考虑分布式控制功能集成的大功率IGBT数字有源门极驱动相关技术研究

本项目提出一种考虑分布式控制功能集成的大功率IGBT数字式有源门极驱动控制器研究思路，该技术的研究不仅可以实现对大功率IGBT的优化应用，也可有效提高大容量变流器系统的可靠性、可维护性和智能化水平。该项目将实现：1）通过类似滞环或bang-bang控制的非线性控制方法来实现在本开关周期内的IGBT开关暂态控制，保证闭环控制的实时性。2）实现多层次IGBT故障状态识别，并通过高速光纤环网在每个开关周期更新上传到主控制器，为系统故障的定位和故障原因分析提供了依据。3）在实现全系统单光纤控制的基础上，对IGBT运行状态的全面监控和对可靠性降低进行预先预测。4）基于分布式功能集成的有源门极数字驱动器，实现全系统少传感器或无传感器控制，进一步简化控制系统线路、提高控制系统可靠性。

本基金以大功率IGBT数字有源门级驱动为研究对象，所开展的研究和取得的成果主要如下：（1）提出了基于125Mbps光纤环网的分布式控制通信网络拓扑，设计了相应的主从控制器及通信协议，研究了精确的同步信号产生方法；（2）设计了双管反激辅助电源用的高隔离的自供电驱动器和高电压、宽范围的自启动电路，研制了一种300V~2500V直流输入/24V直流输出的双管反激辅助电源样机；（3）研制了一台400V~2000V输入/24V输出的两级DC/DC级联结构的辅助电源样机，电源前级采用Buck电路，后级采用成熟的电源模块，实现了电源宽范围输入和输入与输出的隔离；（4）提出了四种IGBT集电极关断电压和导通电压集成的测量方法，进而提出了一种更具高动态性能IGBT关断电压和开通电压分立测量电路，突破IGBT集电极电压测量跨度大、低压测量精度高难点；（5）基于IGBT功率发射极-辅助发射极压降uEe，提出了一种大功率IGBT集电极电流非介入式在线测量的具体实现电路，实现了IGBT模块集电极电流的在线测量，为IGBT真正软短路、硬短路和过流分级保护提供了借鉴；（6）根据IGBT模块输出特性曲线，形成不同集电极下的结温和饱和压降线性函数，结合在线测量的高精度饱和压降和集电极电流数据，实现了IGBT模块更简单、更具实用性的结温在线估计方法；（7）提出了一种较完整的中压大功率IGBT模块行为模型，模型结构物理意义明确，易于实现，参数提取方便，能够较全面的模拟IGBT硬开关过程中多种典型行为，仿真和实验验证了所建立的IGBT模块行为模型的准确性；（8）提出了将有源箝位电路等效为闭环反馈系统的动态分析方法及考虑稳定箝位过程的静态分析方法，针对分立N-Mosfet驱动级设计了一种新的有源箝位电路，其通过对驱动级邦-邦控制，保证了箝位电路的快速响应能力和损耗小；（9）在不同母线电压下对几种IGBT短路故障检测电路进行了对比测试和分析，结果表明提出的集电极电流检测方法能实现IGBT较为完善的过流及短路保护；（10）分析了大功率IGBT开通关断暂态过程，确定了IGBT开通关断驱动分级方案，研制了以数字FPGA为核心的大功率IGBT驱动器，试验结果表明所研究的驱动器可减少IGBT开关延时，为改善IGBT性能及应用于更高频率场合奠定了基础。