【摘要】：絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)并聯(lián)是電力變換系統(tǒng)中廣泛采用的一種提高系統(tǒng)電流能力的方法。IGBT并聯(lián)技術(shù)在給電力變換系統(tǒng)提升容量的同時,也帶來IGBT支路電流的不均衡問題,這嚴(yán)重影響了并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。由于IGBT在制造過程中,不可避免地存在誤差,雖然這些誤差都在工藝的控制上下限范圍內(nèi),但是這些微小的誤差引起了IGBT在并聯(lián)時器件本身特性的不一致,再加上同型號系統(tǒng)個體之間,由寄生參數(shù)引起的負(fù)載電路和驅(qū)動電路的細(xì)微差別,IGBT并聯(lián)時電流不均衡問題就凸顯了出來,不均衡電流給系統(tǒng)會帶來可靠性的問題,必然會使得某些器件承受的電流大于其它器件,這就加速了這些承受電流相對較大器件的磨損,造成未達(dá)到其預(yù)期壽命而提前失效。目前IGBT并聯(lián)均流是一個國際研究熱點,對電流均衡度的測量,即對單個IGBT電流的測量,包括開關(guān)瞬態(tài)電流和導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)電流,尚無軟測量(Virtual Sensing,VS)法的報道,如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network,BPANN)的軟測量法等。對于電流均衡度控制方面,即對單個IGBT的電流控制,也沒有基于智能控制算法的報道,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID(Artificial Neural Network based PID,ANN-PID)等。本文對IGBT并聯(lián)電流均衡模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)行了深入研究,從不均衡電流的測量和控制兩個方面均提出創(chuàng)新性的解決方法。本文提出了并聯(lián)IGBT電流均衡軟測量模型,建立了軟測量法,對不均衡度(或均衡度)進(jìn)行測量。同時提出了電流不均衡度(均衡度)ANN-PID控制法和柵電荷調(diào)節(jié)器技術(shù)用于對IGBT并聯(lián)電流不均衡度(均衡度)的控制。最后開發(fā)了原型機(jī)對并聯(lián)IGBT的電流不均衡度(均衡度)實現(xiàn)了ANN-PID控制。本文主要創(chuàng)新點如下:(1)首次提出并聯(lián)IGBT電流均衡軟測量(Balance Current Virtual Sensing,BCVS)模型,建立了IGBT電流的軟測量方法。本文建立了IGBT在導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)時集電極電流和柵電荷Q_G的關(guān)系、IGBT在開通瞬態(tài)和關(guān)斷瞬態(tài)的狀態(tài)空間方程,并結(jié)合IGBT器件物理解析模型,以此作為解析軟測量(Analytical Virtual Sensing,AVS)模型,找出了影響IGBT電流且在實際應(yīng)用中易于測量的物理參數(shù),建立了它們和IGBT全域電流之間的經(jīng)驗軟測量(Empirical Virtual Sensing,EVS)模型,以此作為BCVS模型。在特定IGBT應(yīng)用系統(tǒng)中,利用人工智能(Artificial Intelligence,AI)技術(shù)如誤差反傳ANN(Back Propagation ANN,BPANN)和K-means聚類等機(jī)器學(xué)習(xí)算法,對BCVS模型進(jìn)行求解,即找出了BCVS模型中相關(guān)參數(shù)與IGBT電流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,并利用該求解后的BCVS模型對IGBT電流或IGBT并聯(lián)不均衡度(均衡度)進(jìn)行全域范圍(開通瞬態(tài),導(dǎo)通穩(wěn)態(tài),關(guān)斷瞬態(tài))軟測量。實驗結(jié)果表明該軟測量法能有效對IGBT電流進(jìn)行預(yù)測,對單個IGBT電流測量的平均誤差為3%。在現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)平臺上實現(xiàn)了該軟測量法的硬件算法,并驗證了其有效性,對單個IGBT電流測量的平均誤差為0.6%,FPGA工作于100MHz時,單次軟測量計算時間為310ns。軟測量法在實際應(yīng)用中不需要電流傳感器,減少了系統(tǒng)成本開銷,不改變算法結(jié)構(gòu)前提下,其實時性由相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集速度、計算資源等決定。(2)提出并聯(lián)IGBT電流均衡度ANN控制新方法。迄今為止,在國際上普遍采用在器件開關(guān)瞬態(tài)對IGBT進(jìn)行開關(guān)時延和柵電壓補(bǔ)償?shù)姆椒▉磉M(jìn)行均衡度控制。本文基于ANN的自適應(yīng)控制特性,將其與比例-微分-積分(Proportion-Integral-Derivative,PID)控制相結(jié)合,實現(xiàn)了對每個IGBT的全域電流進(jìn)行自適應(yīng)控制和實時控制,讓其逼近同一條參考電流曲線,從而實現(xiàn)均衡度控制。在FPGA上對相關(guān)算法進(jìn)行了驗證,驗證表明對單個IGBT電流的控制的平均誤差可達(dá)0.023%,FPGA工作于200MHz時,單次控制計算時間為240ns。在實際應(yīng)用中,不改變控制算法結(jié)構(gòu)前提下,控制計算時間由計算資源決定。(3)提出IGBT柵電荷調(diào)節(jié)(Gate Quantity of Electric Charge Regulator,GQR)技術(shù),可對IGBT電流進(jìn)行全域范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。GQR屬于有源柵控技術(shù)(Active Gate Control),電路實現(xiàn)簡單,可通過分立器件或集成電路的方式實現(xiàn),無需對IGBT柵驅(qū)動進(jìn)行重新設(shè)計,仿真和實驗驗證表明,GQR技術(shù)可改善IGBT開關(guān)性能,如開關(guān)瞬態(tài)di/dt,dv/dt的調(diào)節(jié),過沖電流電壓和振蕩的抑制以及導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)下的電流的任意調(diào)節(jié)。(4)設(shè)計和實現(xiàn)了IGBT并聯(lián)均流ANN控制原型機(jī)。采用了基于IGBT并聯(lián)電流均衡模型,ANN控制法和GQR技術(shù),開發(fā)了IGBT均流原型機(jī),實現(xiàn)了IGBT并聯(lián)均流控制,實驗結(jié)果表明使用ANN-PID和GQR技術(shù)和不采取均流措施相比,可將用于實驗的BUCK變換器中并聯(lián)IGBT的電流不均衡度降低7倍。并將負(fù)載電流從小到大變化,得出并聯(lián)均流性能提升曲線,在實驗負(fù)載范圍類為3~23倍。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN322.8

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1 丁順;邢巖;王鈞;胡海兵;;IGBT串聯(lián)動態(tài)均壓特性分析與控制[J];電工技術(shù)學(xué)報;年期

2 譚耀q

本文編號：2808064