本發(fā)明涉及電力電子器件領域，尤其是涉及一種IGBT死區(qū)時間的優(yōu)化方法。

背景技術：

變流器是一種電能變換裝置，廣泛應用于新能源發(fā)電、交通、冶金等眾多領域。死區(qū)時間作為變流器關鍵技術參數(shù)，對于系統(tǒng)的運行與控制性能有重要的影響。死區(qū)時間過小可能導致IGBT橋臂直通，產生過大的直通短路電流、損耗及電磁干擾，降低變流器的運行性能甚至造成器件損壞；然而死區(qū)時間過大會在變流器中產生死區(qū)效應，降低變流器輸出電壓精度、增加低次諧波(特別是低壓運行)，惡化變流器的控制性能。因此選擇較優(yōu)的死區(qū)時間對變流器至關重要。目前，有如下幾種死區(qū)時間的選擇方法：

(1)Infineon死區(qū)時間公式法：Infineon公司提供的應用手冊中采用公式T_d＝[(t_{d_off_max}-t_{d_on_min})+(t_{pdd_max}-t_{pdd_min})]*1.2計算IGBT死區(qū)時間。其中t_d-off-max和t_d-on-min分別為IGBT關斷最大延時時間和開通最小延時時間，t_pdd-max和t_pdd-min分別為驅動電路最大輸出延時和最小輸出延時，系數(shù)1.2為安全裕量。該方法將1％IGBT額定電流時對應的開關時間參數(shù)帶入死區(qū)時間公式計算IGBT最優(yōu)死區(qū)時間。然而并未有任何文獻提供充分的理論與工程依據(jù)說明選擇1％IGBT額定電流作為死區(qū)時間優(yōu)化限值的合理性，此外根據(jù)該公式得到的死區(qū)時間可能偏于保守。

(2)Fuji空載死區(qū)時間測試法：富士電機公司應用手冊中提供方法是根據(jù)不同死區(qū)時間條件下空載運行的變流器中直流母線電流的峰值大小確定IGBT最優(yōu)死區(qū)時間。若死區(qū)時間足夠充裕，則橋臂上下管開關過程中，直流母線會產生峰值不變的電流響應。不斷減小死區(qū)時間，當直流母線電流峰值增大時，就認為此時死區(qū)時間已不足。以保證直流母線電流峰值不變的最小死區(qū)時間為所測模塊的最優(yōu)死區(qū)時間。這種方法保證了空載條件下變流器的安全性，然而在變流器負載運行時條件下，抑制IGBT直通需要更大的死區(qū)時間，因此該方法得到的死區(qū)時間可能不足以有效抑制IGBT直通。

(3)周華偉等人發(fā)表的“一種新穎的電壓源逆變器自適應死區(qū)補償策略”以及Attaianese C等人發(fā)表的“A novel SVM strategy for VSI dead-time-effect reduction”兩篇文獻，通過延長IGBT占空比補償由于死區(qū)時間而丟失的脈沖寬度，進而來抑制死區(qū)效應。這種方法需對每次開關周期的脈沖寬度進行判斷補償，會占用大量控制器計算資源。

(4)中國專利CN200910214150.1“一種用于變頻器上的死區(qū)補償方法”以及中國專利CN201510976030.0“逆變器的死區(qū)補償方法及裝置”，通過前饋控制補償死區(qū)脈沖電壓的平均值。這種方法需對電流過零點實施硬件檢測，這增加該方法的復雜性與成本。

(5)中國專利CN201410074828.1“逆變器死區(qū)時間消除方法及裝置”記載：除電流過零點時刻外，橋臂中僅需一路有效門極信號控制IGBT開通關斷，而無需設置死區(qū)時間。該方法可在電流不過零點的時刻消除死區(qū)效應，但在電流過零點過程需恢復死區(qū)時間。該方法需額外的電流極性檢測電路且過電流過零點附近變流器可能存在輸出精度下降的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種IGBT死區(qū)時間的優(yōu)化方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種IGBT死區(qū)時間的優(yōu)化方法，該方法包括如下步驟：

(1)采用待優(yōu)化的IGBT搭建變流器；

(2)以當前設定的死區(qū)時間運行變流器，獲取在該死區(qū)時間下變流器的關鍵性能參數(shù)；

(3)以步長ΔT_d減小死區(qū)時間并循環(huán)執(zhí)行步驟(2)直至變流器的關鍵性能參數(shù)發(fā)生劇變；

(4)對于每種性能參數(shù)繪制其隨死區(qū)時間變化的性能參數(shù)-時間曲線，根據(jù)性能參數(shù)-時間曲線獲取使得對應性能參數(shù)不超過設定閾值時的死區(qū)時間作為待選取死區(qū)時間；

(5)從多個待選取死區(qū)時間中選取最大值并留取一定裕量作為IGBT的最優(yōu)死區(qū)時間。

所述的關鍵性能參數(shù)包括最大直通電流、最大過沖電壓、開關損耗以及共模干擾參數(shù)。

所述的最大直通電流通過如下方式獲?。哼\行變流器，獲取1個電流周期內集電極電流I_c的波形，從集電極電流I_c的波形中讀取最大直通電流。

所述的最大過沖電壓通過如下方式獲?。哼\行變流器，獲取1個電流周期內IGBT的集電極和發(fā)射極之間的管壓降V_ce的波形，從管壓降V_ce的波形中讀取最大過沖電壓。

所述的開關損耗通過如下方式獲取：運行變流器，獲取1個電流周期內IGBT的集電極電流I_c以及集電極和發(fā)射極之間的管壓降V_ce的波形，根據(jù)I_c和V_ce的乘積在時域內的積分求取IGBT的開關損耗。

所述的，共模干擾參數(shù)通過如下方式得到：運行變流器，獲取1個電流周期內整個變流器系統(tǒng)的地線電流I_g，在共模干擾頻率范圍內對地線電流I_g進行頻譜分析，計算地線電流I_g噪聲值在共模干擾頻段內的平均值，將該平均值作為共模干擾參數(shù)。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明方法不追求完全避免IGBT直通，而在變流器開發(fā)測試階段通過現(xiàn)場測試綜合評估死區(qū)時間給變流器系統(tǒng)運行與控制性能的影響，以確定最優(yōu)死區(qū)時間，通過現(xiàn)場測試確定IGBT最優(yōu)死區(qū)時間，從而有效避免死區(qū)時間過小損壞IGBT器件的情況，充分確保變流器系統(tǒng)運行的安全性與可靠性；

(2)更合理：Infineon死區(qū)時間優(yōu)化法將IGBT1％額定電流所對應的動態(tài)參數(shù)帶入公式計算，以獲得最優(yōu)死區(qū)時間，該方法1％額定電流的選擇具有很大的經驗性，F(xiàn)uji死區(qū)時間優(yōu)化法只保證了變流器空載運行時的安全性，而變流器負載運行時，由于IGBT動態(tài)參數(shù)的變化，該方法所得結果可能無法保證變流器的安全運行，本方法以變流器關鍵性能參數(shù)作為衡量死區(qū)時間是否充足的標準，所得死區(qū)時間更小，可以在保證變流器運行性能的前提下最大限度提高變流器的控制性能，該方法的理論依據(jù)是：(a)變流器中的直通現(xiàn)象很難完全抑制，根據(jù)IGBT動態(tài)特性，IGBT小電流關斷時間較長，以廠商推薦的死區(qū)時間很難完全抑制IGBT在電流過零點附近出現(xiàn)直通現(xiàn)象；(b)一定程度的IGBT直通不會影響變流器的安全性，因為直通電流會增加IGBT內部載流子濃度，客觀上加快了IGBT的關斷速度，從而限制直通電流。

(3)更可靠有效：選取的性能參數(shù)最大直通電流、開關損耗、最大過沖電壓以及共模干擾參數(shù)，從多種性能參數(shù)反應變流器的工作性能，確保IGBT直通不威脅變流器安全可靠運行的前提下，最大限度地減小死區(qū)時間以提高變流器的控制性能，從而使得最后選取的最優(yōu)死區(qū)時間更加可靠有效；

(4)簡便：本發(fā)明方法無需增加額外硬件電路，實施簡便、成本低。

附圖說明

圖1為本實施例IGBT死區(qū)時間的優(yōu)化方法的流程框圖；

圖2為本實施例搭建的變流器的結構示意圖；

圖3為本實施例死區(qū)時間為2.4μs時IGBT直通波形；

圖4為本實施例最大直通電流隨死區(qū)時間變化曲線；

圖5為本實施例開關損耗隨死區(qū)時間變化曲線；

圖6為本實施例最大過沖電壓隨死區(qū)時間變化曲線；

圖7為本實施例共模干擾參數(shù)隨死區(qū)時間變化曲線。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例

一種IGBT死區(qū)時間的優(yōu)化方法，該方法包括如下步驟：

(1)采用待優(yōu)化的IGBT搭建變流器；

(2)以當前設定的死區(qū)時間運行變流器，獲取在該死區(qū)時間下變流器的關鍵性能參數(shù)；

(3)以步長ΔT_d減小死區(qū)時間并循環(huán)執(zhí)行步驟(2)直至變流器的關鍵性能參數(shù)發(fā)生劇變；

(4)對于每種性能參數(shù)繪制其隨死區(qū)時間變化的性能參數(shù)-時間曲線，根據(jù)性能參數(shù)-時間曲線獲取使得對應性能參數(shù)不超過設定閾值時的死區(qū)時間作為待選取死區(qū)時間；

(5)從多個待選取死區(qū)時間中選取最大值并留取一定裕量作為IGBT的最優(yōu)死區(qū)時間。

關鍵性能參數(shù)包括最大直通電流、最大過沖電壓、開關損耗以及共模干擾參數(shù)。

最大直通電流通過如下方式獲?。哼\行變流器，獲取1個電流周期內集電極電流I_c的波形，從集電極電流I_c的波形中讀取最大直通電流。最大過沖電壓通過如下方式獲?。哼\行變流器，獲取1個電流周期內IGBT的集電極和發(fā)射極之間的管壓降V_ce的波形，從管壓降V_ce的波形中讀取最大過沖電壓。開關損耗通過如下方式獲?。哼\行變流器，獲取1個電流周期內IGBT的集電極電流I_c以及集電極和發(fā)射極之間的管壓降V_ce的波形，根據(jù)I_c和V_ce的乘積在時域內的積分求取IGBT的開關損耗。共模干擾參數(shù)通過如下方式得到：運行變流器，獲取1個電流周期內整個變流器系統(tǒng)的地線電流I_g，在共模干擾頻率范圍內對地線電流I_g進行頻譜分析，計算地線電流I_g噪聲值在共模干擾頻段內的平均值，將該平均值作為共模干擾參數(shù)。

具體地本實施例中變流器IGBT死區(qū)時間優(yōu)化方法的具體流程如圖1所示，具體步驟為：

步驟01：測試系統(tǒng)搭建，如圖2所示，變流器為三相變流器，變流器直流端連接直流電容C，電容C通過整流器連接至交流電源，變流器交流輸出端連接三相負載，通過交流電源對直流電容C充電；

步驟02：將交流電源隔離；

步驟03：以死區(qū)時間T_d運行變流器，該死區(qū)時間T_d可以根據(jù)IGBT廠家給出的死區(qū)時間來選擇；

步驟04：選擇合適的高帶寬電流和電壓探頭以及高速數(shù)字示波器測量IGBT管壓降V_ce，集電極電流I_c以及地線電流I_g波形；

步驟05：根據(jù)IGBT管壓降V_ce，集電極電流I_c以及地線電流I_g波形判斷關鍵性能參數(shù)是否劇變，若是則執(zhí)行步驟06，否則執(zhí)行步驟07；

步驟06：對IGBT管壓降V_ce，集電極電流I_c以及地線電流I_g波形進行數(shù)據(jù)提取，通過對現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)進行處理分析，得到系統(tǒng)的最大直通電流，開關損耗，最大過沖電壓以及共模干擾隨死區(qū)時間的變化情況，執(zhí)行步驟08；

步驟07：選擇合理的死區(qū)減小步長，返回步驟03按照當前的死區(qū)時間運行變流器；

步驟08：繪制最大直通電流，開關損耗，最大過沖電壓以及共模干擾隨死區(qū)時間變化的曲線得到4個關鍵性能參數(shù)的性能參數(shù)-時間曲線；

步驟09：根據(jù)繪制的4個關鍵性能參數(shù)的性能參數(shù)-時間曲線得到最優(yōu)死區(qū)時間。

本實施例通過現(xiàn)場測試對380V/10kW變流器中1.2kV/50A IGBT功率模塊(Infineon：FF50R12RT4)的死區(qū)時間進行了優(yōu)化。

圖3是死區(qū)時間T_d＝2.4μs時，IGBT在0.2A關斷時集電極電流以及管壓降的波形。此時IGBT因死區(qū)時間不足而發(fā)生直通。該直通現(xiàn)象驗證了變流器中IGBT直通的兩個特性。1)直通很難完全抑制。若要使實驗所用IGBT在0.2A處不發(fā)生直通，則死區(qū)時間需要達到5μs以上。用如此大的死區(qū)時間來抑制這種輕微的直通是沒有必要的，并且會犧牲很多變流器的控制性能；2)不是所有的直通都會威脅到IGBT的安全可靠性。關斷直通程度較輕微時，IGBT已基本完成關斷，且直通電流又加速了IGBT的關斷速度，所以直通電流會被限制內安全范圍內，不會對IGBT的安全性造成威脅。

在此基礎上對IGBT死區(qū)時間進行優(yōu)化實驗。變流器在額定工況下最大直通電流、開關損耗、最大過沖電壓、共模干擾參數(shù)隨死區(qū)時間的變化結構依次如圖4、圖5、圖6和圖7所示，圖7中共模干擾參數(shù)表示為ΔN。通過性能參數(shù)-時間曲線可以得出各關鍵新能參數(shù)下的最優(yōu)死區(qū)時間分別為0.5μs、0.4μs、0.3μs、0.4μs。取其中最大值0.5μs為該型號IGBT的最優(yōu)死區(qū)時間。在該死區(qū)時間條件，可在保證變流器安全可靠運行的前提下，最大提升變流器的控制性能。

根據(jù)Infineon提供的IGBT死區(qū)時間確定方法，計算出該型號IGBT的最優(yōu)死區(qū)時間為2.4μs；根據(jù)Fuji公司提供的方法，實驗測得到該型號IGBT的最優(yōu)死區(qū)時間為0.16μs。以三種方法所得最優(yōu)死區(qū)時間結果運行變流器，變流器關鍵性能參數(shù)如表1所示。

表1不同死區(qū)時間條件下變流器運行性能比較

本發(fā)明IGBT死區(qū)時間優(yōu)化法與Infineon公式法結果相比較，前者死區(qū)時間大為減小。因此本發(fā)明死區(qū)時間優(yōu)化法可以充分提升變流器的控制性能。同時通過四個運行性能指標隨死區(qū)時間變化關系曲線可知，當變流器采用IGBT死區(qū)時間優(yōu)化法所得結果時，變流器的運行性能下降不多，可以保證變流器安全可靠運行。因此Infineon公式法所得結果相對較為保守。Fuji空載死區(qū)時間法所得的IGBT最優(yōu)死區(qū)時間最小，但當變流器工作于此死區(qū)時間下，其各項運行性能指標明顯惡化。綜合比較結果表明，與傳統(tǒng)方法相比本發(fā)明方法提出的IGBT死區(qū)時間優(yōu)化方法能在確保變流器安全、可靠運行的前提下最大限度減小死區(qū)時間從而提高系統(tǒng)性能。