本發(fā)明屬于電力電子領(lǐng)域，尤其是一種柵極側(cè)和負載側(cè)控制的igbt串聯(lián)復(fù)合均壓電路。

背景技術(shù)：

絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)器件具有耐壓高、開關(guān)速度快、易驅(qū)動等優(yōu)點，在脈沖功率領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前單個igbt器件的耐電壓等級(最高約6.5kv)與容量不能滿足高壓大功率開關(guān)的需求。應(yīng)用igbt串聯(lián)技術(shù)是提升半導(dǎo)體固態(tài)開關(guān)電壓等級與功率的一種有效方法，通過各串聯(lián)igbt均分高電壓，使固態(tài)開關(guān)達到耐高電壓的目的。

igbt串聯(lián)技術(shù)的難點在于：由于igbt驅(qū)動信號不嚴格同步、igbt本身或驅(qū)動電路器件性能的差異、電路引線分布電感和吸收電路特性不一致等原因，在igbt串聯(lián)電路工作過程中，會有個別igbt延時導(dǎo)通或提早關(guān)斷，導(dǎo)致igbt集射極兩端被施加非常高的電壓，使igbt發(fā)生過壓擊穿。因此需要一種方法使各igbt在工作過程中實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)均壓。

目前現(xiàn)有的解決上述均壓問題的各個方法可以分為負載側(cè)和柵極側(cè)均壓控制兩大類。負載側(cè)控制是指在igbt分壓不均勻時，通過并聯(lián)在igbt集電極和發(fā)射極的緩沖電路進行控制調(diào)節(jié)。單純的在負載側(cè)通過緩沖電路控制會使開關(guān)的關(guān)斷時間延長，由于緩沖電路吸收的能量直接消耗在電阻上，會使igbt開關(guān)的功耗增加，因此僅適應(yīng)于工作頻率和功率等級不高的場合，另外緩沖電路能有效避免對于由器件參數(shù)差異引起的igbt電壓分布不均問題，但是對于由各igbt柵極驅(qū)動信號不同步引起的動態(tài)不均壓幾乎沒有效果；柵極側(cè)均壓主要指當發(fā)生電壓分配不均勻時，通過對igbt的柵極電壓進行調(diào)節(jié)，主動使igbt開通關(guān)斷，從而避免電壓分配不均勻，但該策略只對由于驅(qū)動信號不同步導(dǎo)致的igbt不均壓有效。典型的柵極控制均壓方法為驅(qū)動電壓主動控制，通過互感器采集電壓，經(jīng)過比較器后對igbt柵極電壓進行主動調(diào)節(jié)，電路復(fù)雜高，在高壓高頻的脈沖功率系統(tǒng)中可靠性難以保證。

基于以上情況，開發(fā)一種igbt串聯(lián)均壓電路，能夠同時解決串聯(lián)器件特性差異以及驅(qū)動信號不同步導(dǎo)致的不均壓問題是很有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供igbt串聯(lián)電路中的均壓電路。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種包括負載側(cè)和柵極側(cè)的均壓電路，實現(xiàn)對igbt串聯(lián)電路的復(fù)合動靜態(tài)均壓。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明包括至少兩個串聯(lián)的igbt(絕緣柵雙極型晶體管)，每個igbt經(jīng)電阻rg與柵極驅(qū)動電路連接，每個igbt與一個均壓電路相連，均壓電路包括負載均壓控制電路和柵極鉗位電路，負載均壓控制電路并聯(lián)在igbt的集電極和發(fā)射極，柵極鉗位電路并聯(lián)在igbt的集電極和柵極。

所述的負載均壓控制電路包括電容c1、二極管vd1以及電阻r1和電阻r2，二極管vd1和電阻r1并聯(lián)后通過電容c1串聯(lián)連接到igbt的集電極和發(fā)射極，電阻r2連接在igbt的集電極和發(fā)射極。

所述的柵極鉗位電路主要由穩(wěn)壓管z1～zn、二極管vd2、電容c2以及電阻r3、r4構(gòu)成；穩(wěn)壓管z1～zn依次串聯(lián)，第一個穩(wěn)壓管z1的陽極和igbt的柵極相連接，同時最后一個穩(wěn)壓管zn并聯(lián)有電容c2和電阻r4，最后一個穩(wěn)壓管zn的陰極經(jīng)限流電阻r3與二極管vd2的陰極串聯(lián)，二極管vd2的陽極和igbt的集電極相連接。

在igbt串聯(lián)電路負載側(cè)，如果igbt串聯(lián)電路在運行過程中某個igbt出現(xiàn)由于延時導(dǎo)通或提早關(guān)斷導(dǎo)致的過壓，通過緩沖電路減小負載側(cè)電壓的變化率，吸收抑制電壓尖峰，使個串聯(lián)器件之間的動態(tài)電壓趨于一致。

同時在柵極，柵極鉗位電路起到減小集射極電壓變化率的作用，同時使集射極電壓鉗位在擊穿電壓以下，從而防止igbt被擊穿。復(fù)合均壓電路柵極側(cè)和負載側(cè)均壓電路互相配合，同時實現(xiàn)彌補因開關(guān)信號不同步或器件自身原因造成的igbt開關(guān)不同步。

所述的負載均壓控制電路中，所述二極管采用快速恢復(fù)二極管，所述電容采用緩沖電容器，所述電阻均采用無感電阻。

本發(fā)明采用緩沖電容器相比于普通電容器，能夠承受更大的高能脈沖和峰值電流，另外緩沖電容器的寄生電阻和引線電感小，可有效減少電壓和電流尖峰；同時采用無感電阻而非普通金屬膜電阻，能夠防止由于電阻寄生電感導(dǎo)致的充放電對igbt的破壞；同時采用快速恢復(fù)二極管能保證在工作頻率較高的情況下，負載側(cè)均壓電離仍然能夠正常工作。

綜上，本發(fā)明能發(fā)揮其良好的高頻特性以適應(yīng)開關(guān)頻率更高的工況。

所述的柵極鉗位電路中，所示二極管快速恢復(fù)二極管，所述電阻均為無感電阻。

本發(fā)明采用無感電阻而非普通金屬膜電阻，能夠防止由于電阻寄生電感導(dǎo)致的充放電影響igbt正常關(guān)斷；同時采用快速恢復(fù)二極管能保證在工作頻率較高的工況下，能及時響應(yīng)。

與現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有的有益效果有：

本發(fā)明能夠同時解決igbt串聯(lián)電路中igbt開通和關(guān)斷過程中以及關(guān)斷后，由于串聯(lián)在一起的igbt器件特性差異以及驅(qū)動信號不同步導(dǎo)致的igbt器件不均壓問題，確保igbt串聯(lián)電路工作穩(wěn)定性；均使用無源器件，電路簡單，可靠性好，利于集成和批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的igbt串聯(lián)復(fù)合均壓電路原理圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明進行進一步的描述。

如圖1所示，本發(fā)明包含至少兩個串聯(lián)的igbt，各igbt均連接一個均壓電路；

如圖1所示，本發(fā)明包括負載均壓控制電路a和柵極鉗位電路b，負載均壓控制電路a并聯(lián)在各個igbt的集電極和發(fā)射極，柵極鉗位電路b并聯(lián)在各個igbt的集電極和柵極。

如圖1所示，負載均壓控制電路a由電容c1、二極管vd1以及電阻r1和r2組成，二極管vd1和電阻r1并聯(lián)后通過電容c1連接到igbt的發(fā)射極，電阻r2并聯(lián)在igbt的集電極和發(fā)射極。

如圖1所示，柵極鉗位電路b由穩(wěn)壓管z1～zn、二極管vd2、電容c2以及電阻r3、r4構(gòu)成；穩(wěn)壓管z1～zn依次串聯(lián)，穩(wěn)壓管z1的陽極和igbt的柵極相連接，同時穩(wěn)壓管zn與電容c2和電阻r4并聯(lián)，穩(wěn)壓管zn的陰極和限流電阻r3以及二極管vd2的陰極串聯(lián)，vd2的陽極和igbt的集電極相連接。

本發(fā)明的igbt串聯(lián)均壓電路的工作過程如下：

負載均壓控制電路的實質(zhì)是通過緩沖電路和電阻，分別實現(xiàn)igbt的動態(tài)和靜態(tài)均壓。

在igbt串聯(lián)電路開關(guān)過程中，緩沖電容c1起到減小電壓變化率的作用，使個串聯(lián)器件之間的動態(tài)電壓趨于一致，防止集射極電壓在短時間內(nèi)達到最大值。無感電阻r1起到限制充電電流的作用，同時還可以防止引線電感和電容c1發(fā)生高頻振蕩。vd1的作用是在c1充電的短時間內(nèi)呈現(xiàn)短路狀態(tài)而把r1旁路，使動態(tài)均壓效果更好；

電阻r2是靜態(tài)均壓電阻，跨接在igbt的集電極和發(fā)射極兩端，在igbt關(guān)斷后起到靜態(tài)均壓的作用，使關(guān)斷后igbt兩端電壓保持。

柵極鉗位電路主要在igbt關(guān)斷階段起作用，在igbt關(guān)斷過程中，對igbt集射極電壓vce變化率控制和幅值鉗位。將關(guān)斷過程分為三個階段。

階段1：igbt集射極電壓vce低于z1～zn-1的啟動電壓總和，在這個階段箝位支路并未開始工作，齊納二極管只有很小的漏電流流過，vce以較快的變化率上升，ic減小。

階段2：vce上升至高于z1～zn-1的啟動電壓總和時，z1～zn-1導(dǎo)通，igbt集電極電壓通過r3、z1～zn-1、vd2對電容c2充電，從而降低了vce上升率。在此階段，箝位支路的作用相當于在igbt的集電極和柵極之間并聯(lián)電容，增強了igbt的密勒效應(yīng)，使先關(guān)斷器件的電壓上升率降低，動態(tài)減小串聯(lián)器件的電壓不平衡度。

階段3：vce上升至高于z1～zn的啟動電壓總和，vce被箝位在略高于z1～zn的啟動電壓總和(考慮電阻r2上的壓降)，對集-射極電壓峰值較高的igbt進行峰值電壓鉗位在擊穿電壓以下，迫使其他igbt所承擔的電壓快速上升，從而使得所有串聯(lián)igbt的電壓互相趨近，直到儲存在換流回路雜散電感中的能量全部消耗之后，關(guān)斷過程結(jié)束。

以上實施例也適用于兩個以上igbt串聯(lián)電路中的均壓。實際應(yīng)用中根據(jù)所選igbt特性，通過設(shè)置穩(wěn)壓管z1～zn的數(shù)量來調(diào)節(jié)集射極的鉗位電壓。

由此可見，針對現(xiàn)有技術(shù)中igbt的型號和工藝問題導(dǎo)致的特性差異問題和驅(qū)動信號不同步導(dǎo)致的不均壓問題，本發(fā)明能夠很好地解決，能夠同時解決igbt串聯(lián)電路中igbt開通和關(guān)斷過程中以及關(guān)斷后，由于器件特性差異以及驅(qū)動信號不同步導(dǎo)致的器件不均壓問題，確保igbt串聯(lián)電路工作穩(wěn)定性。