基于變論域模糊控制的并聯IGBT均流策略研究

（西安工業大學 電子信息工程學院，西安710021）

隨著電源技術的發展以及工業的需求，逆變電源正向著大功率、高性能的方向發展。為了增大電源功率，常采用并聯IGBT 的方式來滿足要求。當IGBT模塊并聯使用時，并聯連接架構不合理，會造成IGBT 之間的集電極電流大小不一樣，嚴重的甚至導致單個模塊過載引發停機造成安全事故。國內外專家將IGBT 并聯不均流以開關特性不同分為靜態不均流和動態不均流，并提出了一些改善措施，主要有降額法、電路拓撲結構改變法和主動門級控制法[1-4]。

目前IGBT均流策略研究的方向及重點是主動門極電壓控制法。該方法通常采用模擬電路構建簡單的PI 控制[5]或者采用查表法控制[6]。但對于PI 控制器參數的整定，一般采用經驗試湊法，經驗試湊過程中大電流電壓易造成危險事故，且無法保證控制系統運行在最佳狀態。

針對上述均流策略所存在的問題，在此首先從理論上對IGBT 穩態電流的數學模型進行分析，隨后提出一種基于變論域模糊控制的閉環調節IGBT并聯靜態均流策略，最后建立了逆變電路對均流策略進行仿真驗證。

1 IGBT 靜態導通電流控制分析

IGBT 等效結構由連接成偽達林頓結構的雙極性PNP 晶體管、驅動它的N 溝道MOSFET、各極間寄生電容和柵極內阻組成，如圖1所示。

圖1 IGBT 等效電路Fig.1 IGBT equivalent circuit

根據圖1 的IGBT 的等效電路，文獻[8]建立了IGBT 模型，IGBT 導通電流IC為

式中：K為等效跨導；VT為導通的閾值電壓；Vce為通態飽和壓降；Vge為柵射極驅動電壓。K 和VT由器件自身參數決定幾乎不變。

由該模型可以得出，IGBT 靜態導通電流為

其中，等效跨導和導通的閾值電壓由器件自身參數決定，而柵極驅動電壓可由人為設定。

而IGBT 的導通穩態壓降，是指IGBT 導通期間流過的電流在其導通等效電阻上產生的壓降，即

導通電阻R 主要由4個部分構成：Roh為溝道電阻，Ra為積累層電阻，Rj為JFET 電阻，Repi為外延層電阻。導通電阻最主要的組成部分是溝道電阻，而溝道電阻Roh為

式中：L為器件的溝道長度；μns為溝道反型層電子的遷移率；Z為單位面積的溝道寬度；Cox為單位面積的柵氧化層電容。

綜合上述分析，驅動電壓和穩態壓降都會影響IGBT 的穩態電流，三者之間為相互影響的復雜關系，改變其中一個量都會影響另外兩個量，但任意一個量都無法直接決定另外兩個量的大小。但可以通過改變IGBT 的柵極導通電壓Vge影響靜態導通電流的大小?；诖朔治鰧崿FIGBT 并聯靜態均流控制。

2 IGBT均流策略研究

2.1 控制策略的選擇

經上述分析，IGBT 集電極電流有計算模型，但變量太多，變量之間關系復雜難以精確描述，而傳統控制多基于被控對象的準確模型，并且柵極驅動電壓并不能直接決定靜態電流。在此情況下，模糊控制就可以解決這種復雜系統下的控制問題，滿足對系統實時控制的需求。其主要原理是根據專家的實際控制經驗建立為模糊規則庫，然后通過規則庫進行模糊推理，得出控制量，從而實現對復雜系統的控制。為了提高模糊控制的精度，在此采用變論域模糊控制算法。

變論域的基本思想是論域上模糊劃分不變的前提下，論域隨著誤差的變小而收縮，亦隨著誤差的變大而擴張，通過論域的變換，把專家總結出來的初始規則庫變成更加有效的新規則庫。表面上看，規則的個數沒有變化，但由于論域的收縮而使得規則局部加細，相當于增加規則數，從而提高了控制的精度。

2.2 控制結構設計

在此所提出的閉環調節IGBT 并聯靜態均流的策略結構如圖2所示。該均流策略的基本原理如下：每一個IGBT 都有一個控制器，采集當前2個IGBT 的集電極電流，計算電流不均衡度以及不均衡度的變化量，輸入到控制器，經過控制器處理，輸出相對應的柵極驅動電壓，以改變集電極電流，從而實現靜態均流。

圖2 閉環調節IGBT 并聯靜態均流策略結構Fig.2 Structure of closed-loop regulation IGBT parallel static current sharing strategy

根據調節機制，設計了IGBT 的具體控制結構，如圖3所示。其控制流程如下：

步驟1根據伸縮因子的函數模型、電流不均衡度δ 和不均衡度變化量Δδ，計算出輸入變量和輸出變量的伸縮因子α，β；

步驟2根據α 和β 計算出當前輸入輸出變量的論域；

步驟3將當前輸入變量和論域輸入模糊控制器中，計算出正向驅動電壓的增加量Δu；

步驟4輸出量Δu 與前一時刻驅動電壓Vge相加，得出當前時刻驅動電壓，再用該電壓進行IGBT驅動。

圖3 單個IGBT 控制結構Fig.3 Single IGBT control structure

驅動電路的設計，運用一種可調電源為驅動電路提供電能，由模糊控制器產生柵極驅動電壓的目標參考值，根據目標值調節電源輸出電壓即可。

2.3 模糊控制器的設計

模糊控制器是模糊控制系統的核心。一個模糊控制系統的性能優劣，主要取決于模糊控制器的結構、所采用的模糊規則、合成推理算法及模糊策略。

在此所設計的模糊控制器有2個輸入變量和1個輸出變量。由于在逆變電路中，IGBT 的集電極電流隨負載變化而變化，沒有一個準確的范圍區間，而所設計的控制系統主要為降低不均衡度。因此，輸入變量分別選擇為當前電流不均衡度δ（n）和當前不均衡度變化量Δδ（n），且Δδ（n）=δ（n）-δ（n-1），其中δ（n），δ（n-1）分別為采集第n次、第n-1次IGBT 發射極電流后計算出的電流不均衡度；輸出變量為IGBT 柵極驅動電壓的增量Δu。不均衡度為

式中：ICEn為第n個IGBT 的靜態電流。

輸入變量電流不均衡度和不均衡度變化率的初始論域為［-1，1］，輸出初始論域為［-2，2］，并在這3個論域上等距離劃分為7，并取三角函數為隸屬度函數。

變論域具體方法：假設輸入變量的論域為Xi=［-Ei，Ei］，輸出變量的初始論域設Y=［-U，U］，經過變換后的論域記為Xi=［-αi（t）Ei，αi（t）Ei］，Y=［-β（t）U，β（t）U］。其中αi（t）和β（t）為論域的伸縮因子。

根據文獻[9]，選擇式（6）（7）作為輸入變量、輸出量論域的伸縮因子，即

式中：KI為比例因子；β（0）為輸出論域伸縮因子初值；Pi為輸入變量權重常數向量，Pi=［p1，p2，…，pi］；ei（τ）為誤差矢量；n為輸入變量數量。

在此上述伸縮因子中的參數分別選取為

模糊規則庫建立：在實際工作電路各種參數確定的情況下，根據測試數據，建立一種驅動電壓與穩態電流的規則關系，利用該規則建立模糊規則庫。模糊規則的形式為

根據上述原則得到的模糊規則見表1。最后，去模糊化的方法選擇系數加權平均法。

表1 模糊控制規則Tab.1 Fuzzy control rules

3 均流策略驗證

為了得到更加精確地仿真度，在此利用PSPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）和MatLab 的slps 接口技術聯合仿真[10]，在PSPICE中進行逆變電路的搭建和仿真，在MatLab 中仿真運行控制策略來對IGBT 進行控制。

在PSPICE 中搭建的逆變電源仿真電路如圖4所示，為電壓型半橋逆變電路，上下半橋臂各有2個并聯的IGBT，負載為串聯RLC。通過網絡標號與MatLab 里搭建的控制器相連接。仿真電路的各項參數如下：IGBT 型號為CM200DY-24H，母線電壓為600 V，輸出頻率10 kHz，負載R=2 Ω，L=10 mH，C=22.35 μF。初始驅動電壓Vge=14 V。

在MatLab 里搭建控制仿真，如圖5所示。由于MatLab 自帶的模糊邏輯工具箱不支持變論域功能，故在此采用MatLab Fan 來編寫模糊控制器[10]。

圖4 PSPICE 電路仿真Fig.4 PSPICE circuit simulation

圖5 MatLab 控制仿真Fig.5 MatLab control simulation

在Z4 的輸出線路上串聯一個0.002 Ω 電阻，用于模擬IGBT 靜態不均流。此時電路中Z3，Z4 的集電極電流如圖6所示，此時Z3，Z4 的靜態電流的不均衡度為δ=±12.49%。

采用變論域模糊控制的仿真結果如圖7所示，此時IGBT 的靜態不均衡度為δ=±2.7%。

為了比較目前常用的PI 控制與本文提出的變論域模糊控制方法的性能，設計了對比仿真試驗。采用PI 控制進行仿真的結果如圖8所示。

圖6 Z3，Z4 導通電流Fig.6 Z3，Z4 conduction current

圖7 變論域模糊控制的均流效果Fig.7 Current sharing effect of variable universe fuzzy control

圖8 PI 控制均流效果Fig.8 PI control current sharing effect

這2種方法所用IGBT 和逆變電路的參數相同，在仿真時長同為3 s 的情況下，比較結果見表2。由表可知，采用變論域模糊控制參數的方法優于PI 控制，能更好地降低電流不均衡度，響應速度更快。

表2 兩種方法的定量比較Tab.2 Quantitative comparison of two methods

4 結語

針對IGBT 并聯使用時出現靜態不均流問題，根據模型和公式關系從理論角度分析了影響靜態電流因素，找到了可以用于控制解決不均流問題的被控量——驅動電壓。針對目前常用PI 控制存在的參數整定難，均流效果無法達到最佳等問題，提出了基于變論域模糊控制的閉環調節IGBT 并聯靜態均流策略，變論域模糊控制在未增加模糊劃分的前提下，通過論域隨誤差的變化進行收縮，變相地增加了控制規則，從而提高了精度。通過對比仿真試驗，結果證明了使用變論域模糊控制這一均流策略，能夠使控制系統運行效率更佳而且有效地降低不均衡度，可以很好地解決IGBT 并聯時遇到的不均流問題。