本發(fā)明涉及電力電子器件領(lǐng)域，更具體涉及一種數(shù)字化驅(qū)動的IGBT電流檢測系統(tǒng)及其檢測方法。

背景技術(shù)：
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數(shù)字驅(qū)動近些年來成為IGBT驅(qū)動發(fā)展的新趨勢，而且在功率大的IGBT器件上優(yōu)勢更加明顯。數(shù)字驅(qū)動相對模擬驅(qū)動來具有靈活性高，可以通過更新程序?qū)崿F(xiàn)不同控制特性；控制精確，精確的時序控制，完美的關(guān)鍵保護；一致性和環(huán)境穩(wěn)定性好，數(shù)字驅(qū)動控制特性不受RC參數(shù)差異影響，不受溫度變化影響。

現(xiàn)今的IGBT驅(qū)動板，無論是數(shù)字驅(qū)動還是模擬驅(qū)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(tǒng)，比如模塊化多電平變換器(MMC)，該系統(tǒng)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(xiàn)實。綜上所述，直接通過數(shù)字化驅(qū)動板估測IGBT的導(dǎo)通電流將是很好的選擇。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)字化驅(qū)動的IGBT電流檢測系統(tǒng)及其檢測方法，比模擬驅(qū)動更加靈活，具有多段式開通方式和更多保護方式。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種數(shù)字化驅(qū)動的IGBT電流檢測系統(tǒng)，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(qū)動邏輯及信息回報；

所述控制模塊用于完成IGBT導(dǎo)通電流和IGBT模塊結(jié)溫的檢測，并將導(dǎo)通電流和結(jié)溫檢測的計算結(jié)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(qū)動邏輯模塊、門極驅(qū)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(qū)動邏輯模塊用于驅(qū)動IGBT模塊；所述門級驅(qū)動陣列模塊用于實現(xiàn)IGBT的多段式開通關(guān)斷；所述傳輸模塊用于將所述IGBT模塊的導(dǎo)通電流，結(jié)溫和工作狀態(tài)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(dǎo)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(dǎo)通壓降Vce信息；計算IGBT模塊流過的電流和所述結(jié)溫并將所述電流和結(jié)溫傳送至所述可編程邏輯模塊。

所述主控制模塊還包括數(shù)模轉(zhuǎn)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(dǎo)通壓降Vce的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息，將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)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(dǎo)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(xiàn)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(wěn)定性的、高安全性的microsemi公司 最新一代FPGA。

一種數(shù)字化驅(qū)動的IGBT電流檢測系統(tǒng)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(dǎo)通壓降Vce模擬量信息；

將所述模擬量信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息；

根據(jù)導(dǎo)通壓降Vce數(shù)字量信息和溫度T_heatsink數(shù)字量信息檢測所述IGBT模塊的導(dǎo)通電流和IGBT模塊的結(jié)溫并將所述導(dǎo)通電流和結(jié)溫檢測的計算結(jié)果通過高速總線傳輸給所述可編輯模塊。

所述導(dǎo)通電流和結(jié)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(shè)的IGBT結(jié)溫Tj；利用所述Tj和采集的Vce電壓，分別計算出IGBT的導(dǎo)通損耗P_cond和開關(guān)損耗P_sw；所述導(dǎo)通損耗P_cond和開關(guān)損耗P_sw的求和為當(dāng)前假設(shè)結(jié)溫下的總損耗P_tot1；利用所述結(jié)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(shù)值差距較大，繼續(xù)增大ΔT，直到P_tot1和P_tot2的計算結(jié)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(jié)合所述采集的Vce電壓，求得IGBT的導(dǎo)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(dǎo)通損耗P_cond和開關(guān)損耗P_sw：

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

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

其中，fsw為IGBT開關(guān)頻率，Eon為IGBT開通損耗，Eoff為IGBT關(guān) 斷損耗，F(xiàn)_Eon(Ic,Tj)為結(jié)溫Tj、導(dǎo)通電流Ic與Eon的關(guān)系曲線，F(xiàn)_Eoff(Ic,Tj)為結(jié)溫Tj、導(dǎo)通電流Ic和Eoff的關(guān)系曲線。

因此，求得當(dāng)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(jié)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(shè)IGBT的結(jié)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(jié)果，最終利用不斷迭代的方式計算出所述IGBT的導(dǎo)通電流通過下式確定：

和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果

1、本發(fā)明技術(shù)方案對數(shù)字化IGBT驅(qū)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(jiān)測和控制；

2、本發(fā)明技術(shù)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(fù)雜的大功率IGBT系統(tǒng)，優(yōu)勢很明顯；

3、本發(fā)明技術(shù)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(jié)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(fā)明技術(shù)方案通過監(jiān)測IGBT的導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗以及結(jié)溫，可 以評估當(dāng)前IGBT的性能，進而能提前預(yù)判IGBT的好壞。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例數(shù)字化IGBT驅(qū)動控制框圖；

圖2為本發(fā)明實施例某公司3300V/1500A的IGBT導(dǎo)通特性曲線圖；

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

圖4為本發(fā)明實施例反復(fù)迭代的流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。

實施例1：

本例的發(fā)明一種數(shù)字化驅(qū)動的IGBT電流檢測系統(tǒng)及其檢測方法，所述系統(tǒng)包括如圖1所示，數(shù)字化驅(qū)動板的主控芯片采用集成FPGA和ARM的單芯片高性能CPU，F(xiàn)PGA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(qū)動邏輯及信息回報功能等；高性能ARM模塊完成復(fù)雜的電流檢測算法，并將計算結(jié)果通過CPU內(nèi)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(shù)字化IGBT驅(qū)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(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將溫度的模擬量以及IGBT的導(dǎo)通壓降Vce轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送給微控制器(MCU)，本實施例中MCU為ARM。根據(jù)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(qū)動邏輯模塊、門極驅(qū) 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(qū)動邏輯模塊用于驅(qū)動IGBT模塊；所述門級驅(qū)動陣列模塊用于實現(xiàn)IGBT的多段式開通關(guān)斷；所述傳輸模塊為回報光纖，用于將所述IGBT模塊的導(dǎo)通電流，結(jié)溫和工作狀態(tài)反饋至上位機。該控制系統(tǒng)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(dǎo)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(dǎo)通壓降Vce信息；計算IGBT模塊流過的電流和所述結(jié)溫并將所述電流和結(jié)溫傳送至所述FPGA。

所述主控制芯片還包括數(shù)模轉(zhuǎn)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(dǎo)通壓降Vce的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息，將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送給所述ARM；所述電壓采集模塊用于采集所述IGBT模塊的導(dǎo)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(chǔ)介紹數(shù)字化驅(qū)動的電流檢測方法。圖2為IGBT導(dǎo)通特性曲線，在IGBT的額定電流附近，V_ce(sat)和I_c的關(guān)系可以近似的用線性法來表示：

根據(jù)IGBT的導(dǎo)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(jié)溫T_j和門極電壓V_ge有關(guān)，通常V_ge的驅(qū)動電壓固定不變。因此可以IGBT飽和電壓，芯片的結(jié)溫T_j反求出導(dǎo)通電流，并將該函數(shù)簡寫表示：

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

其中d為IGBT的導(dǎo)通占空比。

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

根據(jù)IGBT開關(guān)損耗特性曲線可知，當(dāng)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(guān)損耗與導(dǎo)通電流Ic，芯片的結(jié)溫Tj和門極電壓Vge有關(guān)，通常Vge的驅(qū)動電壓固定不變。芯片的結(jié)溫Tj越高，IGBT的開關(guān)損耗越高；IGBT導(dǎo)通電流越高，IGBT的開關(guān)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(guān)損耗和開關(guān)頻率fsw，可以計算出IGBT總的損耗P_sw：

Psw＝fsw x(Eon+Eoff) (5)

假設(shè)IGBT的結(jié)溫為Tj，根據(jù)計算得到IGBT導(dǎo)通電流Ic，利用Eon和Eoff與Tj和Ic的關(guān)系曲線能夠獲得IGBT的關(guān)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(dǎo)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(jié)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(shè)IGBT的結(jié)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(fù)迭代計算的流程圖，該計算由高性能ARM完成，數(shù)字驅(qū)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(shè)的IGBT結(jié)溫Tj，利用Tj和采集的Vce電壓，分別根據(jù)公式3和6計算出IGBT的導(dǎo)通損耗P_cond和開關(guān)損耗P_sw，兩者求和為當(dāng)前假設(shè)結(jié)溫下的總損耗P_tot1。同時利用結(jié)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(shù)值差距較大，可以繼續(xù)增大ΔT，直到P_tot1和P_tot2的計算結(jié)果想接近，此時ΔT為所求的IGBT芯片到散熱片的溫差，再結(jié)合采集的Vce電壓，最后利用公式2求得IGBT的導(dǎo)通電流。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員盡管參照上述實施例應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)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(fā)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(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。