專利名稱：串聯(lián)igbt均壓保護控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及IGBT控制電路，更具體地說是一種適用于高壓直流輸電系統(tǒng)中的高壓 變流器和基于IGBT串聯(lián)的高壓變頻器等高壓場合中的IGBT控制電路。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管(Insolated Gate Bipolar Transistor- —IGBT),是上世紀(jì)80年 代初為解決MOSFET的高導(dǎo)通電壓、難以制成兼有高電壓和大電流特性和GTR的工作頻率低、 驅(qū)動電路功率大等不足而出現(xiàn)的雙機理復(fù)合器件(Double Mechanism Device)。由于它將 MOSFET和GTR的優(yōu)點集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好，且驅(qū)動電路簡 單、驅(qū)動電流小等優(yōu)點，又具有通態(tài)壓降小、耐壓高及承受電流大等優(yōu)點，因此發(fā)展很快。 目前IGBT的容量已超過了 GTR。在電機控制、中頻和開關(guān)電源，以及要求快速和低損耗的 領(lǐng)域中，IGBT有取代MOSFET和GTR的趨勢。
柔性直流輸電變流器要求橋臂中的功率開關(guān)器件具有較高的耐壓值(10KV-150KV)，而 目前商業(yè)化生產(chǎn)的可控開關(guān)器件耐壓值只有6000V，因此必須采用在同一橋臂串聯(lián)開關(guān)器件 的方法來實現(xiàn)高耐壓值。IGBT不僅具有電壓控制輸入特性、低阻通態(tài)輸出特性，還具有高輸 入阻抗、電壓驅(qū)動、無二次擊穿和安全工作區(qū)寬等優(yōu)點，可以在眾多領(lǐng)域替代GTR和功率 MOSFET等器件，同時，由于它的結(jié)構(gòu)特性，決定了它具有高速開關(guān)的能力，可以滿足P麗技 術(shù)的要求。
柔性直流輸電換流站為電壓源結(jié)構(gòu)，采用PWM技術(shù)控制器件開關(guān)，而應(yīng)用IGBT的電壓 變流器主要具有的特點包括較高的系統(tǒng)工作頻率、電路結(jié)構(gòu)更緊湊、緩沖電路的功率損耗 減小，以及驅(qū)動電路簡單。
但是，由于IGBT開關(guān)器件個體的差異，IGBT的串聯(lián)使用中有很多問題必須解決
1、 器件參數(shù)的差異
器件引線分布電感和級聯(lián)器件的吸收電路的特性不一致，因而會導(dǎo)致不同的開關(guān)特性和 電壓尖峰，串聯(lián)IGBT在關(guān)斷過程中，先關(guān)斷的器件要承受很高的過電壓,而且會導(dǎo)致靜態(tài)電 壓不平衡，在開通過程中后導(dǎo)通的器件要承受可能會高于正常電壓數(shù)倍的過電壓。而在開關(guān) 器件轉(zhuǎn)換的瞬間，也會表現(xiàn)不同的開關(guān)特性，從而會導(dǎo)致串聯(lián)器件的動態(tài)電壓失衡。
2、 串聯(lián)IGBT的柵極信號的延遲
信號的延遲極大地影響了電壓的不平衡，柵極信號延遲不同會造成開通過程中在慢開的 器件上產(chǎn)生電壓尖峰，關(guān)斷過程中先關(guān)斷的器件產(chǎn)生過電壓并造成靜態(tài)電壓失衡。串聯(lián)IGBT
3的柵極信號的延遲也會導(dǎo)致動態(tài)電壓的不平衡，柵極信號延遲不同會造成器件的開關(guān)動作不 一致，開通過程中在后開通的器件上產(chǎn)生電壓尖峰，關(guān)斷過程中先關(guān)斷的器件產(chǎn)生過電壓并 造成靜態(tài)電壓失衡。
過去幾年里，高壓大功率IGBT和IGCT開始應(yīng)用.但其應(yīng)用仍受到了較大的限制，特別 是在甚高電壓的設(shè)備中，串聯(lián)使用顯得很有必要.然而原來的功率器件串聯(lián)技術(shù)不能直接用 于IGBT的串聯(lián)使用，因為IGBT的通常關(guān)斷時間在O. 3 0. 5us，因此傳統(tǒng)的均壓措施是 行不通的。串聯(lián)聯(lián)接IGBT實行均壓的目的是為了保證在關(guān)斷瞬間對每個IGBT的過電壓保持 均衡，因而要求控制電路的響應(yīng)是快速的；不允許產(chǎn)生更多的損耗和降低系統(tǒng)的開關(guān)頻率； 同時在工程上是經(jīng)濟有效的。因此設(shè)計有效的均壓控制電路十分必要。
串聯(lián)IGBT的控制方法可分為無源吸收法、驅(qū)動信號調(diào)節(jié)法、有標(biāo)準(zhǔn)曲線的柵極主動控 制法和無標(biāo)準(zhǔn)曲線的柵極主動控制法。
無源吸收法通過在IGBT兩端并聯(lián)RC或RCD吸收電路，限制開關(guān)過程中端電壓的變化 率，從而使串聯(lián)器件的開關(guān)動作差異變小，降低串聯(lián)器件端電壓的不平衡率。但這一方法會 影響串聯(lián)電路的開關(guān)速度，并且產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，因此應(yīng)用范圍有限。
驅(qū)動信號調(diào)節(jié)方法包括同步變壓器法和關(guān)斷時間調(diào)節(jié)法。同步變壓器法將串聯(lián)IGBT的 柵極通過變壓器兩兩耦合在一起，減小驅(qū)動信號的延遲，使串聯(lián)器件的開關(guān)動作趨于同步， 從而減小驅(qū)動信號不一致對電壓平衡的影響。此方法雖然能對驅(qū)動信號延遲造成的分壓不均 有較好的抑制作用，但對因器件參數(shù)的分散性引起的端電壓不平衡沒有任何控制效果；關(guān)斷 時間調(diào)節(jié)法根據(jù)串聯(lián)器件端電壓的不平衡率在下一個開關(guān)周期對驅(qū)動信號的下降沿進行相 應(yīng)的調(diào)整，此方法在出現(xiàn)電壓不平衡現(xiàn)象的下一個開關(guān)周期才能起作用，控制效果有較大的 延遲。
無源吸收法、驅(qū)動信號調(diào)節(jié)法都不能對續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電壓進行有效的控制。 有標(biāo)準(zhǔn)曲線的柵極主動控制方法是通過反饋回路將IGBT端電壓反饋回控制電路，與給 定的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)曲線比較，根據(jù)比較結(jié)果對IGBT柵極電壓進行相應(yīng)的調(diào)整。使IGBT端電壓 跟蹤標(biāo)準(zhǔn)曲線。此方法控制電路由反饋回路、參考電壓發(fā)生電路等部分組成，控制電路復(fù)雜， 可靠性較差且難以實現(xiàn)。
無標(biāo)準(zhǔn)曲線的柵極主動控制方法包括基于穩(wěn)壓二極管和miller電容的動態(tài)箝位電路，基 于龜阻、電容和二極管的動態(tài)驅(qū)動電路等。這類控制電路都是由簡單的模擬元件組成，通過 向IGBT柵極注入與電壓不平衡率相關(guān)的控制電流，使串聯(lián)IGBT的端電壓保持平衡。此類 控制方法控制電路簡單，易于實現(xiàn)。但串聯(lián)IGBT的開關(guān)損耗和控制電路的控制損耗都較大。
實用新型內(nèi)容
本實用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種串聯(lián)IGBT均壓保護控制 電路，通過綜合外部米勒(miller)電容和穩(wěn)壓管箝位控制方法的優(yōu)點，以簡單的模擬元件 組成控制電路，以實現(xiàn)類似于標(biāo)準(zhǔn)曲線IGBT開關(guān)電壓波形，在開關(guān)過程的不同階段實現(xiàn)不 同的電壓變化率。
本實用新型解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
本實用新型串聯(lián)IGBT均壓保護控制電路的結(jié)構(gòu)特點是設(shè)置電壓變化率控制電路和端電 壓箝位控制電路；
所述電壓變化率控制電路是由單向?qū)ǘO管D2、充放電電容C1和電阻R2構(gòu)成，在 所述IGBT的關(guān)斷過程中，由導(dǎo)通的二極管D2和充電狀態(tài)下的電容Cl構(gòu)成并聯(lián)在IGBT的 CG端的IGBT外部電容；在所述IGBT的導(dǎo)通過程中，電容Cl以電阻R2為放電通道；
所述端電壓箝位電路由三極管T1、 T2構(gòu)成，箝位狀態(tài)是以直流源通過三極管T2、 二極 管D3向IGBT的柵極電容充電。
本實用新型的結(jié)構(gòu)特點也在于在所述IGBT的CE端接入串聯(lián)設(shè)置的靜態(tài)均壓電阻R3、 R4,并以電阻R3、 R4的分壓通過穩(wěn)壓管DZ向箝位電路反饋IGBT端電壓。
與已有技術(shù)相比，本實用新型有益效果體現(xiàn)在-
1、 本實用新型控制電路由模擬元件構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，在效率和可靠性 方面較之已有技術(shù)都有所提高。
2、 本實用新型控制電路結(jié)合外部米勒電容和穩(wěn)壓管箝位，IGBT關(guān)斷時具有兩階段電壓 變化率，可以在均壓效果和開關(guān)損耗之間找到平衡點，IGBT的開關(guān)損耗因外部米勒電容的 控制方式而小很多。同時由于IGBT的關(guān)斷后期電壓變化率降低，為箝位電路的控制贏得時 間，使得箝位電路能更可靠地工作。
3、 本實用新型控制電路中，箝位電路的輸入電壓是由分壓電組提供，通過調(diào)節(jié)分壓電 阻的比例，箝位電路可以由單個穩(wěn)壓管實現(xiàn)，因此避免了多個穩(wěn)壓管串聯(lián)使用可能帶來的電 路可靠性問題。


圖1為本實用新型電路原理圖2為本實用新型控制電路在saber仿真軟件中的仿真圖，仿真條件為直流側(cè)電壓 2500V，電流125A，阻感負載；
圖3為同一型號的兩個IGBT串聯(lián)電路開關(guān)過程的仿真電壓波形。兩個IGBT的驅(qū)動信號延遲200ns 。
圖4為同一型號的兩個IGBT串聯(lián)電路IGBT關(guān)斷過程仿真電壓波形放大圖。兩個IGBT
的驅(qū)動信號延遲200ns。
圖5為同一型號的兩個IGBT串聯(lián)電路IGBT開通過程仿真電壓波形放大圖。兩個IGBT
的驅(qū)動信號延遲200ns。
圖6為不同型號的兩個IGBT串聯(lián)電路開關(guān)過程的仿真電壓波形。 圖7為不同型號的兩個IGBT串聯(lián)電路IGBT關(guān)斷過程仿真電壓波形放大圖。 圖8為不同型號的兩個IGBT串聯(lián)電路IGBT開通過程仿真電壓波形放大圖。 以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。
具體實施方式
參見圖l，針對IGBT器件，設(shè)置電壓變化率控制電路和端電壓箝位控制電路； 圖1所示，電壓變化率控制電路是由單向?qū)ǘO管D2、充放電電容C1和電阻R2構(gòu) 成。在IGBT的關(guān)斷過程中，當(dāng)IGBT端電壓高于電容C1上的電壓時，二極管D2導(dǎo)通，電 容Cl并聯(lián)接入IGBT的GC兩端，充當(dāng)IGBT的外部miller電容，從而使IGBT端電壓上升 率降低，同時由于電容Cl遠大于IGBT寄生miller電容，因此可忽略IGBT自身參數(shù)的不 一致性，達到電壓均衡的作用。開通過程中電容C1通過電阻R2放電到設(shè)定的電壓變化率 轉(zhuǎn)折點電壓值。兩階段電壓變化率即保證了關(guān)斷效率，又對IGBT關(guān)斷過程的動態(tài)過電壓也 有很好的控制效果。
圖1示出，IGBT端電壓箝位電路由三極管T1、 T2構(gòu)成，在IGBT的CE端接入串聯(lián)設(shè) 置的靜態(tài)均壓電阻R3、 R4，并以電阻R3、 R4分壓通過穩(wěn)壓管DZ向箝位電路反饋IGBT端 電壓。當(dāng)IGBT端電壓高于平均值一定幅度時，穩(wěn)壓管DZ被擊穿，三極管T1、 T2導(dǎo)通， 15伏直流源通過三極管T2、 二極管D3向IGBT柵極電容充電，使IGBT端電壓下降至箝位 電壓以下。由于箝位電路的輸入電壓是由分壓電路提供，通過調(diào)節(jié)分壓電阻的比例，箝位電 路可以由單個穩(wěn)壓管實現(xiàn)，以此避免多個穩(wěn)壓管串聯(lián)使用可能帶來的控制電路的工作可靠性 問題。
圖2為saber仿真原理圖，仿真條件為直流側(cè)電壓2500V，電流125A，阻感負載。
圖3為同一型號的兩個IGBT串聯(lián)電路在驅(qū)動信號延遲200ns條件下的開關(guān)過程仿真電
壓波形。由圖可見IGBT的動靜態(tài)均壓效果良好。證明此電路對因驅(qū)動信號延遲造成的串聯(lián)
IGBT電分壓不均有很好的控制效果。
圖4為同一型號的兩個IGBT串聯(lián)電路在驅(qū)動信號延遲200ns條件下的關(guān)斷過程仿真電壓波形放大圖，可見在IGBT關(guān)斷時，具有明顯的兩階段電壓變化率，在IGBT關(guān)斷末期電 壓能被可靠的箝位在設(shè)定值(仿真設(shè)置為1.3KV)，且電壓波形無振蕩現(xiàn)象。
圖5為同一型號的兩個IGBT串聯(lián)電路在驅(qū)動信號延遲200ns條件下的開通過程仿真電 壓波形放大圖，由圖可見，滯后的IGBT電壓能被箝位在設(shè)定的1.3KV，同時無振蕩現(xiàn)象， 且不影響IGBT的開通速度。
如圖6所示為兩個不同型號的IGBT串聯(lián)電路在驅(qū)動信號延遲200ns條件下的開關(guān)過程 仿真電壓波形，由圖可見IGBT的動靜態(tài)均壓效果良好。證明此控制電路對因串聯(lián)IGBT寄 生參數(shù)分散性引起的分壓不均同樣有很好的控制效果。
圖7所示為兩個不同型號的IGBT串聯(lián)電路在驅(qū)動信號延遲200ns條件下的關(guān)斷過程仿 真電壓波形放大圖，可見在IGBT關(guān)斷時，具有明顯的兩階段電壓變化率，在電壓變化率轉(zhuǎn) 折點前，兩只IGBT關(guān)斷的電壓變化率明顯不同，但在外部miller電容并聯(lián)在IGBT的gc端 時，兩IGBT關(guān)斷的電壓變化里明顯趨于一致；在IGBT關(guān)斷末期電壓能被可靠的箝位在設(shè) 定值(仿真設(shè)置為L3KV)，且電壓波形無振蕩現(xiàn)象(工程方案l，在均壓后期電壓具有振蕩現(xiàn) 象，影響了系統(tǒng)的電磁兼容性)。
圖8所示為兩個不同型號的IGBT串聯(lián)電路在驅(qū)動信號延遲200ns條件下的幵通過程仿 真電壓波形放大圖，由圖可見，滯后的IGBT電壓能被箝位在設(shè)定的1.3KV，同時無振蕩現(xiàn) 象，且不影響IGBT的開通速度。
仿真分析結(jié)果表明，該電路能在各種不同條件下滿足IGBT動靜態(tài)均壓的要求，同時在 關(guān)斷后期電壓變化率下降，尤其針對大功率IGBT，可大大降低其擎柱效應(yīng)的可能性，提高 關(guān)斷效率，且電壓波形無振蕩，提高了串聯(lián)的可靠性。
權(quán)利要求1、串聯(lián)IGBT均壓保護控制電路，其特征是設(shè)置電壓變化率控制電路和端電壓箝位控制電路；所述電壓變化率控制電路是由單向?qū)ǘO管D2、充放電電容C1和電阻R2構(gòu)成，在所述IGBT的關(guān)斷過程中，由導(dǎo)通的二極管D2和充電狀態(tài)下的電容C1構(gòu)成并聯(lián)在IGBT的CG端的IGBT外部電容；在所述IGBT的導(dǎo)通過程中，電容C1以電阻R2為放電通道；所述端電壓箝位電路由三極管T1、T2構(gòu)成，箝位狀態(tài)是以直流源通過三極管T2、二極管D3向IGBT的柵極電容充電。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)IGBT均壓保護控制電路，其特征是在所述IGBT的CE 端接入串聯(lián)設(shè)置的靜態(tài)均壓電阻R3、 R4，并以電阻R3、 R4的分壓通過穩(wěn)壓管DZ向箝位 電路反饋IGBT端電壓。
專利摘要串聯(lián)IGBT均壓保護控制電路，其結(jié)構(gòu)特點是設(shè)置電壓變化率控制電路和端電壓箝位控制電路；電壓變化率控制電路是由單向?qū)ǘO管D2、充放電電容C1和電阻R2構(gòu)成，在IGBT的關(guān)斷過程中，由導(dǎo)通的二極管D2和充電狀態(tài)下的電容C1構(gòu)成并聯(lián)在IGBT的CG端的IGBT外部電容；在IGBT的開通過程中，電容C1以電阻R2為放電通道；所述端電壓箝位電路由三極管T1、T2構(gòu)成，箝位狀態(tài)是以直流源通過三極管T2、二極管D3向IGBT的柵極電容充電。本實用新型以簡單的模擬元件組成控制電路，實現(xiàn)了類似于標(biāo)準(zhǔn)曲線IGBT開關(guān)電壓波形，在開關(guān)過程的不同階段實現(xiàn)不同的電壓變化率。
文檔編號H02H7/12GK201345539SQ20092014278
公開日2009年11月11日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者淳 劉, 孫榮丙, 興 張, 蒲道杰 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)