı döngü kontrolü sağlar Bu kontrol yöntemi, IGBT'nin kararlı açık ve kapalı olmasına elverişli olmayan çok fazla etki faktörüne sahiptir. Bu makale, di / dt ve du / dt geri beslemesine dayalı bir IGBT geçit sürüş yöntemi önermektedir.İki ayarlanabilir parametre ve the, girişe geri beslenen akımı ayarlamak için ayarlanmıştır. İlgili di / dt ve di / dt kontrolü, akım ve voltaj aşımının bastırılmasını gerçekleştirir. Sistemin çalışma güvenilirliğini artırın ve cihazın hizmet ömrünü uzatın.
1 IGBT anahtar devresi analizi
IGBT anahtarlama davranışının ilgili özelliklerini simüle etmek için etkili bir yöntem, simülasyon ve deney için bir çift darbe test platformu kullanmaktır. Yarım köprü testinin eşdeğer devresi Şekil 1'de gösterilmektedir. Üst IGBT normalde kapalı olduğundan, hızlı kurtarma diyotu ile değiştirilebilir.
IGBT'yi korumak için, deneysel nesne olarak genellikle anti-paralel diyotlu bir IGBT kullanılır.Üst tüpün diyot serbest dönüş etkisi nedeniyle IGBT açıldığında, akım yayıcı akımla üst üste gelir ve bir tepe akımı Icp görünür. Değeri aşağıdaki gibidir ( 1) Gösterildi.
Bunlar arasında, i (kapalı), IGBT'nin her kapatıldığı zaman dilimindeki akımdır ve v (kapalı), IGBT'nin her kapatıldığı zaman dilimindeki voltajdır.
i (açık) ve v (açık) di / dt ile ilişkilidir ve i (kapalı) ve v (kapalı) du / dt ile ilişkilidir. Bu nedenle, IGBT'nin di / dt ve du / dt'si düştükçe, IGBT'nin kaybı Ayrıca buna göre azaltılır.
IGBT açıldığında 2 Di / dt kontrol analizi
IGBT açıldığında di / dt kontrol modeli Şekil 2'de gösterilmektedir.
Bir indüktör LE, IGBT'nin vericisi ile seri olarak bağlanır.Açıldığında, LE, di / dt ile orantılı olan bir aşırı aşma voltajı UL üretir. Bu geri besleme voltajı, kontrol edilebilir bir geri besleme akımına dönüştürülür ve şebekeye geri beslenir ve devredeki a parametresi, şebeke akımının düzenlenmesini gerçekleştirmek için ayarlanır, böylece açma sırasında di / dt değişimini kontrol eder.
2.1 Açarken kontrol devresi ve kontrol analizi
Şekil 3'te gösterildiği gibi, voltaj değerini ayarlanabilir bir akım değerine dönüştürmek için, kontrol devresi voltaj kontrollü bir ayna akım kaynağı modülü kullanır. R1 = R2 = R5 = R6, R3 = R4 direnci olduğunda, R4'ten geçen gerilim UL giriş gerilimine eşittir. İşlemsel yükselticinin "sanal kısa" ve "sanal kırılma" karakteristikleri nedeniyle, işlemsel yükselticiye akan voltaj sıfırdır ve direnç R4 içinden akan voltaj, direnç R0 içinden akan gerilime eşittir. R0 direncinin değerini bu şekilde kontrol ederek, formül (5) 'de gösterildiği gibi kontrol edilebilir bir geri besleme akımı değeri IL elde edilir.
2.2 di / dt kontrol devresi ve açılırken kontrol analizi
Şekil 4'te, pasif bir geri besleme indüktörünün LE'nin IGBT'nin yayıcı kademesi ile seri olarak bağlandığı ve LE, denklem (6) 'da gösterildiği gibi, IGBT açıldığında bir negatif voltaj değeri UL geri beslediği görülebilir.
Denklem (5) ve denklem (6) 'dan, geri besleme akımı IL değerinin pozitif olduğunu görebiliriz. IL, kapı akımı üzerindeki etkiyi önlemek için doğrudan geçide eklenemez.Bu nedenle, Q6'dan akan akımı Q5'ten akan devreye yansıtmak ve onu kapıya geri beslemek için Q5 ve Q6'dan oluşan bir ayna devresinin eklenmesi gerekir. Bu şekilde denklem (7) 'de gösterildiği gibi IGBT açıldığında kapı akımının kontrolü gerçekleştirilmekte ve IGBT açıldığında di / dt kontrol edilmektedir.
Bunlar arasında gm, anahtarlama cihazının geçiş iletkenliğidir (A / V), VT, kapı eşik voltajıdır (V), Rg kapı direncidir (), IL, yayıcı aşamasından (A) geçen akımdır ve Cgc, anahtarlama cihazıdır. Kapı ile toplayıcı (F) arasındaki kapasitans, Cge, anahtarlama cihazının kapısı ve vericisi arasındaki kapasitanstır (F) ve Vcc, +15 V olan kapı açma sürüş voltajıdır.
3 IGBT kapatıldığında Du / dt kontrol analizi
Şekil 5, IGBT kapatıldığında du / dt kontrol modelini göstermektedir.
IGBT'nin toplayıcısına paralel olarak bir kapasitör CQ bağlanır.IGBT kapatıldığında, kapasitör CQ deşarj olmaya başlar, du / dt ile orantılı bir aşma akımı oluşturur ve bunu geçit akımına ekler. Devredeki parametreler ayarlanarak, kapı akımı, IGBT kapatıldığında du / dt değişimini ayarlamak için ayarlanabilir.
3.1 Kapatma sırasında kontrol devresi ve kontrol analizi
Şekil 6'da gösterildiği gibi, IQ akım değerini ayarlanabilir bir akım değerine değiştirmek için, kontrol devresi akım kontrollü bir ayna akım kaynağı devresi kullanır. Giriş akımı IQ olduğunda, işlemsel amplifikatörün "sanal kısa" ve "sanal kırılma" özellikleri nedeniyle, op amp içine akan akım sıfırdır ve tüm akım direnç R1'den geçer. Yine Ui = Uo ile R2 direncinin değerini bu şekilde kontrol edin, formül (8) 'de gösterildiği gibi kontrol edilebilir elektrik akımı değeri Io alabilir.
3.2 Du / dt kontrol devresi ve kapatma sırasında kontrol analizi
Şekil 7'de, IGBT kapatıldığında CQ boşalmaya başladığı ve deşarj akımının 2IQ olduğu görülmektedir.Akım, Q1 ve Q2'den oluşan ayna devresi ile IQ akım değerleri ile iki akıma bölünür. 2IQ'nun akım değeri aşağıdaki gibidir: ) Gösterildi.
Denklemden (8), akımın iki kez kontrol edilen ayna akım kaynağı tarafından IQ'ya dönüştürüldüğünü görebiliriz. parametresini ayarlarken, ile uyumlu olmalıdır < 1. CQ kapasitörünün reaktif güç kompanzasyonunu önleyin. Aynı şekilde, aşama sonrası devre Q3 ve Q4'ten oluşan ayna devresinden geçer ve Q3'ten Q4'e akan akımı yansıtır. Q1 ve Q4 akımları (1-) IQ'ya bindirilir ve daha sonra kapıya geri beslenir. IGBT kapatıldığında kapı akımının düzenlenmesini gerçekleştirmek için denklem (10) 'da gösterildiği gibi IGBT kapatıldığında du / dt kontrol edilir.
Bunların arasında VEE, -15 V olan kapı kapatma sürüş voltajıdır (V).
4 Simülasyon ve deney
4.1 Simülasyon analizi
Simülasyon için Sabre yazılımında IGBT çift darbe test devresini kurun.IGBT modeli IR tarafından üretilen IRGPC50'lerdir; anahtarlama frekansı 10 kHz'dir; LS endüktans değeri 3 H'ye ayarlanmıştır; geri besleme endüktans değeri 10 nH'dir; geri besleme kapasitans değeri 20 pF'dir ; değerini 2: 1, 3: 1, 4: 1 ve değerini 1: 2, 1: 3, 1: 4 olarak ayarlarken, di / dt'yi açma ve du / dt'yi kapatmaya ilişkin karşılık gelen simülasyon dalga biçimleri şekilde gösterilmiştir. 8 gösterilmektedir.
Şekil 8 (a) ve Şekil 8 (b) 'deki simülasyon dalga formlarından, a parametresi arttıkça, IGBT açılmasına karşılık gelen di / dt'nin küçüldüğü görülebilir. parametresi küçüldükçe, ilgili IGBT kapatıldığında du / dt azalır.
4.2 Deneysel analiz
Teorik analiz ve simülasyonun doğruluğunu teyit etmek için çift darbeli bir deney platformu oluşturuldu. Deneysel parametreler şunlardır: IGBT modeli Hgtg20n120cn; anahtarlama frekansı 10 kHz; LS endüktans değeri 1 H; geri besleme endüktans değeri 10 nH ve geri besleme kapasitans değeri 20 pF'dir. 2: 1, 3: 1, 4: 1 değerini ve 1: 2, 1: 3, 1: 4 değerini ayarlarken di / dt'yi açma ve du / dt'yi kapatma deneysel dalga biçimleri Şekil 9'da gösterilmektedir. Gösterildi.
Şekil 9 (a) ve Şekil 9 (b), sırasıyla IGBT açıldığında ve kapatıldığında di / dt ve du / dt'nin karşılık gelen dalga biçimleridir.Deneysel doğrulama, parametresi arttıkça, IGBT açıldığında karşılık gelen di / dt'nin olduğunu göstermektedir. Azalır. parametresi küçüldükçe, ilgili IGBT kapatıldığında du / dt azalır.
500 V / 50 A deney koşulları altında, Tablo 1, IGBT açıldığında farklı parametrelere karşılık gelen test verilerini göstermektedir. Tablo 2, IGBT kapatıldığında farklı parametrelere karşılık gelen test verilerini göstermektedir.
Tablo 1 ve Tablo 2'den, parametresinin artmasıyla ilgili IGBT açıldığında Irr'nin azaldığı, açma süresinin arttığı ve açma sırasındaki kaybın azaldığı görülebilir. parametresi küçüldükçe, karşılık gelen IGBT kapatıldığında Vos küçülür, kapanma süresi artar ve kapanmadaki kayıp küçülür.
5. Sonuç
Bu makalede önerilen sürüş kontrol yöntemi, IGBT açılma di / dt ve kapanma du / dt kontrolünü gerçekleştirebilir. parametresinin ayarlanması, IGBT açıldığında di / dt değişikliğini etkili bir şekilde ayarlayabilir ve parametresinin ayarlanması, IGBT kapatıldığında du / dt değişikliğini etkili bir şekilde ayarlayabilir, böylece IGBT açıldığında akım aşımını ve kapatırken aşırı gerilim hasarını bastırır. Anahtar tüpünün yanlış iletimini bastırın. Aynı zamanda, IGBT açıldığında ve kapatıldığında kayıp azalır, bu da IGBT'nin çalışma güvenilirliğini artırmak ve cihazın hizmet ömrünü uzatmak için faydalıdır.
Referanslar
Su Wei, Zhong Yulin, Liu Jun ve diğerleri, HCPL-316 J'ye dayalı IGBT aşırı akım koruması üzerine araştırma.Elektrik Mühendisliği ve Enerji Yeni Teknolojisi, 2014 (4): 67-70.
Guo Yong, He Chao, Chen Guozhu Sürüş darbe kenarı modülasyon teknolojisi ve anahtarlama sivri uçlarının bastırılmasında uygulaması.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2015, 35 (6): 1482-1489.
Li Wentao, Cheng Shanmei.IGBT kapalı döngü değişken direnç anahtarlama stratejisi üzerine araştırma. Inverter World, 2015 (4): 46-49.
Lu Shu, Zhang Junming, Peng Fangzheng ve diğerleri.Kapalı döngü di / dt ve dv / dt kontrolü ile aktif akım kaynağı IGBT geçit sürücüsü. Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2017, 32 (5): 3787-3796.
Maswood Ali.I. SPWM IGBT invertöründe anahtarlama kaybı çalışması.Güç ve Enerji Konferansı, 2008. Pecon 2008. IEEE, Uluslararası. IEEE, 2009: 609-613.
Ren Meihui, Zhao Yumei, Liang Yuanhua.Ayna akım kaynağı prensibi ve uygulama devresi.Elektrik Ölçümü ve Enstrümantasyon, 2006, 43 (4): 34-36.
yazar bilgileri:
Du Xiang 1, 2, Chen Quan 1, 3, Wang Qunjing 2, 3, Xu Hangpeng 1, 2
(1. Elektrik Mühendisliği ve Otomasyon Okulu, Anhui Üniversitesi, Hefei 230601, Anhui, Çin;
2. Ulusal ve Yerel Yüksek Enerji Tasarruflu Motor ve Kontrol Teknolojisi Ortak Laboratuvarı, Anhui Üniversitesi, Hefei 230601, Anhui, Çin;
3. Anhui Üniversitesi, Eğitim Bakanlığı Güç Kalitesi Mühendisliği Araştırma Merkezi, Hefei, Anhui 230601)
