本發(fā)明涉及電力電子器件控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路及電力電子設(shè)備。

背景技術(shù)：

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)因其具有較高的額定電壓和額定電流、開(kāi)關(guān)速度快、易于驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為大功率電能變換應(yīng)用中的最佳選擇，得到了廣泛的應(yīng)用。但目前IGBT單管的電壓、電流容量還非常有限，單個(gè)IGBT由于耐壓的限制，在電能質(zhì)量改善、柔性直流輸電、高壓變頻器、靜止同步補(bǔ)償器等高壓大功率電能變換場(chǎng)合還不能滿足需求。將多個(gè)IGBT串聯(lián)使用，可有效解決單個(gè)IGBT耐壓等級(jí)低的缺陷，且成本較低，受到了廣泛關(guān)注。ABB公司采用IGBT直接串聯(lián)方式已經(jīng)建成了多條柔性直流輸電線路，并已成功運(yùn)行多年，顯示了良好的示范效應(yīng)。

IGBT開(kāi)關(guān)頻率較高，動(dòng)態(tài)過(guò)程非常短暫，動(dòng)態(tài)控制難度較高，在串聯(lián)使用IGBT時(shí)由于IGBT器件內(nèi)部和外部電路參數(shù)的分散性，如IGBT器件的漏電流，閾值電壓，內(nèi)部寄生電容，門極驅(qū)動(dòng)電阻大小，驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值等，導(dǎo)致串聯(lián)的IGBT開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程不同步，幾百毫秒的時(shí)差就會(huì)造成各個(gè)IGBT器件嚴(yán)重的電壓不平衡，甚至導(dǎo)致IGBT器件擊穿，使IGBT串聯(lián)設(shè)備發(fā)生故障，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成較大的安全隱患。

目前，可以通過(guò)設(shè)置自適應(yīng)均壓電路解決IGBT串聯(lián)電路的動(dòng)靜態(tài)均壓?jiǎn)栴}，提高IGBT串聯(lián)型設(shè)備可靠性。自適應(yīng)均壓電路主要是通過(guò)參考電壓波形與IGBT集射極采樣反饋電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而對(duì)IGBT門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電流大小進(jìn)行調(diào)整，以保證串聯(lián)的IGBT電壓一致。但是，常規(guī)的自適應(yīng)均壓電路的參考電壓波形不易準(zhǔn)確設(shè)置，不同功率不同類型的IGBT對(duì)應(yīng)的參考電壓波形不同，使有源電壓控制法的通用性變差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路及電力電子設(shè)備。

第一方面，本發(fā)明中一種用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路的技術(shù)方案是：

所述自適應(yīng)均壓電路包括參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路和多個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路；所述參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路分別通過(guò)高速通信接口與所述各IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路連接；所述各IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路與各IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電路連接；

所述參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路，用于依據(jù)所述各IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路采集到的各IGBT的集射極電壓，計(jì)算集射極參考電壓；其中：所述集射極電壓為所述IGBT中集電極與發(fā)射極之間的電壓；

所述IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路，用于比較所述各集射極電壓與所述集射極參考電壓，并依據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)所述各門極驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流，使得所述各集射極電壓與集射極參考電壓相等。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案為：所述參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路包括第一RAM存儲(chǔ)器、第二RAM存儲(chǔ)器、第三RAM存儲(chǔ)器、第四RAM存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器、加法器和除法器；

所述第一RAM存儲(chǔ)器的一個(gè)輸入端與所述計(jì)數(shù)器的一個(gè)輸出端連接，另一個(gè)輸入端與所述IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路連接；所述第一RAM存儲(chǔ)器的輸出端與所述加法器的一個(gè)輸入端連接；所述第一RAM存儲(chǔ)器用于接收各IGBT的集射極電壓，并順次將各集電極電壓發(fā)送至所述加法器；所述加法器用于將所述各集電極電壓順次相加，得到集電極電壓累加值；

所述第二RAM存儲(chǔ)器的一個(gè)輸入端與所述加法器的輸出端連接，另一個(gè)輸入端與所述計(jì)數(shù)器的另一個(gè)輸出端連接；所述第二RAM存儲(chǔ)器的一個(gè)輸出端與所述除法器的一個(gè)輸入端連接，另一個(gè)輸出端與所述加法器的另一個(gè)輸入端連接；所述第二RAM存儲(chǔ)器用于接收所述集電極電壓累加值，并在所述計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)次數(shù)達(dá)到預(yù)置值后將所述集電極電壓累加值發(fā)送至所述除法器；

所述第三RAM存儲(chǔ)器分別與所述計(jì)數(shù)器的輸入端和所述除法器的另一個(gè)輸入端連接；所述第三RAM存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)IGBT的串聯(lián)個(gè)數(shù)，并將所述串聯(lián)個(gè)數(shù)發(fā)送至所述計(jì)數(shù)器和除法器；

所述第四RAM存儲(chǔ)器的輸入端與所述除法器的輸出端連接，第四RAM存儲(chǔ)器的輸出端與IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路連接；所述第四RAM存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)所述除法器的計(jì)算結(jié)果并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送至所述IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路；其中：所述計(jì)算結(jié)果為集射極參考電壓。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案為：所述IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路包括第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器、緩沖器、集射極電壓采樣模塊和門射極電壓采樣模塊；

所述第一運(yùn)算放大器的同相輸入端與所述集射極電壓采樣模塊的一個(gè)輸出端連接，反相輸入端與所述參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路連接，輸出端與所述第二運(yùn)算放大器的同相輸入端連接；

所述第二運(yùn)算放大器的反相輸入端與所述門射極電壓采樣模塊連接，輸出端與所述緩沖器的輸入端連接；所述緩沖器的輸出端與所述門極驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接；

所述集射極電壓采樣模塊的另一個(gè)輸出端與參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路連接，輸入端與所述IGBT的集電極連接，用于采集所述集射極電壓；

所述門射極電壓采樣模塊的輸入端與所述IGBT的門極連接，用于采集所述IGBT中門極與發(fā)射極之間的電壓。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案為：

所述IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路中第一運(yùn)算放大器的反相輸入端與所述參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路中第四RAM存儲(chǔ)器的輸出端連接；

所述IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路中集射極電壓采樣模塊的輸出端與所述參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路中第一RAM存儲(chǔ)器的輸入端連接。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案為：

所述參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路設(shè)置在電力電子設(shè)備的子模塊控制板上，所述各IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路分別設(shè)置在所述電力電子設(shè)備中各IGBT的驅(qū)動(dòng)板上。

第二方面，本發(fā)明中一種電力電子設(shè)備的技術(shù)方案是：

所述電力電子設(shè)備包括多個(gè)串聯(lián)的IGBT和上述用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案為：所述電力電子設(shè)備包括電壓源換流器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器或高壓變頻器。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明提供的一種用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路，參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路依據(jù)各IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路采集到的各IGBT的集射極電壓計(jì)算集射極參考電壓，從而無(wú)需提前設(shè)置集射極參考電壓，具有較高的通用性使得其能夠適應(yīng)多種類型的電力電子設(shè)備；

2、本發(fā)明提供的一種電力電子設(shè)備，電力電子設(shè)備可以包括電壓源換流器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器或高壓變頻器。本實(shí)施例中電力電子設(shè)備不需要提前設(shè)置自適應(yīng)均壓電路的集射極參考電壓，可以通過(guò)上述用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路自動(dòng)生成集射極參考電壓，操作方便快捷。

附圖說(shuō)明

圖1：本發(fā)明實(shí)施例中一種用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路示意圖；

圖2：本發(fā)明實(shí)施例中參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路示意圖；

其中：1：參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路；11：第一RAM存儲(chǔ)器；12：第二RAM存儲(chǔ)器；13：第三RAM存儲(chǔ)器；14：第四RAM存儲(chǔ)器；15：計(jì)數(shù)器；16：加法器；17：除法器；2：高速通信接口；31：第一運(yùn)算放大器；32：第二運(yùn)算放大器；33緩沖器；34：集射極電壓采樣模塊；35：門射極電壓采樣模塊；4：門極驅(qū)動(dòng)電路；5：IGBT；6：子模塊控制板；7：驅(qū)動(dòng)板。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地說(shuō)明，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的一種用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路進(jìn)行說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中一種用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路示意圖，如圖所示，本實(shí)施例中自適應(yīng)均壓電路包括參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路和多個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路。

其中：參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路1分別通過(guò)高速通信接口2與各IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路連接，各IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路與各IGBT5的門極驅(qū)動(dòng)電路4連接。本實(shí)施例中參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路1可以設(shè)置在電力電子設(shè)備的子模塊控制板6上，各IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路可以分別設(shè)置在電力電子設(shè)備中各IGBT的驅(qū)動(dòng)板7上。

本實(shí)施例中參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路1，用于依據(jù)各IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路采集到的各IGBT5的集射極電壓計(jì)算集射極參考電壓。其中：集射極電壓為IGBT5中集電極與發(fā)射極之間的電壓。IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路，用于比較各集射極電壓與集射極參考電壓，并依據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)各門極驅(qū)動(dòng)電路4的輸出電流，使得各集射極電壓與集射極參考電壓相等，從而達(dá)到各IGBT均壓的目的。

本實(shí)施例中參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路依據(jù)各IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路采集到的各IGBT的集射極電壓計(jì)算集射極參考電壓，從而無(wú)需提前設(shè)置集射極參考電壓，具有較高的通用性使得其能夠適應(yīng)多種類型的電力電子設(shè)備。

進(jìn)一步地，本實(shí)施例中參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路可以包括下述結(jié)構(gòu)，具體為：

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路示意圖，如圖所示，本實(shí)施例中參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路包括第一RAM存儲(chǔ)器11、第二RAM存儲(chǔ)器12、第三RAM存儲(chǔ)器13、第四RAM存儲(chǔ)器14、計(jì)數(shù)器15、加法器16和除法器17。

其中：第一RAM存儲(chǔ)器11的一個(gè)輸入端與計(jì)數(shù)器15的一個(gè)輸出端連接，另一個(gè)輸入端與IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路連接。第一RAM存儲(chǔ)器11的輸出端與加法器16的一個(gè)輸入端連接。本實(shí)施例中第一RAM存儲(chǔ)器11用于接收各IGBT5的集射極電壓，并順次將各集電極電壓發(fā)送至加法器16。加法器16用于將各集電極電壓順次相加，得到集電極電壓累加值。集電極電壓累加值U'_ce如下式(1)所示：

其中：U_ce,i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)IGBT的集電極電壓。

第二RAM存儲(chǔ)器12的一個(gè)輸入端與加法器16的輸出端連接，另一個(gè)輸入端與計(jì)數(shù)器15的另一個(gè)輸出端連接。第二RAM存儲(chǔ)器12的一個(gè)輸出端與除法器17的一個(gè)輸入端連接，另一個(gè)輸出端與加法器16的另一個(gè)輸入端連接。本實(shí)施例中第二RAM存儲(chǔ)器12用于接收集電極電壓累加值U'_ce，并在計(jì)數(shù)器15的計(jì)數(shù)次數(shù)達(dá)到預(yù)置值后將集電極電壓累加值U'_ce發(fā)送至17除法器。其中：計(jì)數(shù)器5的初始值為0時(shí)，可以將計(jì)數(shù)次數(shù)的預(yù)置值設(shè)置為IGBT的串聯(lián)個(gè)數(shù)。

第三RAM存儲(chǔ)器13分別與計(jì)數(shù)器15的輸入端和除法器17的另一個(gè)輸入端連接。本實(shí)施例中第三RAM存儲(chǔ)器13用于存儲(chǔ)IGBT的串聯(lián)個(gè)數(shù)，并將串聯(lián)個(gè)數(shù)發(fā)送至計(jì)數(shù)器15和除法器17。

第四RAM存儲(chǔ)器14的輸入端與除法器17的輸出端連接，第四RAM存儲(chǔ)器14的輸出端與IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路連接。本實(shí)施例中第四RAM存儲(chǔ)器14用于存儲(chǔ)除法器17的計(jì)算結(jié)果并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送至IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路，該計(jì)算結(jié)果即為集射極參考電壓，如下式(2)所示：

下面對(duì)參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路的工作過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，具體為：

(1)將第二RAM存儲(chǔ)器12、第四RAM存儲(chǔ)器14和計(jì)數(shù)器15的初始值設(shè)置為零，并按照電力電子設(shè)備中IGBT的串聯(lián)個(gè)數(shù)設(shè)置第三RAM存儲(chǔ)器13的初始值。

(2)第一RAM存儲(chǔ)器11采集各IGBT的集電極電壓，并將采集到的各集電極電壓順次發(fā)送到加法器16。其中：第一RAM存儲(chǔ)器11采集到一個(gè)IGBT的集電極電壓后計(jì)數(shù)器15的計(jì)數(shù)次數(shù)加1。

(3)第二RAM存儲(chǔ)器12將接收到的各集電極電壓順次相加，得到集電極電壓累加值。當(dāng)計(jì)數(shù)器15的技術(shù)次數(shù)達(dá)到預(yù)置值后控制第二RAM存儲(chǔ)器12將集電極電壓累加值發(fā)送至除法器17。

(4)除法器17依據(jù)第二RAM存儲(chǔ)器12發(fā)送來(lái)的集電極電壓累加值和第三RAM存儲(chǔ)器13發(fā)送來(lái)的IGBT的串聯(lián)個(gè)數(shù)，計(jì)算集電極參考電壓。通過(guò)公式(2)可知集電極參考電壓為各IGBT的集電極電壓的平均值。

進(jìn)一步地，本實(shí)施例中IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路可以包括下述結(jié)構(gòu)，具體為：

如圖1所示，本實(shí)施例中IGBT驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路包括第一運(yùn)算放大器31、第二運(yùn)算放大器32、緩沖器33、集射極電壓采樣模塊34和門射極電壓采樣模塊35。

其中：第一運(yùn)算放大器31的同相輸入端與集射極電壓采樣模塊34的一個(gè)輸出端連接，反相輸入端與參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路1連接，輸出端與第二運(yùn)算放大器32的同相輸入端連接。本實(shí)施例中第一運(yùn)算放大器31的反相輸入端與第四RAM存儲(chǔ)器14的輸出端連接。集射極電壓采樣模塊35的輸出端與第一RAM存儲(chǔ)器11的輸入端連接。

第二運(yùn)算放大器32的反相輸入端與門射極電壓采樣模塊35連接，輸出端與緩沖器33的輸入端連接。緩沖器33的輸出端與門極驅(qū)動(dòng)電路4的輸出端連接。

集射極電壓采樣模塊34的另一個(gè)輸出端與參考電壓波形自動(dòng)產(chǎn)生電路1連接，輸入端與IGBT5的集電極連接，用于采集其集射極電壓。門射極電壓采樣模塊35的輸入端與IGBT5的門極連接，用于采集其門極與發(fā)射極之間的電壓。

本發(fā)明還提供了一種電力電子設(shè)備，并給出具體實(shí)施例。

本實(shí)施例中電力電子設(shè)備包括多個(gè)串聯(lián)的IGBT和本發(fā)明提供的用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路。其中：電力電子設(shè)備可以包括電壓源換流器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器或高壓變頻器。本實(shí)施例中電力電子設(shè)備不需要提前設(shè)置自適應(yīng)均壓電路的集射極參考電壓，可以通過(guò)上述用于IGBT串聯(lián)的自適應(yīng)均壓電路自動(dòng)生成集射極參考電壓，操作方便快捷。

應(yīng)該注意的是上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下可設(shè)計(jì)出替換實(shí)施例。在權(quán)利要求中，不應(yīng)將位于括號(hào)之間的任何參考符號(hào)構(gòu)造成對(duì)權(quán)利要求的限制。單詞“包括”不排除存在未列在權(quán)利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這樣的元件。本發(fā)明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當(dāng)編程的PC來(lái)實(shí)現(xiàn)。在列舉了若干裝置的單元權(quán)利要求中，這些裝置中的若干個(gè)可以是通過(guò)同一個(gè)硬件項(xiàng)來(lái)具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序。可將這些單詞解釋為名稱。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。