CN102208800A - 带有过流保护功能的自适应igbt串联均压电路 - Google Patents

Abstract

带有过流保护功能的自适应IGBT串联均压电路，包括自适应均压电路，所述自适应均压电路是由高速运算放大器A，基准电压源V2，以及时序控制电路构成，在IGBT关断过程中，由并联在绝缘栅双极型晶体管CE端的串联电阻R1和R2将端电压取样输出至运算放大器A的输入端，与基准电压V2进行比较；若端电压发生过压，运算放大器A将输出有效信号，控制时序控制电路输出一定时长的高电平至IGBT栅极，促使端电压降至正常范围。本发明降低了功率，避免过分调节而引起上下桥臂通路的风险。

Description

带有过流保护功能的自适应IGBT串联均压电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及IGBT的控制与保护电路，更具体地说是一种适用于基于IGBT串联的柔性直流输电、电力电子变压器、高压变频器等高压场合的IGBT控制与保护电路。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor---IGBT)因其具有较高的额定电压和额定电流、开关速度快、易于驱动等优点，目前已成为大功率电能变换应用中的最佳选择,得到了广泛的应用。目前IGBT单管的耐压值还非常有限，远不能满足高电压场合的应用。尽管国内外有许多厂家正在研制大容量IGBT器件，但目前尚无可以直接应用于10kv及以上的场合的商用化产品；因而对IGBT进行串联使用，提高其耐压值，使之适用于柔性直流输电、电力电子变压器、高压变频器等高压场合，具有十分重要的意义。

实现IGBT串联需解决的关键问题在于如何确保各串联器件的动、静态电压均衡，尤其是动态电压均衡，以防止器件因过电压而损坏。

引起串联器件动、静态电压不均衡的主要原因有：

l、IGBT关断阻抗的不一致(静态均压)——IGBT关断后，串联器件中流过的漏电流是相同的，因此不同的关断阻抗会造成IGBT的静态电压不均衡，此外器件的结温差异同样会影响静态均压。

2、驱动信号的不一致和驱动电路参数的差异——驱动信号的不一致和驱动电路参数的差异，将导致IGBT栅极驱动信号的延迟，从而极大地影响了IGBT集电极．发射极电压的均衡。关断时，先关断的器件会产生很高的过电压，同理，开通时滞后导通的器件也会承受较高过电压。

3、IGBT本身寄生参数的离散性——器件寄生电感、寄生电容等特性不一致(尤其是寄生电容)，会导致不同的开关特性和电压尖峰。串联IGBT在关断过程中，关断速度较快的器件要承受很高的过电压，开通过程中导通较慢的器件也会承受较高过电压。

4、反向二极管恢复特性的差异——在感性负载情况下，IGBT开通时与续流二极管之间存在一个换流过程，由于二极管的反向恢复问题，在IGBT开通瞬间，会在续流二极管两端产生过电压。在桥式电路中IGBT通常与二极管反向并联，二极管两端的过电压即为IGBT的过电压。

串联IGBT的均压控制方法可以分为无源缓冲法、驱动耦合平衡法、有源电压钳位法和栅极主动控制法等四类。

无源缓冲法就是在每个IGBT上并联电容、电阻、电抗器、半导体二极管或者它们所组合成的电路，以此来改善IGBT开关瞬间电压、电流的特性，达到平衡电压的目的。这种缓冲电路结构简单，设计也相对容易，但由于其直接与高电压大电流设备相连接，器件需要有很高的功率等级，使用成本比较高。此外，缓冲电路是在开关动作瞬间进行工作，势必会降低电路的工作频率。因此，这种均压方法仅适应于工作频率和功率等级不高的场合。

驱动耦合平衡法是将串联IGBT的每一路驱动信号通过变压器耦合在一起，如果其中一路驱动信号发生了延时，由于耦合变压器的存在，驱动电流仍然一致。这样保证了串联IGBT栅-射极电容电压同步增加，从而实现动态均压。但这种均压方法对由驱动信号的不一致产生的电压不均衡有较好的抑制效果，但对因器件参数的分散性引起的电压不均衡没有控制效果。

有源电压钳位法通过控制栅极电压或注入到栅极的电流来保证串联IGBT的端电压小于一个限定值。这种方法会产生三个问题：电压比较电路带来驱动信号的延时，在反馈和控制回路中使用太多的运算放大器会造成系统的不稳定，栅极电压有可能会过调节，从而导致串联上下桥臂的直通短路。

栅极主动控制法是通过反馈回路将IGBT端电压反馈至控制电路，与设定的标准开关曲线比较，根据比较结果对IGBT栅极电压进行相应的调整，使端电压跟踪设定的标准曲线。此方法的控制电路由参考电压发生电路、反馈回路等部分组成，控制电路复杂，可靠性较差且难以实现。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术存在的不足之处，提供一种串联IGBT的均压、保护电路，从而全方位解决IGBT串联均压难题。本发明通过自适应均压电路检测IGBT端电压，并在过压时自动调控栅极电压，有效实现串联运行的IGBT的动态均压；同时可在IGBT过流运行时，通过过流保护电路检测端电压过限，自动调节栅极，促使IGBT暂时或完全截止，防止回路出现短路故障。

本发明在解决技术问题时采用如下技术方案：

本发明——带有过流保护功能的自适应IGBT串联均压电路的结构特点是通过自适应均压电路对串联IGBT进行动、静态均压，并通过过流保护电路防止回路出现短路故障。

带有过流保护功能的自适应IGBT串联均压电路，包括自适应均压电路，所述自适应均压电路是由高速运算放大器A，基准电压源V2，以及时序控制电路构成，在IGBT关断过程中，由并联在绝缘栅双极型晶体管CE端的串联电阻R1和R2将端电压取样输出至运算放大器A的输入端，与基准电压V2进行比较；若端电压发生过压，运算放大器A将输出有效信号，控制时序控制电路输出一定时长的高电平至IGBT栅极，促使端电压降至正常范围。

还包括过流保护电路，所述过流保护电路是由比较器C，基准电压源V1，上升延时电路，以及与门构成；在IGBT导通过程中，由并联在绝缘栅双极型晶体管CE端的串联电阻R1和R2将绝缘栅双极型晶体管的导通压降Vce取样输出至比较器C的输入端，与基准电压V1进行比较；若绝缘栅双极型晶体管的集电极电流过流，绝缘栅双极型晶体管的导通压降Vce将超出正常范围，比较器C将输出高电平至与门的输入端；同时PWM信号输出的高电平经上升延时电路后引入至与门的另一输入端，与门将输出高电平，控制PWM信号输出低电平促使绝缘栅双极型晶体管截止，以达到避免回路短路的效果。

所述上升延时电路在检测到PWM发出低电平时原样输出，在检测到PWM发出上升沿（低电平转换成高电平）时会延迟10微秒再输出高电平，延时期间内仍输出低电平。此上升延时电路的目是为了保证在PWM发出上升沿后，IGBT有足够的时间由截止态转换至导通态。因为在IGBT由截止态转换至导通态的中间过程中，比较器C的输出也是高电平，如没有上升延时电路，与门会输出高电平致使过流保护电路误动作。

本发明的结构特点也在于所述的并联在IGBT的CE端的串联电阻R1和R2组成静态均压电路，保证静态均压效果，其中R1为兆欧姆级。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明的自适应均压电路的原理是检测到过压后通过时序控制电路再输出一定时长的高电平至IGBT的栅极，促使栅极再短暂导通，从而快速降低IGBT的端电压至正常范围。这种一次性的调节不会出现由于连续性调节而引起的振荡，既降低了功率，又没有因过分调节而引起上下桥臂通路的风险。

2、本发明的自适应均压电路由高速运算放大器进行控制，反馈速度快，电路结构简单，易于实现，具有较高的可靠性和精确性。

3、本发明的过流保护电路可以在IGBT导通过流时有效监测到过流信号并防止短路发生。由于上升延时电路的加入，可杜绝误动作。

4、本发明中除了在选择性工作的时序控制电路和上升延时电路有电容元件之外，没有用于吸收过冲电压的阻、容性缓冲电路存在，即降低了功耗，又可保证IGBT工作于较高的工作频率。

附图说明

图1为本发明电路原理图。

图2为时序控制电路原理图。

图3为上升延时电路原理图。

图4为4只耐压1200V的IGBT使用本发明所述电路进行驱动后的实际波形。

图5为图3所示波形上升沿的放大图像，以观察IGBT的关断时间。

图6为图3所示波形下降沿的放大图像，以观察IGBT的开通时间。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

图1所示，在IGBT关断过程中，由并联在CE端的串联电阻R1和R2将端电压取样输出至运算放大器A的输入端，与基准电压V2进行比较：若端电压在正常范围内，运算放大器A输出低电平，时序控制电路不工作，PWM的低电平波形原样输出至IGBT栅极，不改变IGBT的关断状态。若端电压发生过压，运算放大器A将输出高电平，通过时序控制电路输出一定时长的高电平至IGBT栅极，促使端电压降至正常范围内。

在IGBT导通过程中，由并联在CE端的串联电阻R1和R2将Vce取样输出至比较器C的输入端，与基准电压V1进行比较：若IGBT的集电极电流在正常范围内，IGBT的导通压降Vce较小，比较器C输出低电平，与门输出低电平。若IGBT的集电极电流过流，IGBT的导通压降Vce将超出正常范围，比较器C将输出高电平至图中与门的上输入端；由于此时PWM输出的是高电平（IGBT处于导通态），经上升延时电路后将高电平输入至与门的下输入端，与门将输出高电平，反馈至PWM使其输出低电平促使IGBT截止，关断回路中的电流，以达到避免回路短路的效果。

图2中时序控制电路由电阻R3，电容C3、快速二极管D3、非门，以及两路互斥的三态门组成。电路的输入信号是作为源信号的PWM信号和作为控制信号的运算放大器A的输出信号。PWM信号同时输入至两路互斥的三态门；控制信号A经过反相器后得到A反信号，A与A反分别控制这两路互斥的三态门，使其不能同时导通——即PWM信号在某一时刻只能经过某一路三态门后输出。由A反控制的那路三态门中接入R3、C3和D3组成的放电延时电路，其结构为D3并联在R3两端后与C3串联，D3正极为输入，D3负极为输出。整个时序控制电路的工作过程为：若IGBT端电压处于正常范围内，运算放大器A输出低电平，图中下面一路三态门导通（上面一路三态门截止），PWM波形直接输出至IGBT栅极。若IGBT端电压过压，运算放大器A输出高电平，图中上面一路三态门导通（下面一路三态门截止），R3、C3、D3组成的放电延时电路使PWM波形在由高电平向低电平转换时，延长约5微秒高电平，促使IGBT栅极继续导通一段时间，使得过压消除。

图3中上升延时电路由电阻R4，电容C4，快速二极管D4和缓冲器组成。D4反并联在R4两端后与C4串联。信号由D4负极输入，从D4正极输出，经过缓冲器后得到输出信号。上升延时电路的工作过程为：在PWM发出低电平时仍原样输出低电平；在PWM发出上升沿（低电平转换成高电平）时会延迟10微秒再输出高电平，延时期间内仍输出低电平。此上升延时电路的目是为了保证在PWM发出上升沿后，IGBT有足够的时间由截止态转换至导通态。因为在IGBT由截止态转换至导通态的中间过程中，由于IGBT的端电压仍较高，比较器C会输出高电平，如没有上升延时电路，此过程中过流保护电路会误动作。

图4中给出了4只耐压1200V的IGBT直接串联，并使用本发明所述电路进行驱动后，示波器上观测到的实际波形。可以看到，由于自适应均压电路的使用，IGBT截至瞬间的电压过冲被完全消除；且在整个截止周期内，4路波形的电压稳定性均较好，很好的实现了动静态均压的效果。

图5中可以看到，使用本发明电路驱动后，串联IGBT的关断时间约为3微秒。

图6中可以看到，使用本发明电路驱动后，串联IGBT的开通时间约为3微秒。

Claims (4)

1.带有过流保护功能的自适应IGBT串联均压电路，其特征在于，包括自适应均压电路，所述自适应均压电路是由高速运算放大器A，基准电压源V2，以及时序控制电路构成，在IGBT关断过程中，由并联在绝缘栅双极型晶体管CE端的串联电阻R1和R2将端电压取样输出至运算放大器A的输入端，与基准电压V2进行比较；若端电压发生过压，运算放大器A将输出有效信号，控制时序控制电路输出一定时长的高电平至IGBT栅极，促使端电压降至正常范围。

2.根据权利要求1所述的带有过流保护功能的自适应IGBT串联均压电路，其特征在于，还包括过流保护电路，所述过流保护电路是由比较器C，基准电压源V1，上升延时电路，以及与门构成；在IGBT导通过程中，由并联在绝缘栅双极型晶体管CE端的串联电阻R1和R2将绝缘栅双极型晶体管的导通压降Vce取样输出至比较器C的输入端，与基准电压V1进行比较；若绝缘栅双极型晶体管的集电极电流过流，绝缘栅双极型晶体管的导通压降Vce将超出正常范围，比较器C将输出高电平至与门的输入端；同时PWM信号输出的高电平经上升延时电路后引入至与门的另一输入端，与门将输出高电平，控制PWM信号输出低电平促使绝缘栅双极型晶体管截止，以达到避免回路短路的效果。

3.根据权利要求2所述的带有过流保护功能的自适应IGBT串联均压电路，其特征在于，所述上升延时电路在检测到PWM信号发出低电平时原样输出，在检测到PWM信号发出上升沿时会延迟10微秒再输出高电平，延时期间内仍输出低电平。

4.根据根据权利要求1所述的带有过流保护功能的自适应IGBT串联均压电路，其特征在于，所述电阻R1为兆欧姆级。

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