一種數字化驅動的IGBT電流檢測系統及其檢測方法與流程

本發明涉及電力電子器件領域，更具體涉及一種數字化驅動的IGBT電流檢測系統及其檢測方法。

背景技術：
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數字驅動近些年來成為IGBT驅動發展的新趨勢，而且在功率大的IGBT器件上優勢更加明顯。數字驅動相對模擬驅動來具有靈活性高，可以通過更新程序實現不同控制特性；控制精確，精確的時序控制，完美的關鍵保護；一致性和環境穩定性好，數字驅動控制特性不受RC參數差異影響，不受溫度變化影響。

現今的IGBT驅動板，無論是數字驅動還是模擬驅動都沒有集成IGBT電流檢測功能，通常的IGBT電流檢測方法采用電流傳感器，雖然該方法測量精確，但是存在眾多缺點，比如電流傳感器的成本高，體積大，安裝不方便。對于高壓大功率多IGBT系統，比如模塊化多電平變換器(MMC)，該系統可能需要幾百個大功率IGBT，用電流傳感器檢測這么多IGBT電流不現實。綜上所述，直接通過數字化驅動板估測IGBT的導通電流將是很好的選擇。

技術實現要素：
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本發明的目的是提供一種數字化驅動的IGBT電流檢測系統及其檢測方法，比模擬驅動更加靈活，具有多段式開通方式和更多保護方式。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種數字化驅動的IGBT電流檢測系統，包括主控制模塊；所述主控制模塊包括可編程邏輯模塊和控 制模塊；

所述可編程邏輯模塊用于IGBT模塊的故障檢測、故障保護、多段式驅動邏輯及信息回報；

所述控制模塊用于完成IGBT導通電流和IGBT模塊結溫的檢測，并將導通電流和結溫檢測的計算結果通過高速總線傳輸給所述可編程邏輯模塊。

所述可編程邏輯模塊包括故障檢測模塊、保護邏輯模塊、驅動邏輯模塊、門極驅動陣列模塊和傳輸模塊；所述故障檢測模塊用于完成IGBT模塊的故障檢測；所述保護邏輯模塊對處于故障的所述IGBT模塊進行保護；所述驅動邏輯模塊用于驅動IGBT模塊；所述門級驅動陣列模塊用于實現IGBT的多段式開通關斷；所述傳輸模塊用于將所述IGBT模塊的導通電流，結溫和工作狀態反饋至上位控制模塊。

所述控制模塊包括電壓檢測模塊、溫度檢測模塊和電流檢測模塊；所述電壓檢測模塊用于獲取IGBT模塊的導通壓降Vce信息；所述溫度檢測模塊獲取IGBT模塊散熱片的溫度信息；所述電流檢測模塊用于獲取所述溫度信息和導通壓降Vce信息；計算IGBT模塊流過的電流和所述結溫并將所述電流和結溫傳送至所述可編程邏輯模塊。

所述主控制模塊還包括數模轉換模塊、電壓采集模塊和溫度采集模塊，用于將IGBT模塊散熱片的溫度的模擬量以及IGBT模塊的導通壓降Vce的模擬量轉換為數字量信息，將轉換結果發送給所述控制模塊；所述電壓采集模塊用于采集所述IGBT模塊的導通壓降Vce的模擬量；所述溫度采集模塊用于采集所述IGBT模塊散熱片的溫度的模擬量。

所述可編程邏輯模塊為現場可編程門陣列FPGA；所述控制模塊為微控制器，選用同時集成兩者功能的、高穩定性的、高安全性的microsemi公司 最新一代FPGA。

一種數字化驅動的IGBT電流檢測系統的檢測方法，包括：

獲取IGBT模塊散熱片的溫度T_heatsink模擬量信息；

獲取IGBT模塊導通壓降Vce模擬量信息；

將所述模擬量信息轉換為數字量信息；

根據導通壓降Vce數字量信息和溫度T_heatsink數字量信息檢測所述IGBT模塊的導通電流和IGBT模塊的結溫并將所述導通電流和結溫檢測的計算結果通過高速總線傳輸給所述可編輯模塊。

所述導通電流和結溫檢測的計算過程包括：

將采集到IGBT的散熱片溫度T_heatsink，疊加一個較小ΔT，作為假設的IGBT結溫Tj；利用所述Tj和采集的Vce電壓，分別計算出IGBT的導通損耗P_cond和開關損耗P_sw；所述導通損耗P_cond和開關損耗P_sw的求和為當前假設結溫下的總損耗P_tot1；利用所述結溫Tj和IGBT模塊的熱阻可反求出IGBT總損耗P_tot2；將P_tot1與P_tot2相比較，如果兩者數值差距較大，繼續增大ΔT，直到P_tot1和P_tot2的計算結果接近，此時的ΔT為所求的IGBT模塊芯片到散熱片的溫差，再結合所述采集的Vce電壓，求得IGBT的導通電流。

利用所述Tj和采集的Vce電壓，分別通過下式計算出IGBT的導通損耗P_cond和開關損耗P_sw：

其中，d為IGBT模塊的導通占空比，V_ce(sat)為IGBT的飽和電壓，為IGBT飽和電壓和結溫T_j反求出導通電流Ic的函數表示；

Psw＝fsw x(Eon+Eoff)＝fsw x(F_Eon(Ic,Tj)+F_Eoff(Ic,Tj))

其中，fsw為IGBT開關頻率，Eon為IGBT開通損耗，Eoff為IGBT關 斷損耗，F_Eon(Ic,Tj)為結溫Tj、導通電流Ic與Eon的關系曲線，F_Eoff(Ic,Tj)為結溫Tj、導通電流Ic和Eoff的關系曲線。

因此，求得當前IGBT總的損耗P_tot1為Pcond與Psw之和。

利用IGBT模塊散熱片溫度信息T_heatsink和IGBT模塊的熱阻利用下面公式再次計算出IGBT總的損耗P_tot2。

IGBT的結溫Tj計算公式如下：

Tj＝ΔTjc+ΔTch+T_heatsink＝P_tot2(R_th(j-c)IGBT+R_th(c-h)IGBT)+T_heatsink；ΔTjc為芯片到外殼的溫差；ΔTch為外殼到散熱片的溫差；R_th(j-c)IGBT為IGBT芯片到外殼的熱阻；R_th(c-h)IGBT為外殼到散熱片的熱阻；

假設IGBT的結溫為Tj，可以反求出IGBT總的損耗，計算公式如下：

P_tot2＝(Tj-T_heatsink)/(R_th(j-c)IGBT+R_th(c-h)IGBT)；

通過對比兩種IGBT總損耗的計算結果，最終利用不斷迭代的方式計算出所述IGBT的導通電流通過下式確定：

和最接近的現有技術比，本發明提供技術方案具有以下優異效果

1、本發明技術方案對數字化IGBT驅動板主控制芯片的可進行特別選擇，單芯片集成高性能的FPGA和ARM，兩者相互配合完成IGBT的監測和控制；

2、本發明技術方案能夠直接檢測IGBT電流，從而省去了電流傳感器，尤其是在復雜的大功率IGBT系統，優勢很明顯；

3、本發明技術方案通過采集IGBT的外殼溫度以及利用迭代方式推算出IGBT的結溫和電流，從而有效的對IGBT進行過溫保護和電流保護；

4、本發明技術方案通過監測IGBT的導通損耗，開關損耗以及結溫，可 以評估當前IGBT的性能，進而能提前預判IGBT的好壞。

附圖說明

圖1為本發明實施例數字化IGBT驅動控制框圖；

圖2為本發明實施例某公司3300V/1500A的IGBT導通特性曲線圖；

圖3為本發明實施例某公司3300V/1500A的IGBT開關損耗特性曲線圖；

圖4為本發明實施例反復迭代的流程示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對發明作進一步的詳細說明。

實施例1：

本例的發明一種數字化驅動的IGBT電流檢測系統及其檢測方法，所述系統包括如圖1所示，數字化驅動板的主控芯片采用集成FPGA和ARM的單芯片高性能CPU，FPGA完成ns級高速IO輸入輸出控制，精確的完成IGBT的故障檢測，故障保護，多段式驅動邏輯及信息回報功能等；高性能ARM模塊完成復雜的電流檢測算法，并將計算結果通過CPU內部高速總線傳輸給FPGA，由FPGA完成邏輯判斷和上傳IGBT電流信息。

數字化IGBT驅動板通過溫度傳感器獲取IGBT模塊散熱片的溫度信息，記作T_heatsink；利用高精度差分隔離模數轉換芯片，將溫度的模擬量以及IGBT的導通壓降Vce轉換為數字信息，將轉換結果發送給微控制器(MCU)，本實施例中MCU為ARM。根據T_heatsink和Vce的信息，MCU利用電流檢測算法就可對IGBT流過的電流進行估算。

所述FPGA包括故障檢測模塊、保護邏輯模塊、驅動邏輯模塊、門極驅 動陣列模塊和傳輸模塊；所述故障檢測模塊用于完成IGBT模塊的故障檢測；所述保護邏輯模塊對處于故障的所述IGBT模塊進行保護；所述驅動邏輯模塊用于驅動IGBT模塊；所述門級驅動陣列模塊用于實現IGBT的多段式開通關斷；所述傳輸模塊為回報光纖，用于將所述IGBT模塊的導通電流，結溫和工作狀態反饋至上位機。該控制系統通過高速光纖與上位機進行通信。

所述ARM包括電壓檢測模塊、溫度檢測模塊和電流檢測模塊；所述電壓檢測模塊用于獲取IGBT模塊的導通壓降Vce信息；所述溫度檢測模塊獲取IGBT模塊散熱片的溫度信息；所述電流檢測模塊用于獲取所述溫度信息和導通壓降Vce信息；計算IGBT模塊流過的電流和所述結溫并將所述電流和結溫傳送至所述FPGA。

所述主控制芯片還包括數模轉換模塊、電壓采集模塊和溫度采集模塊，用于將IGBT模塊散熱片的溫度的模擬量以及IGBT模塊的導通壓降Vce的模擬量轉換為數字量信息，將轉換結果發送給所述ARM；所述電壓采集模塊用于采集所述IGBT模塊的導通壓降Vce的模擬量；所述溫度采集模塊用于采集所述IGBT模塊散熱片的溫度的模擬量。

圖2-圖3為某公司3300V/1500A的IGBT特性曲線，以該IGBT為基礎介紹數字化驅動的電流檢測方法。圖2為IGBT導通特性曲線，在IGBT的額定電流附近，V_ce(sat)和I_c的關系可以近似的用線性法來表示：

根據IGBT的導通特性曲線可知，IGBT飽和電壓的大小與通過的電流I_c，芯片的結溫T_j和門極電壓V_ge有關，通常V_ge的驅動電壓固定不變。因此可以IGBT飽和電壓，芯片的結溫T_j反求出導通電流，并將該函數簡寫表示：

利用IGBT的飽和電壓V_ce(sat)和導通電流Ic，可以計算出IGBT的導通損耗P_cond：

其中d為IGBT的導通占空比。

圖3為IGBT開關損耗特性曲線，IGBT的開斷損耗與測試條件關系很大，不同的驅動板具有不同的電阻投切方式，投切的開通電阻和關斷電阻也各不相同，因此要根據實際驅動板測量不同溫度下開關損耗。

根據IGBT開關損耗特性曲線可知，當Vce電壓基本不變時，Eon和Eoff可近似地看作與Ic成正比。IGBT的開關損耗與導通電流Ic，芯片的結溫Tj和門極電壓Vge有關，通常Vge的驅動電壓固定不變。芯片的結溫Tj越高，IGBT的開關損耗越高；IGBT導通電流越高，IGBT的開關損耗越高。

Eon＝Eon(nom)x Ic/Ic(nom)

Eoff＝Eoff(nom)x Ic/Ic(nom) (4)

利用IGBT單次開關損耗和開關頻率fsw，可以計算出IGBT總的損耗P_sw：

Psw＝fsw x(Eon+Eoff) (5)

假設IGBT的結溫為Tj，根據計算得到IGBT導通電流Ic，利用Eon和Eoff與Tj和Ic的關系曲線能夠獲得IGBT的關斷損耗。

Psw＝fsw x(Eon+Eoff)＝fsw x(F_Eon(Ic,Tj)+F_Eoff(Ic,Tj))；(6)

因此IGBT工作時的總的損耗計算公式如下：

P_tot＝Pcond+Psw； (7)

通過高精度溫度傳感器獲取IGBT模塊散熱片溫度信息T_heatsink，由于IGBT周期性導通使得散熱片的溫度輕微波動，一般選擇散熱片的平均溫度。 IGBT的結溫Tj計算公式如下：

Tj＝ΔTjc+ΔTch+T_heatsink＝P_tot(R_th(j-c)IGBT+R_th(c-h)IGBT)+T_heatsink；(8)

ΔTjc為芯片到外殼的溫差；

ΔTch為外殼到散熱片的溫差；

R_th(j-c)IGBT為IGBT芯片到外殼的熱阻；

R_th(c-h)IGBT為外殼到散熱片的熱阻；

假設IGBT的結溫為Tj，可以反求出IGBT總的損耗，計算公式如下：

P_tot＝(Tj-T_heatsink)/(R_th(j-c)IGBT+R_th(c-h)IGBT)； (9)

圖4為反復迭代計算的流程圖，該計算由高性能ARM完成，數字驅動板采集到IGBT的散熱片溫度T_heatsink，疊加一個較小ΔT，作為假設的IGBT結溫Tj，利用Tj和采集的Vce電壓，分別根據公式3和6計算出IGBT的導通損耗P_cond和開關損耗P_sw，兩者求和為當前假設結溫下的總損耗P_tot1。同時利用結溫Tj和IGBT的熱阻可反求出IGBT總損耗P_tot2，將P_tot1與P_tot2相比較，如果兩者數值差距較大，可以繼續增大ΔT，直到P_tot1和P_tot2的計算結果想接近，此時ΔT為所求的IGBT芯片到散熱片的溫差，再結合采集的Vce電壓，最后利用公式2求得IGBT的導通電流。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員盡管參照上述實施例應當理解：依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護范圍之內。