專利名稱：一種并聯igbt的驅動控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及并聯式逆變電源領域，尤其涉及一種并聯IGBT的驅動控制系統及方法。
背景技術：
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)，是由 BJT (雙 極型三極管)和MOS (絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。伴隨著IGBT高電壓技術的 發展，越來越多的行業使用的電源都采用IGBT當開關元件。目前IGBT的開關頻率最高為20KHz，但是在有些航空電源、變頻器、飛輪控制電源 等一些特定的電源中要求的調制波在400Hz，甚至更高。對IGBT的開關頻率要求也越來越 高，隨著IGBT的開關頻率增高，整個IGBT的損耗也增大。如果逆變模塊中的IGBT的載波 偏小，逆變輸出的電源輸出的波形的THD(總諧波失真)偏大，當電源中此參數增大時，對電 源和設備都是一種損害，對能源也是一種污染、一種無功功率的消耗。隨著大功率電源的發展，為了增加電源的功率通常會采用IGBT并聯技術，此種并 聯技術只能實現在功率段的并聯，并聯后，一方面，IGBT在整個機器的損耗不僅沒有減小、 反而增大了一倍，且由于IGBT在功率段并聯時需要留余量，功率等級只增加了 0.6倍；另 一方面，并聯的IGBT—般由同一驅動信號直接來驅動，電流會同時通過并聯的IGBT，在這 種驅動方式下，由于并聯的IGBT的阻抗存在差異，使得通過它們的電流會不均衡，即有的 IGBT電流大而有的IGBT電流小，這不利于增加電源的功率，影響整個電源的可靠性和穩定 性。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術中并聯IGBT存在的損耗大、電流不均衡的缺陷， 提出一種新的并聯IGBT的驅動控制系統及方法。本發明實施例是這樣實現的，—種并聯IGBT的驅動控制系統，應用于并聯式逆變電源，該系統包括信號輸出單 元和信號處理單元；其中，所述信號輸出單元，其輸入端與所述并聯式逆變電源中的各個IGBT連接，其輸出 端與信號處理單元的輸入端連接，用于接收各IGBT的反饋信號并據此進行調制處理，輸出 動態的N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號；所述信號處理單元，其輸入端與信號輸出單元的輸出端連接，其輸出端與所述并 聯式逆變電源中的各個IGBT的驅動板連接，用于接收所述N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調 制信號、并將其中的每路PWM/SPWM/SVPWM調制信號分為M個相同頻率的信號后輸出。其中，所述信號輸出單元為DSP處理單元，該DSP處理單元包括相互連接的PID控 制器/PI控制器和PWM功能模塊單元；
所述PID控制器/PI控制器，與并聯式逆變電源中各個IGBT連接，用于接收各個 IGBT的反饋信號并對該反饋信號進行動態調節；所述PWM功能模塊單元，用于根據經過動態調節的反饋信號和DSP處理單元內部 產生的三角調制波進行調制處理，輸出動態的N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號。其中，所述信號輸出單元包括依次連接的用于產生脈沖波形的DSP處理單元、用 于對反饋信號進行動態調節的模擬電路和用于進行PWM/SPWM/SVPWM調制處理的調制電 路；其中，模擬電路還與并聯式逆變電源中各個IGBT連接，調制電路的輸出端與并聯式逆 變電源中的各個IGBT的驅動板連接。其中，所述信號處理單元采用FPGA或者CPLD處理芯片。一種如上所述驅動控制系統的驅動方法，應用于并聯式逆變電源，該方法包括步 驟接收各個IGBT的反饋信號并對其進行動態調節，據此對調制信號調制后生成動 態的N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號；對于所述N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號中的每路PWM/SPWM/SVPWM調制信 號，將其分成M路調制信號，且這M路調制信號的開關頻率均為轉換前PWM/SPWM/SVPWM調 制信號的1/M；采用獲得的2*M*N路PWM/SPWM/SVPWM調制信號分別驅動所述并聯式逆變電源中 的各個IGBT。其中，對于單相半橋逆變電源，所述N為1 ；對于三相半橋逆變電源，所述N為3 ；對 于三相全橋逆變電源，所述N為6。其中，所述M與并聯的IGBT個數相同。本發明實施例與現有技術相比，有益效果在于由于IGBT的總損耗=導通損耗+開關損耗，且開關損耗與開關頻率成正比，而本 發明采用由一個PWM/SPWM/SVPWM調制信號分頻后獲得的M個PWM/SPWM/SVPWM調制信號分 別驅動并聯的M個IGBT，使得并聯的IGBT交替輪流地工作，這樣使得IGBT的開關頻率降低 了 1/M，從而降低了 IGBT的損耗，降低了整個并聯式逆變電源的散熱成本，優化了并聯式逆 變電源的性能；與此同時，還避免了 M個并聯的IGBT的電流不均衡，避免了由于電流不均衡 引起的對電源的可靠性和穩定性的不良影響，進一步提高了并聯式逆變電源的性能。
圖1是單相半橋逆變電源模型。圖2是實施例一提供的應用于單相半橋逆變電源的驅動控制系統框圖。圖3是實施例一提供的當M = 2時的開關頻率分序圖。圖4是實施例一提供的當M = 2時的四路驅動波形圖。圖5是三相半橋逆變電源模型。圖6是實施例二提供的應用于三相半橋逆變電源的驅動控制系統框圖。圖7是實施例二提供的當M = 2時圖6所示驅動控制系統在分頻前和分頻后產生 的驅動波形圖。
圖8是三相全橋逆變電源模型。圖9是實施例三提供的應用于三相全橋逆變電源的驅動控制系統框圖。圖10是實施例三提供的當M = 2時圖9所示驅動控制系統在分頻前產生的驅動 波形圖。圖11是實施例三提供的當M = 2時圖9所示驅動控制系統在分頻后產生的A相 驅動波形12是M次分頻時驅動控制系統產生的驅動波形圖
具體實施例方式本發明所提供的并聯IGBT的驅動控制系統包括以下組成部分信號輸出單元，用于輸出動態的N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號，信號處理單元，其輸入端與信號輸出單元的輸出端連接、其輸出端與并聯式逆變 電源中的各個IGBT的驅動板連接，用于接收信號輸出單元輸出的N對互補的PWM/SPWM/ SVPWM調制信號、并將其中的每個PWM/SPWM/SVPWM調制信號分頻后輸出以驅動各個IGBT。上述驅動控制系統的驅動實現方法包括以下步驟產生載波，將該載波與調制信號調制并通過動態調節后生成動態的N對互補的 PWM/SPWM/SVPWM 調制信號；對于N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號中的每路PWM/SPWM/SVPWM調制信號， 將其分成M路信號，這M路信號的開關頻率均為轉換前PWM/SPWM/SVPWM調制信號的1/M(如 圖12所示)；之后采用變換后的2*M*N路PWM/SPWM/SVPWM調制信號分別驅動并聯式逆變 電源中對應的各個IGBT。目前，IGBT最常見的并聯使用方案有半橋和全橋兩種、逆變電源的工作方式有單 相逆變和三相逆變兩種方式，因而針對不同情況本發明會有不同的工作模式針對單相半 橋逆變電源，信號輸出單元只需輸出1對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號；針對三相半橋 逆變電源，信號輸出單元需輸出3對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號；針對三相全橋逆變 電源，信號輸出單元需輸出6對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號。為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。以下實施例中均以采用PWM調制方式為例，且信號輸出單元 由反饋信號、PID控制器/PI控制器組成，PWM功能模塊、信號處理單元采用FPGA/CPLD來實 現。實施例一單相半橋逆變電源模型如圖1所示，本實施例中驅動控制系統即用以實現單相半 橋逆變電源中2個IGBT并聯的驅動(M = 2)，驅動控制系統圖2所示，具體包括DSP處理 單元和包括FPGA/CPLD處理芯片；DSP處理單元又包括相互連接的PID控制器/PI控制器 和PWM功能模塊單元；PID控制器/PI控制器用于對IGBT的反饋信號進行動態調節；PWM功 能模塊單元，用于對調制信號進行調制后輸出；FPGA/CPLD處理芯片，用于將每個動態的調 制信號一分為二輸出。其工作過程為DSP處理單元中經過PID控制/PI控制進行動態調節后PWM功能 模塊單元輸出一對互補的PWM調制信號(PID/PI調節可以用硬件或軟件來實現，也可以實現雙調節)至FPGA/CPLD處理芯片；FPGA/CPLD處理芯片再將每個PWM調制信號分為兩路 信號，這兩路信號的頻率均為變換前PWM調制信號的一半且這兩路信號在相位上相差半個 周期，之后將四路PWM調制信號分別去驅動圖1中相對應的IGBT單元，從而實現分頻的效 果同時降低IGBT管的開關頻率。在上述工作過程中，FPGA/CPLD處理芯片的處理方式具體為對于經DSP處理單元 和PID控制器/PI控制器處理輸出的一對互補的信號dirA、dirB，輸入至FPGA/CPLD處理 芯片的相應的I/O 口 ；如圖3所示，對于dirA信號，FPGA/CPLD處理芯片將dirA信號進行 分頻(分頻方法為將Kl信號與dirA信號進行與運算得出dirAl信號，將K2信號與dirA 信號進行與運算得到dirA2信號，其中的Kl信號和K2信號是FPGA/CPLD處理芯片產生的 用以實現分頻的參考信號)，產生兩路信號dirAl和dirA2，分別用于驅動圖1中的Ql管和 Q2管；同理將dirB進行分頻，產生兩路信號dirBl和dirB2，分別用于驅動圖1中的Q3管 和Q4管。至此，經過FPGA/CPLD處理芯片處理后，產生的四路驅動信號如圖4所示。在附圖1中的單相半橋逆變電源模型中，由dirAl信號和dirBl信號分別驅動Ql 管和Q3管，由dirA2信號和dirB2信號分別驅動Q2管和Q4管，在整個系統中，Ql管、Q2 管、Q3管、Q4管在兩個周期中互相開通，而針對Ql管、Q2管來說，在原兩個周期內，只工作 了一個周期，此時開關頻率降低了一半，從而達到IGBT在開關頻率段的并聯效果。實施例二三相半橋逆變電源模型如圖5所示，本實施例中驅動控制系統即用以實現三相的 半橋逆變電源中2個并聯IGBT(M = 2)的驅動，驅動控制系統圖6所示，其工作過程具體 DSP處理單元中PID調節/PI調節對反饋信號進行調節后，PWM功能模塊單元根據SPWM調 制方案，產生三對SPWM信號，輸入至FPGA/CPLD處理芯片的相應的I/O 口 ；根據實施例一中 的分頻方法(具體方案可以參考如圖3所示)，產生如圖7所示12路信號，分別用以驅動圖 5中對應的IGBT。在附圖5中的三相半橋逆變電源模型中，對于A相電源電路來說由Ql信號和Q7 信號分別驅動Ql管和Q7管，由Q2信號和Q8信號分別驅動Q2管和Q8管，在A相調制電路 中，Ql管、Q7管、Q2管、Q8管在兩個周期中互相開通，而針對Ql管、Q2管來說，在原兩個周 期內，只工作了一個周期；同樣，對于B相、C相電源電路來說由Q3信號和Q9信號分別驅 動Q3管和Q9管，由Q4信號和QlO信號分別驅動Q4管和QlO管；由Q5信號和Qll信號分別 驅動Q5管和Qll管，由Q6信號和Q12信號分別驅動Q6管和Q12管，在整個系統中，Q3管、 Q9管、Q4管、QlO管和Q5管、Qll管、Q6管、Q12管在兩個周期中互相開通，而針對Q3管、Q4 管和Q5管、Q6管來說，在原兩個周期內，只工作了一個周期，此時整個系統中IGBT管開關 頻率降低了一半，從而達到IGBT在開關頻率段的并聯效果。實施例三三相全橋逆變電源模型如圖8所示，本實施例中驅動控制系統即用以實現三相全 橋逆變電源中2個IGBT并聯(M = 2)的驅動，驅動控制系統圖9所示，該系統采用數字和 模擬相結合的方式，其工作過程具體為DSP處理單元產生三個脈沖波信號，經過相應的模 擬電路進行調節處理后產生三個動態的正弦信號，再由調制信號據此對一對互補的三角調 制波進行調制產生6對SPWM信號，(如圖10所示)輸入至FPGA/CPLD處理芯片的相應的 I/O 口 ；根據實施例一中的分頻方法(具體方案可以參考如圖3所示)，產生M路信號(因篇幅問題，圖11只示出了分頻后A相的驅動波形，B相、C相的驅動波形與A相的相似，其原 理是根據圖10進行分頻處理，處理方案見圖3所示)在附圖8中的三相全橋逆變電源模型中，對于A相電源電路來說由Ql信號和Q13 信號分別驅動Ql管和Q13管，由Q2信號和Q14信號分別驅動Q2管和Q14管，由Q3信號和 Q15信號分別驅動Q3管和Q15管，由Q4信號和Q16信號分別驅動Q4管和Q16管，在A相 調制電路中，Ql管、Q13管、Q2管、Q14管、Q3管、Q15管、Q4管、Q16管在兩個周期中互相開 通，其中Ql管和Q15管、Q2管和Q16管，Q3管和Q13管、Q4管和Q14管是同步控制，而針對 Ql管、Q3管來說，在原兩個周期內，只工作了一個周期；對于B相電源電路來說由Q5信號和Q17信號分別驅動Q5管和Q17管，由Q6信 號和Q18信號分別驅動Q6管和Q18管，由Q7信號和Q19信號分別驅動Q7管和Q19管，由 Q8信號和Q20信號分別驅動Q8管和Q20管，在B相調制電路中，Q5管、Q17管、Q6管、Q18 管、Q7管、Q19管、Q8管、Q20管在兩個周期中互相開通，其中Q5管和Q19管、Q6管和Q20 管，Q7管和Q17管、Q8管和Q18管是同步控制，而針對其中的Q5管、Q6管和Q7管、Q8管和 Q17管、Q18管、Q19管、Q20管來說，在原兩個周期內，只工作了一個周期；同樣，對于C相電源電路來說由Q9信號和Q21信號分別驅動Q9管和Q21管，由 QlO信號和Q22信號分別驅動QlO管和Q22管，由Qll信號和Q23信號分別驅動Qll管和 Q23管，由Q12信號和Q24信號分別驅動Q12管和Q24管，在C相調制電路中，Q9管、Q21管、 QlO管、Q22管、Qll管、Q23管、Q12管、Q24管在兩個周期中互相開通，其中Q9管和Q23管、 QlO管和QM管，Qll管和Q21管、Q12管和Q22管是同步控制，而針對其中的Q9管、QlO管 和Qll管、Q12管和Q21管、Q22管和Q23管、QM管來說，在原兩個周期內，只工作了一個周 期此時整個系統中IGBT管開關頻率降低了一半，從而達到IGBT在開關頻率段的并聯效果。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種并聯IGBT的驅動控制系統，應用于并聯式逆變電源，其特征在于，該系統包括 信號輸出單元和信號處理單元；其中，所述信號輸出單元，其輸入端與所述并聯式逆變電源中的各個IGBT連接，其輸出端與 信號處理單元的輸入端連接，用于接收各IGBT的反饋信號并據此進行調制處理，輸出動態 的N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號；所述信號處理單元，其輸入端與信號輸出單元的輸出端連接，其輸出端與所述并聯式 逆變電源中的各個IGBT的驅動板連接，用于接收所述N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信 號、并將其中的每路PWM/SPWM/SVPWM調制信號分為M個相同頻率的信號后輸出。
2.如權利要求1所述的并聯IGBT的驅動控制系統，其特征在于，所述信號輸出單元為 DSP處理單元，該DSP處理單元包括相互連接的PID控制器/PI控制器和PWM功能模塊單 元；所述PID控制器/PI控制器，與并聯式逆變電源中各個IGBT連接，用于接收各個IGBT 的反饋信號并對該反饋信號進行動態調節；所述PWM功能模塊單元，用于根據經過動態調節的反饋信號和DSP處理單元內部產生 的三角調制波進行調制處理，輸出動態的N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號。
3.如權利要求1所述的并聯IGBT的驅動控制系統，其特征在于，所述信號輸出單元包 括依次連接的用于產生脈沖波形的DSP處理單元、用于對反饋信號進行動態調節的模擬電 路和用于進行PWM/SPWM/SVPWM調制處理的調制電路；其中，模擬電路還與并聯式逆變電源中各個IGBT連接，調制電路的輸出端與并聯式逆變電 源中的各個IGBT的驅動板連接。
4.如權利要求1至3任一所述的并聯IGBT的驅動控制系統，其特征在于，所述信號處 理單元采用FPGA或者CPLD處理芯片。
5.一種如權利要求1所述驅動控制系統的驅動方法，應用于并聯式逆變電源，其特征 在于，該方法包括步驟接收各個IGBT的反饋信號并對其進行動態調節，據此對調制信號調制后生成動態的N 對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號；對于所述N對互補的PWM/SPWM/SVPWM調制信號中的每路PWM/SPWM/SVPWM調制信號， 將其分成M路調制信號，且這M路調制信號的開關頻率均為轉換前PWM/SPWM/SVPWM調制信 號的1/M；采用獲得的2*M*N路PWM/SPWM/SVPWM調制信號分別驅動所述并聯式逆變電源中的各 個 IGBT。
6.如權利要求5所述的驅動方法，其特征在于，對于單相半橋逆變電源，所述N為1；對 于三相半橋逆變電源，所述N為3 ；對于三相全橋逆變電源，所述N為6。
7.如權利要求5所述的驅動方法，其特征在于，所述M與并聯的IGBT個數相同。
全文摘要
本發明公開了一種并聯IGBT的驅動控制系統及方法，應用于并聯式逆變電源，所述系統包括信號輸出單元，其輸入端與并聯式逆變電源中的各個IGBT連接，其輸出端與信號處理單元連接，用于接收反饋信號并據此進行調制處理，輸出動態的N對互補的調制信號；信號處理單元，與并聯式逆變電源中的各個IGBT的驅動板連接，用于接收N對互補的調制信號、并將每路調制信號分為M個相同頻率的信號后輸出。采用本發明，可使得M個并聯的IGBT交替輪流地工作，IGBT的開關頻率降低了1/M，從而降低了IGBT的損耗；與此同時，還避免了M個并聯的IGBT的電流不均衡，避免了由于電流不均衡引起的對電源的可靠性和穩定性的不良影響。
文檔編號H02M7/537GK102075069SQ20111002382
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月21日 優先權日2011年1月21日
發明者黨彥波, 劉在獻, 李方 申請人:深圳飛能能源有限公司