IGBT并联电流均衡模型和神经网络控制研究

发布时间：2020-08-28 19:40

【摘要】：绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)并联是电力变换系统中广泛采用的一种提高系统电流能力的方法。IGBT并联技术在给电力变换系统提升容量的同时,也带来IGBT支路电流的不均衡问题,这严重影响了并联系统的可靠性。由于IGBT在制造过程中,不可避免地存在误差,虽然这些误差都在工艺的控制上下限范围内,但是这些微小的误差引起了IGBT在并联时器件本身特性的不一致,再加上同型号系统个体之间,由寄生参数引起的负载电路和驱动电路的细微差别,IGBT并联时电流不均衡问题就凸显了出来,不均衡电流给系统会带来可靠性的问题,必然会使得某些器件承受的电流大于其它器件,这就加速了这些承受电流相对较大器件的磨损,造成未达到其预期寿命而提前失效。目前IGBT并联均流是一个国际研究热点,对电流均衡度的测量,即对单个IGBT电流的测量,包括开关瞬态电流和导通稳态电流,尚无软测量(Virtual Sensing,VS)法的报道,如基于神经网络(Artificial Neural Network,BPANN)的软测量法等。对于电流均衡度控制方面,即对单个IGBT的电流控制,也没有基于智能控制算法的报道,如神经网络PID(Artificial Neural Network based PID,ANN-PID)等。本文对IGBT并联电流均衡模型与神经网络控制进行了深入研究,从不均衡电流的测量和控制两个方面均提出创新性的解决方法。本文提出了并联IGBT电流均衡软测量模型,建立了软测量法,对不均衡度(或均衡度)进行测量。同时提出了电流不均衡度(均衡度)ANN-PID控制法和栅电荷调节器技术用于对IGBT并联电流不均衡度(均衡度)的控制。最后开发了原型机对并联IGBT的电流不均衡度(均衡度)实现了ANN-PID控制。本文主要创新点如下:(1)首次提出并联IGBT电流均衡软测量(Balance Current Virtual Sensing,BCVS)模型,建立了IGBT电流的软测量方法。本文建立了IGBT在导通稳态时集电极电流和栅电荷Q_G的关系、IGBT在开通瞬态和关断瞬态的状态空间方程,并结合IGBT器件物理解析模型,以此作为解析软测量(Analytical Virtual Sensing,AVS)模型,找出了影响IGBT电流且在实际应用中易于测量的物理参数,建立了它们和IGBT全域电流之间的经验软测量(Empirical Virtual Sensing,EVS)模型,以此作为BCVS模型。在特定IGBT应用系统中,利用人工智能(Artificial Intelligence,AI)技术如误差反传ANN(Back Propagation ANN,BPANN)和K-means聚类等机器学习算法,对BCVS模型进行求解,即找出了BCVS模型中相关参数与IGBT电流之间的数学关系,并利用该求解后的BCVS模型对IGBT电流或IGBT并联不均衡度(均衡度)进行全域范围(开通瞬态,导通稳态,关断瞬态)软测量。实验结果表明该软测量法能有效对IGBT电流进行预测,对单个IGBT电流测量的平均误差为3%。在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)平台上实现了该软测量法的硬件算法,并验证了其有效性,对单个IGBT电流测量的平均误差为0.6%,FPGA工作于100MHz时,单次软测量计算时间为310ns。软测量法在实际应用中不需要电流传感器,减少了系统成本开销,不改变算法结构前提下,其实时性由相关参数的数据采集速度、计算资源等决定。(2)提出并联IGBT电流均衡度ANN控制新方法。迄今为止,在国际上普遍采用在器件开关瞬态对IGBT进行开关时延和栅电压补偿的方法来进行均衡度控制。本文基于ANN的自适应控制特性,将其与比例-微分-积分(Proportion-Integral-Derivative,PID)控制相结合,实现了对每个IGBT的全域电流进行自适应控制和实时控制,让其逼近同一条参考电流曲线,从而实现均衡度控制。在FPGA上对相关算法进行了验证,验证表明对单个IGBT电流的控制的平均误差可达0.023%,FPGA工作于200MHz时,单次控制计算时间为240ns。在实际应用中,不改变控制算法结构前提下,控制计算时间由计算资源决定。(3)提出IGBT栅电荷调节(Gate Quantity of Electric Charge Regulator,GQR)技术,可对IGBT电流进行全域范围内的调节。GQR属于有源栅控技术(Active Gate Control),电路实现简单,可通过分立器件或集成电路的方式实现,无需对IGBT栅驱动进行重新设计,仿真和实验验证表明,GQR技术可改善IGBT开关性能,如开关瞬态di/dt,dv/dt的调节,过冲电流电压和振荡的抑制以及导通稳态下的电流的任意调节。(4)设计和实现了IGBT并联均流ANN控制原型机。采用了基于IGBT并联电流均衡模型,ANN控制法和GQR技术,开发了IGBT均流原型机,实现了IGBT并联均流控制,实验结果表明使用ANN-PID和GQR技术和不采取均流措施相比,可将用于实验的BUCK变换器中并联IGBT的电流不均衡度降低7倍。并将负载电流从小到大变化,得出并联均流性能提升曲线,在实验负载范围类为3~23倍。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN322.8

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本文编号：2808064