專利名稱：一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型igbt的改進(jìn)型rcd緩沖電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路。
背景技術(shù)：
IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)綜合了 GTR(電力晶體管)和 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金氧半場效晶體管)的優(yōu)點(diǎn)，具備了輸入阻抗高，開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)簡單，通態(tài)壓降低等諸多優(yōu)良特性，因此在大功率電能變換領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用。但是由于當(dāng)前工藝和制造水平的限制，在高壓大功率電能變換場合單個(gè)IGBT器件的耐壓等級還不能滿足的要求，而將多個(gè)IGBT直接串聯(lián)使用是一個(gè)較為簡單、經(jīng)濟(jì)的解決方法。因?yàn)镮GBT的開關(guān)動(dòng)作很快，當(dāng)其關(guān)斷時(shí)，或者其反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的di/dt，由于放電回路中存在一定的雜散電感以及配線電感，會(huì)帶來關(guān)斷浪涌電壓問題(LXdi/dt)。抑制該浪涌電壓方法主要有①在IGBT中加上緩沖電路，吸收浪涌電壓調(diào)整IGBT驅(qū)動(dòng)電路的正負(fù)電平和門極電阻，減小di/dt;③盡量減少回路的雜散電感以及配線電感。在對IGBT進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，必須保證器件工作在安全區(qū)域內(nèi)，防止其因?yàn)檫^壓而損壞，因此在②、③方法已經(jīng)無法進(jìn)一步調(diào)節(jié)的時(shí)候，采用緩沖吸收電路來實(shí)現(xiàn)過壓的吸收更具有研究價(jià)值，因?yàn)椴煌木彌_電路和方法吸收的效果不同，應(yīng)用場合也有所側(cè)重。傳統(tǒng)的緩沖吸收電路主要有1、RC緩沖電路。R串聯(lián)C后直接并聯(lián)在IGBT兩端。它具有電路簡單，吸收損耗小，速度快的特定。但是因?yàn)镃在IGBT工作的每個(gè)周期都要充放電一次，在R上會(huì)產(chǎn)生很大的損耗。應(yīng)用于大容量IGBT時(shí)，R必須位于低值，結(jié)果使得關(guān)斷時(shí)集電極電流增大，IGBT的負(fù)荷加重。此種緩沖電路的損耗很大，僅僅適合在低頻低壓電路上應(yīng)用。2、RCD緩沖電路。R、D并聯(lián)后與C串聯(lián)，再并聯(lián)在IGBT兩端。在IGBT關(guān)斷時(shí)R被D旁路，因此R值可以選取高值，能夠回避開通時(shí)的IGBT負(fù)擔(dān)問題。C充電時(shí)R不產(chǎn)生損耗。但是C放電仍會(huì)在R上產(chǎn)生較大損耗，當(dāng)運(yùn)行頻率較高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響裝置的運(yùn)行效率。因此也只適合在中低頻應(yīng)用。3、放電阻止型緩沖電路。將R的放電回路與電源端相連，放電時(shí)也是將C放到電壓和電源相等(穩(wěn)態(tài)電壓)時(shí)就停止，這樣就使得電阻R上的損耗大大降低，比較適合高頻應(yīng)用。但是電路復(fù)雜，電路的連線會(huì)引入較大的雜散電感，影響吸收效果。同時(shí)在高壓IGBT直接串聯(lián)時(shí)無法直接應(yīng)用，因?yàn)榇藭r(shí)每個(gè)IGBT對應(yīng)的緩沖電路上的C的穩(wěn)態(tài)電壓不一致，需要進(jìn)行額外的穩(wěn)態(tài)均壓處理，結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且成本也昂貴。同時(shí)連線會(huì)更加復(fù)雜，不適合直接串聯(lián)型IGBT應(yīng)用
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路，所述改進(jìn)型RCD緩沖電路包括RCD緩沖單元、電壓采樣模塊、比較器模塊、脈沖發(fā)生單元和輔助開關(guān)單元；所述RCD緩沖單元包括電阻R、二極管D和電容C，電阻R與二極管D并聯(lián)后與電容C串聯(lián)，再并聯(lián)到所述IGBT的集電極和發(fā)射極兩端；所述電壓采樣模塊對所述IGBT的集電極和發(fā)射極兩端的電壓進(jìn)行分壓，所述比較器模塊對所述IGBT兩端經(jīng)過分壓后的電壓和預(yù)設(shè)的參考電平進(jìn)行比較，所述脈沖發(fā)生單元的輸入端與所述比較器模塊的輸出端連接；所述IGBT處于穩(wěn)態(tài)時(shí)所述比較器模塊輸出電源電平，所述脈沖發(fā)生單元輸出低電平；所述IGBT處于過壓狀態(tài)時(shí)，所述IGBT兩端經(jīng)過分壓后的電壓超過所述預(yù)設(shè)的參考電平時(shí)，所述比較器模塊輸出低電平，所述脈沖發(fā)生單元輸出脈沖，所述輔助開關(guān)單元?jiǎng)幼鲗λ鯮CD緩沖單元中的所述電容C上的能量進(jìn)行脈沖可調(diào)的短時(shí)泄放處理。本發(fā)明提供的第一優(yōu)選實(shí)施例中所述電壓采樣模塊包括串聯(lián)的電阻R2和電阻R3，所述IGBT的集電極和發(fā)射極兩端連接所述串聯(lián)的電阻R2和電阻R3后，取所述電阻R2和電阻R3連接點(diǎn)的電壓為所述IGBT的集電極和發(fā)射極兩端經(jīng)過分壓后的電壓。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選實(shí)施例中所述比較器模塊包括比較器0P1，所述IGBT的集電極和發(fā)射極兩端經(jīng)過分壓后的電壓接入所述比較器OPl的負(fù)輸入端，所述預(yù)設(shè)的參考電平接入所述比較器OPl的正輸入端。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選實(shí)施例中所述脈沖發(fā)生單元包括LM555及其外圍電路組成；所述比較器模塊的輸出端通過電容C2后與LM555的觸發(fā)引腳^相連，所述LM555的放電引腳Dc通過電容C3與所述IGBT的發(fā)射極相連，控制電壓引腳Cv通過電容C4與所述IGBT的發(fā)射極相連，地線引腳GND與IGBT的發(fā)射極直接相連；所述LM555的放電引腳D。與觸發(fā)引腳f和閥值引腳Th相連接，復(fù)位引腳^和電源引腳Vrc相連接，所述放電引腳Dc與觸發(fā)引腳 Γ和閥值引腳Th相連接后經(jīng)過并聯(lián)的電阻R4、二極管D2和電阻R5與所述復(fù)位引腳瓦；和電源引腳V。。的連接點(diǎn)相連接；所述LM555的輸出引腳OUT為所述脈沖發(fā)生單元的輸出端。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選實(shí)施例中所述二極管D2為鉗位二極管；所述脈沖發(fā)生單元輸出的脈沖的脈寬通過調(diào)節(jié)所述電阻R5和電容C3的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中，所述脈沖的脈寬的值近似等于1.1倍的所述電阻R5和電容C3的值的乘積。本發(fā)明提供的第五優(yōu)選實(shí)施例中所述輔助開關(guān)單元包括驅(qū)動(dòng)模塊、IGBTl'和電阻R6 ；所述IGBT1’和電阻R6串聯(lián)后與電容Cl的兩端相連接，所述驅(qū)動(dòng)模塊連接所述脈沖發(fā)生單元的輸出端和所述IGBT1’的柵極；所述IGBT處于過壓狀態(tài)時(shí)，所述脈沖發(fā)生單元輸出一定脈寬的脈沖，所述驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)IGBT1’導(dǎo)通，所述電容Cl的過壓尖峰通過IGBT1’和電阻R6快速放電消減，所述脈沖結(jié)束后，所述IGBT1’關(guān)斷，所述電容Cl維持在穩(wěn)態(tài)電壓。本發(fā)明提供的一種應(yīng)用 于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路的有益效果包括
1、本發(fā)明提供的一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路，過壓緩沖控制的原理基于放電阻止的思想，當(dāng)檢測到過壓時(shí)，通過脈沖發(fā)生單元發(fā)生短時(shí)脈沖控制輔助IGBT的開通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)短時(shí)的過壓能量泄放。這種泄放是短暫的，能快速的降低IGBT兩端的過壓到正常范圍，并且與傳統(tǒng)的RCD緩沖電路相比其損耗會(huì)大大降低。同時(shí)這種泄放脈寬是可控的，可以根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整，進(jìn)一步降低損?；乇芰藗鹘y(tǒng)RCD緩沖電路對R、IGBT的負(fù)擔(dān)問題，緩沖電容C可以選取較大的容值來增加吸收效果而不會(huì)導(dǎo)致過大的損耗，更易于實(shí)現(xiàn)，減小了成本。2、所有元件可集中一塊吸收電路板上，結(jié)構(gòu)簡單可靠，便于安裝，并且可以運(yùn)用在較高頻率的基于IGBT直接串聯(lián)的換流設(shè)備上。


如圖1所示為本發(fā)明提供的一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路的原理不意圖；如圖2所示為本發(fā)明提供的一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路的電路結(jié)構(gòu)圖；如圖3所示為本發(fā)明提供的改進(jìn)型RCD緩沖電路與傳統(tǒng)RCD緩沖電路在直接串聯(lián)型IGBT應(yīng)用上的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)的說明。本發(fā)明提供一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路，對傳統(tǒng)的RCD緩沖電路進(jìn)行改進(jìn)，對電容C上的過壓進(jìn)行快速泄放并最終維持該電壓在穩(wěn)態(tài)電壓，從而實(shí)現(xiàn)放電阻止型緩沖電路的緩沖效果，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，由于雜散電感等的影響會(huì)在IGBT兩端產(chǎn)生較大的過壓。該過壓可以通過電阻分壓檢測出來并和比較器進(jìn)行比較，輸出控制信號，再由脈沖發(fā)生單元產(chǎn)生脈沖可調(diào)的脈沖信號對輔助放電回路進(jìn)行控制。如圖1所示為本發(fā)明提供的一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路的原理示意圖。由圖1可知，該改進(jìn)型RCD電路包括RCD緩沖單元、電壓采樣模塊、比較器模塊、脈沖發(fā)生單元和輔助開關(guān)單元。RCD緩沖單元為傳統(tǒng)的RCD緩沖電路，包括電阻R、二極管D和電容C，電阻R與二極管D并聯(lián)后與電容C串聯(lián)，再并聯(lián)到IGBT的集電極和發(fā)射極兩端。電阻R的數(shù)值較大，提供輔助的放電通路，正常運(yùn)行時(shí)其損耗很低，可忽略其耗損影響。電壓采樣模塊對IGBT的集電極和發(fā)射極兩端的電壓進(jìn)行分壓，比較器模塊對IGBT兩端經(jīng)過分壓后的電壓和預(yù)設(shè)的參考電平進(jìn)行比較，脈沖發(fā)生單元的輸入端與比較器模塊的輸出端連接。IGBT處于穩(wěn)態(tài)時(shí)比較器模塊輸出電源電平，脈沖發(fā)生單兀輸出低電平。IGBT處于過壓狀態(tài)時(shí)，IGBT兩端經(jīng)過分壓后的電壓超過參考電平時(shí)，比較器模塊輸出低電平，脈沖發(fā)生單元輸出脈沖，輔助開關(guān)單元?jiǎng)幼鲗CD緩沖單元中的電容C上的能量進(jìn)行脈沖可調(diào)的短時(shí)泄放處理。具體的，如圖2所示為本發(fā)明提供的一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路的電路結(jié)構(gòu)圖，圖2中，IGBTl與IGBT2串聯(lián)，IGBTl和IGBT2均連接有該改進(jìn)型RCD緩沖電路，以IGBTl為例，由圖2可知，電壓采樣模塊包括串聯(lián)的電阻R2和電阻R3，IGBT的集電極和發(fā)射極兩端連接串聯(lián)的電阻R2和電阻R3后，取電阻R2和電阻R3連接點(diǎn)的電壓為IGBTl的集電極和發(fā)射極兩端經(jīng)過分壓后的電壓。比較器模塊包括比較器0P1，IGBT的集電極和發(fā)射極兩端經(jīng)過分壓后的電壓接入比較器OPl的負(fù)輸入端，預(yù)設(shè)的參考電平接入比較器OPl的正輸入端。脈沖發(fā)生單元包括LM555及其外圍電路組成，比較器OPl的輸出端通過電容C2后與LM555的觸發(fā)引腳相連，放電引腳Dc通過電容C3與IGBTl的發(fā)射極相連，控制電壓引腳Cv通過電容C4與IGBTl的發(fā)射極相連，地線引腳GND與IGBTl的發(fā)射極直接相連。放電引腳D。與觸發(fā)引腳f和閥值引腳Th相連接，復(fù)位引腳f和電源引腳V。。相連接，放電引腳Dc與觸發(fā)引腳 和閥值引腳Th相連接后經(jīng)過并聯(lián)的電阻R4、二極管D2和電阻R5與復(fù)位引腳I和電源引腳V。。連接點(diǎn)相連接。輸出引腳OUT為脈沖發(fā)生單元的輸出端。其中二極管D2為鉗位二極管，脈沖發(fā)生單元輸出的脈沖的脈寬可以通過調(diào)節(jié)電阻R5和電容C3的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中，脈寬TW的值近似等于1.1倍的電阻R5和電容C3的值的乘積。輔助開關(guān)單元包括驅(qū)動(dòng)模塊、IGBTl'和電阻R6，IGBTl'和電阻R6串聯(lián)后與電容Cl的兩端相連接，驅(qū)動(dòng)模塊連接脈沖發(fā)生單元的輸出端和IGBT1’的柵極，IGBT處于過壓狀態(tài)時(shí)，脈沖發(fā)生單元輸出一定脈寬的脈沖，驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)IGBT1’導(dǎo)通，電容Cl的過壓尖峰通過IGBT1’和電阻R6快速放電消減，脈沖結(jié)束后，IGBTl'關(guān)斷，電容Cl維持在穩(wěn)態(tài)電壓。可以減少不必要的充放電動(dòng)作，優(yōu)化緩沖系統(tǒng)效率。當(dāng)IGBTl過壓時(shí)，由吸收電容Cl吸收過壓能量，Cl的能量最終并沒有像傳統(tǒng)的RCD那樣全部耗散掉，因此可以選取較大容值的電容提高吸收效果。如圖3所示為本發(fā)明提供的改進(jìn)型RCD緩沖電路與傳統(tǒng)RCD緩沖電路在直接串聯(lián)型IGBT應(yīng)用上的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果圖，實(shí)驗(yàn)工況電壓為1500V，回路電流為300A，采用的是英飛凌公司的FZ600R17KE4型IGBT兩只直接串聯(lián)應(yīng)用。圖3為實(shí)驗(yàn)的對比結(jié)果，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，縱坐標(biāo)是其中一只IGBT的兩端電壓波形，其中Ul (實(shí)線)為傳統(tǒng)RCD緩沖電路下的IGBT兩端電壓，U2 (虛線)為本發(fā)明提供的改進(jìn)型RCD緩沖電路情況下的IGBT兩端電壓。由圖3可以看出，U2比Ul更快速的吸收尖峰并且能迅速的維持電壓在穩(wěn)態(tài)電壓，損耗更低，吸收效果顯著。最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對本發(fā)明的具體實(shí)施 方式進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路，其特征在于，所述改進(jìn)型RCD緩沖電路包括RCD緩沖單元、電壓采樣模塊、比較器模塊、脈沖發(fā)生單元和輔助開關(guān)單元； 所述RCD緩沖單元包括電阻R、二極管D和電容C，電阻R與二極管D并聯(lián)后與電容C串聯(lián)，再并聯(lián)到所述IGBT的集電極和發(fā)射極兩端； 所述電壓采樣模塊對所述IGBT的集電極和發(fā)射極兩端的電壓進(jìn)行分壓，所述比較器模塊對所述IGBT兩端經(jīng)過分壓后的電壓和預(yù)設(shè)的參考電平進(jìn)行比較，所述脈沖發(fā)生單元的輸入端與所述比較器模塊的輸出端連接； 所述IGBT處于穩(wěn)態(tài)時(shí)所述比較器模塊輸出電源電平，所述脈沖發(fā)生單元輸出低電平； 所述IGBT處于過壓狀態(tài)時(shí)，所述IGBT兩端經(jīng)過分壓后的電壓超過所述預(yù)設(shè)的參考電平時(shí)，所述比較器模塊輸出低電平，所述脈沖發(fā)生單元輸出脈沖，所述輔助開關(guān)單元?jiǎng)幼鲗λ鯮CD緩沖單元中的所述電容C上的能量進(jìn)行脈沖可調(diào)的短時(shí)泄放處理。
2.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型RCD緩沖電路，其特征在于，所述電壓采樣模塊包括串聯(lián)的電阻R2和電阻R3，所述IGBT的集電極和發(fā)射極兩端連接所述串聯(lián)的電阻R2和電阻R3后，取所述電阻R2和電阻R3連接點(diǎn)的電壓為所述IGBT的集電極和發(fā)射極兩端經(jīng)過分壓后的電壓。
3.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型RCD緩沖電路，其特征在于，所述比較器模塊包括比較器0P1，所述IGBT的集電極和發(fā)射極兩端經(jīng)過分壓后的電壓接入所述比較器OPl的負(fù)輸入端，所述預(yù)設(shè)的參考電平接入所述比較器OPl的正輸入端。
4.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型RCD緩沖電路，其特征在于，所述脈沖發(fā)生單元包括LM555及其外圍電路組成； 所述比較器模塊的輸出端通過電容C2后與LM555的觸發(fā)引腳$相連，所述LM555的放電引腳Dc通過電容C3與所述IGBT的發(fā)射極相連，控制電壓引腳Cv通過電容C4與所述IGBT的發(fā)射極相連，地線引腳GND與IGBT的發(fā)射極直接相連； 所述LM555的放電引腳D。與觸發(fā)引腳^和閥值引腳Th相連接，復(fù)位引腳和電源引腳Vrc相連接，所述放電引腳Dc與觸發(fā)引腳^和閥值引腳Th相連接后經(jīng)過并聯(lián)的電阻R4、二極管D2和電阻R5與所述復(fù)位引腳I；和電源引腳Vrc的連接點(diǎn)相連接； 所述LM555的輸出引腳OUT為所述脈沖發(fā)生單元的輸出端。
5.如權(quán)利要求4所述的改進(jìn)型RCD緩沖電路，其特征在于，所述二極管D2為鉗位二極管； 所述脈沖發(fā)生單元輸出的脈沖的脈寬通過調(diào)節(jié)所述電阻R5和電容C3的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中，所述脈沖的脈寬的值近似等于1.1倍的所述電阻R5和電容C3的值的乘積。
6.如權(quán)利要求5所述的改進(jìn)型RCD緩沖電路，其特征在于，所述輔助開關(guān)單元包括驅(qū)動(dòng)模塊、IGBT1’和電阻R6 ； 所述IGBT1’和電阻R6串聯(lián)后與電容Cl的兩端相連接，所述驅(qū)動(dòng)模塊連接所述脈沖發(fā)生單元的輸出端和所述IGBT1’的柵極； 所述IGBT處于過壓狀態(tài)時(shí)，所述脈沖發(fā)生單元輸出一定脈寬的脈沖，所述驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)IGBT1’導(dǎo)通，所述電容Cl的過壓尖峰通過IGBT1’和電阻R6快速放電消減，所述脈沖結(jié)束后，所述IGBT1’關(guān)斷，所述電容Cl維持在穩(wěn)態(tài)電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路，改進(jìn)型RCD緩沖電路包括RCD緩沖單元、電壓采樣模塊、比較器模塊、脈沖發(fā)生單元和輔助開關(guān)單元；RCD緩沖單元包括電阻R、二極管D和電容C，電阻R與二極管D并聯(lián)后與電容C串聯(lián)，再并聯(lián)到IGBT的集電極和發(fā)射極兩端；電壓采樣模塊對IGBT的集電極和發(fā)射極兩端的電壓進(jìn)行分壓，比較器模塊對IGBT兩端經(jīng)過分壓后的電壓和預(yù)設(shè)的參考電平進(jìn)行比較，脈沖發(fā)生單元的輸入端與比較器模塊的輸出端連接。本發(fā)明提供的一種應(yīng)用于直接串聯(lián)型IGBT的改進(jìn)型RCD緩沖電路，當(dāng)檢測到過壓時(shí)，通過脈沖發(fā)生單元發(fā)生短時(shí)脈沖控制輔助IGBT的開通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)短時(shí)的過壓能量泄放，能快速降低IGBT兩端的過壓到正常范圍，并且損耗大大降低。
文檔編號H02M1/06GK103066809SQ201210520019
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者李偉邦, 侯凱, 何安然, 駱健, 范鎮(zhèn)淇 申請人:國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國家電網(wǎng)公司