CN102290969A - 一种绝缘栅双极性晶体管串联运行的均压控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝缘栅双极性晶体管串联运行的电压均分控制电路，属于电气自动化设备技术领域。本控制电路设置了主从控制电路和主动箝位控制电路。主从控制电路由绝缘栅双极性晶体管器件电压的隔离采样模块、差值比较模块和可控的门极信号补偿器实现绝缘栅双极性晶体管的均压控制；主动箝位控制电路由第一级箝位稳压管、第一级箝位稳压管、充放电电容、第一限流电阻和第一放电电阻组成，箝位状态是以直流母线向绝缘栅双极性晶体管门极注入电流来实现的。这两个部分的电路可以同时对绝缘栅双极性晶体管串联的动态均压进行均压调节，其控制效果良好，减小了绝缘栅双极性晶体管均压时的损耗，确保了电压的安全箝位，并具有较高的可靠性。

Description

一种绝缘栅双极性晶体管串联运行的均压控制电路

技术领域

本发明涉及一种绝缘栅双极性晶体管串联运行的电压均分控制电路，具体来说是一种适用于高压变频器或高压直流输电系统中变流器等高压场合中的绝缘栅双极性晶体管串联电压均分控制电路，属于电气自动化设备技术领域。

背景技术

绝缘栅双极性晶体管(Insolated Gate Bipolar Transistor，以下简称IGBT)是目前在电气自动化领域内应用十分广泛的电力电子半导体器件。由于其具有速度快、输入阻抗高、驱动电流小、且驱动电路简单等优点，同时又有高耐压，大电流及小通态压降等优点，因此发展很快，在几千瓦到几兆瓦的电力电子设备中都得到了应用，例如变频调速和并网逆变等。现阶段常用的IGBT的产品中，单管器件中耐压值等级有1200V，1700V和4500V。而随着电力设备的发展需求，在更高耐压的应用场合中，需要将IGBT作串联运行从而提高整个电力电子装置的耐压能力。

仅将IGBT器件构成串联电路后，在运行时可能会出现各个IGBT之间上的电压不再相等，称之为电压失衡。这种现象将会导致某个或者数个IGBT超过其所能承担的额定电压值并导致其被过电压击穿。串联IGBT电路的电压失衡分为静态和动态两种现象，主要有如下一些原因：

1、由于各个IGBT器件在制造和装配过程中会存在有各种参数的差异，这些差异会导致各个IGBT具有不同的开关动态特性或者静态特性，从而使得这些IGBT被串联运行后发生电压失衡。

2、由于门极驱动电路的不同，可能会导致串联IGBT电路上各个IGBT驱动信号触发脉冲的上升沿及下降沿不一致。这种门极驱动信号的不一致会造成：(1)在关断过程中，先关断的IGBT先承受电压从而导致过电压；(2)在开通过程中，后开通的IGBT承受过电压，并造成电压的失衡。

因此，在设计串联IGBT电路时，需要设计相关的辅助电路以及对应的控制技术以保证在开关动态瞬间和稳态工作状态对每个IGBT上施加的电压都保持均衡。

目前已经有一些针对串联IGBT的电压均分电路的技术成果，例如：

1、Ju Won Baek，Dong-Wook Yoo and Heung_Geun Kim.High-voltage switch usingseries-connected IGBTs with simple auxiliary circuit[J].IEEE Transactions on IndustryApplications，vol.37，No.6，pp.1832-1839，2001.

2、Wang，Y.；Palmer，P.R.and Bryant，A.T.et al.An analysis of High-power IGBT switchingunder cascade active voltage control[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2009.Vol.45，issue：2，pp.861-870.

3、Chunpeng Zhang；Yingdong Wei；Qirong Jiang；Luyuan Tong；Dynamic voltagebalancing of series connected IGBTs using slope regulating and voltage clamping[C].EnergyConversion Congress and Exposition(ECCE2010)，2010，Atlanta，GA，Page(s)：4336-4340

4、李勇，邵诚.IGBT串联应用中动态过压的控制[J].华南理工大学学报(自然科学版)，2006，34(1)：43-47.

上述已有技术中，有的方法着重于让IGBT在动态开关时变慢从而实现IGBT的均压，但同时IGBT的开关损耗增大；有的方法其控制电路控制复杂度较高，在实际应用中存在可靠性差异难度。因此，寻找一种新的减小损耗，并较为简单易实现的IGBT串联运行电压均衡是十分重要的。

发明内容

本发明的目的是提出一种绝缘栅双极性晶体管串联运行的均压控制电路，通过结合主从控制电路和主动箝位控制电路的优点，减小损耗，简化电路，使得IGBT在串联运行时可靠性得到提高。

本发明提出的绝缘栅双极性晶体管串联运行的均压控制电路，包括：

第一光隔离及功率放大器和第二光隔离及功率放大器，分别用于对来自控制绝缘栅双极性晶体管开关通断的门极处理器的门极信号进行隔离和功率放大，得到放大的门极控制信号；

第一驱动信号产生模块和第二驱动信号产生模块，分别用于对上述放大的门极控制信号进行功率调制处理，产生主绝缘栅双极性晶体管的第一驱动信号和从绝缘栅双极性晶体管的第二驱动信号；

还包括：主从控制电路和主动箝位控制电路，其中的主从控制电路包括：

采样隔离模块，用于对来自主绝缘栅双极性晶体管的电压信号和从绝缘栅双极性晶体管的电压信号进行隔离采样处理后得到主绝缘栅双极性晶体管的隔离电压信号和从绝缘栅双极性晶体管的隔离电压信号；采样隔离模块由第一稳态均压电阻、第二稳态均压电阻、第一隔离器、第三稳态均压电阻、第四稳态均压电阻和第二隔离器组成；第一稳态均压电阻与第二稳态均压电阻相互串联，两端并联在主绝缘栅双极性晶体管的集电极和发射极，第一隔离器与第二稳态均压电阻并联；第三稳态均压电阻与第四稳态均压电阻相互串联，两端并联在从绝缘栅双极性晶体管的集电极和发射极，第二隔离器与第四稳态均压电阻并联；

求差电路，用于接收采样隔离模块的两个隔离电压信号，对两个隔离电压信号进行信号调制和求差处理，得到主绝缘栅双极性晶体管和从绝缘栅双极性晶体管的电压差值信号，求差电路的输入端分别与第一隔离器和第二隔离器相连；

门极补偿器，用于接收来自求差电路的电压差值信号，对电压差值信号进行调制处理，并根据调制后的信号对从绝缘栅双极性晶体管的门极信号进行补偿处理，使从绝缘栅双极性晶体管的电压与主绝缘栅双极性晶体管的电压相等，门极补偿器的输入端与求差电路的输出端相连接，门极补偿器的输出端与从绝缘栅双极性晶体管的门极相连接；

其中的箝位控制电路，用于接收主绝缘栅双极性晶体管的电压信号，将该电压信号与第一箝位稳压管和第二箝位稳压管的箝位电压值进行比较，产生一个箝位控制信号，发送至主绝缘栅双极性晶体管的门极；并用于接收从绝缘栅双极性晶体管的电压信号，将该电压信号与第三箝位稳压管和第四箝位稳压管的箝位电压值进行比较，产生一个箝位控制信号，发送至从绝缘栅双极性晶体管的门极；箝位控制电路由主绝缘栅双极性晶体管箝位电电路和从绝缘栅双极性晶体管的箝位电电路组成，所述的主绝缘栅双极性晶体管箝位电路由第一二极管、第一箝位稳压管、第二箝位稳压管、第一充放电电容、第一限流电阻和第一放电电阻组成，第一二极管的一端与主绝缘栅双极性晶体管的集电极相连，第一二极管的另一端与第一限流电阻的一端串联，第二箝位稳压管、第一充放电电容和第一放电电阻相互并联后，与第一限流电阻的另一端和第一箝位稳压管的一端相互串联，第一箝位稳压管的另一端与主绝缘栅双极性晶体管的门极相连；所述的从绝缘栅双极性晶体管箝位电路由第二二极管、第三箝位稳压管、第四箝位稳压管、第二充放电电容、第二限流电阻和第二放电电阻组成，第二二极管的一端与从绝缘栅双极性晶体管的集电极相连，第二二极管的另一端与第二限流电阻的一端串联，第四箝位稳压管、第二充放电电容和第二放电电阻相互并联后，与第二限流电阻的另一端和第三箝位稳压管的一端相互串联，第三箝位稳压管的另一端与从绝缘栅双极性晶体管的门极相连。

本发明提出的绝缘栅双极性晶体管串联运行的均压控制电路，可以在动态过程和静态过程中有效地均分串联运行的各个IGBT集电极和发射极之间的电压V_CE，其优点是构建了主从控制的方式，在动态过程中可以实时地调整从IGBT器件的门极信号，使得从IGBT器件的电压V_CE2与主IGBT器件的电压V_CE1相等，同时利用主动电压箝位电路来确保各个IGBT在安全的电压阈值以内。本发明的均压控制电路损耗较小，可靠性高，而且有利于工程实现。

附图说明

图1是本发明提出的均压控制电路的电路原理图。

图2是无均压控制电路时IGBT串联运行电压波形图。

图3是使用本发明提出的控制电路时IGBT串联运行稳态电压波形图。

图4是使用本发明提出的电路时IGBT串联运行动态电压波形图。

具体实施方式

本发明提出的绝缘栅双极性晶体管串联运行的均压控制电路，电路原理图如图1所示，包括：

第一光隔离及功率放大器和第二光隔离及功率放大器，分别用于对来自控制绝缘栅双极性晶体管开关通断的门极处理器的门极信号进行隔离和功率放大，得到放大的门极控制信号；

第一驱动信号产生模块和第二驱动信号产生模块，分别用于对上述放大的门极控制信号进行功率调制处理，产生主绝缘栅双极性晶体管的第一驱动信号和从绝缘栅双极性晶体管的第二驱动信号；

还包括：主从控制电路和主动箝位控制电路，其中的主从控制电路包括：

采样隔离模块，用于对来自主绝缘栅双极性晶体管的电压信号V_CE1和从绝缘栅双极性晶体管的电压信号V_CE2进行隔离采样处理后得到主绝缘栅双极性晶体管的隔离电压信号V_ce1和从绝缘栅双极性晶体管的隔离电压信号V_ce2；采样隔离模块由第一稳态均压电阻R11、第二稳态均压电阻R12、第一隔离器、第三稳态均压电阻R21、第四稳态均压电阻R22和第二隔离器组成；第一稳态均压电阻与第二稳态均压电阻相互串联，两端并联在主绝缘栅双极性晶体管的集电极和发射极，第一隔离器与第二稳态均压电阻并联；第三稳态均压电阻与第四稳态均压电阻相互串联，两端并联在从绝缘栅双极性晶体管的集电极和发射极，第二隔离器与第四稳态均压电阻并联；

求差电路，用于接收采样隔离模块的两个隔离电压信号，对两个隔离电压信号进行信号调制和求差处理，得到主绝缘栅双极性晶体管和从绝缘栅双极性晶体管的电压差值信号ΔV_ce，求差电路的输入端分别与第一隔离器和第二隔离器相连；

门极补偿器，用于接收来自求差电路的电压差值信号ΔV_ce，对电压差值信号ΔV_ce进行调制处理，并根据调制后的信号对从绝缘栅双极性晶体管的门极信号进行补偿处理，使从绝缘栅双极性晶体管的电压V_CE2与主绝缘栅双极性晶体管的电压V_CE1相等，门极补偿器的输入端与求差电路的输出端相连接，门极补偿器的输出端与从绝缘栅双极性晶体管的门极相连接；

其中的箝位控制电路，用于接收主绝缘栅双极性晶体管的电压信号，将该电压信号与第一箝位稳压管和第二箝位稳压管的箝位电压值进行比较，产生一个箝位控制信号，发送至主绝缘栅双极性晶体管的门极；并用于接收从绝缘栅双极性晶体管的电压信号，将该电压信号与第三箝位稳压管和第四箝位稳压管的箝位电压值进行比较，产生一个箝位控制信号，发送至从绝缘栅双极性晶体管的门极；两个箝位控制信号分别对上述第一驱动信号和上述第二驱动信号进行补偿处理，使主绝缘栅双极性晶体管和从绝缘栅双极性晶体管再次开通而实现电压箝位。箝位控制电路由主绝缘栅双极性晶体管箝位电电路和从绝缘栅双极性晶体管的箝位电电路组成，所述的主绝缘栅双极性晶体管箝位电路由第一二极管D1、第一箝位稳压管Zd11、第二箝位稳压管Zd12、第一充放电电容C1、第一限流电阻R13和第一放电电阻R14组成，第一二极管的一端与主绝缘栅双极性晶体管的集电极相连，第一二极管的另一端与第一限流电阻的一端串联，第二箝位稳压管、第一充放电电容和第一放电电阻相互并联后，与第一限流电阻的另一端和第一箝位稳压管的一端相互串联，第一箝位稳压管的另一端与主绝缘栅双极性晶体管的门极相连；所述的从绝缘栅双极性晶体管箝位电路由第二二极管D2、第三箝位稳压管Zd21、第四箝位稳压管Zd22、第二充放电电容C2、第二限流电阻R23和第二放电电阻R24组成，第二二极管的一端与从绝缘栅双极性晶体管的集电极相连，第二二极管的另一端与第二限流电阻的一端串联，第四箝位稳压管、第二充放电电容和第二放电电阻相互并联后，与第二限流电阻的另一端和第三箝位稳压管的一端相互串联，第三箝位稳压管的另一端与从绝缘栅双极性晶体管的门极相连。图1中，S1和S2为两个串联的IGBT，其中S1为主IGBT，S2为从IGBT器件。第一稳态均压电阻R11、第二稳态均压电阻R12构成S1的稳态均压电阻，同时也是S1集电极与发射极之间电压V_CE1的分压采样电阻，同理，第三稳态均压电阻R21、第四稳态均压电阻R22为S2的稳压均压电阻，同时也是S2集电极与发射极之间电压V_CE2的分压采样电阻，其中R11＝R21＞＞R12＝R22。通过第一、第二隔离采样电路的处理后可以得到隔离电压信号V_ce，其次通过求差电路可以得到主、从IGBT之间的电压差值ΔV_ce，再次通过误差ΔV_ce信号控制门极补偿器对从IGBT器件的门极驱动信号做出补偿处理，从而改变从IGBT门极电流I_G2，使得从IGBT器件的电压V_CE2与主IGBT器件的电压V_CE1相同。

本发明提出的绝缘栅双极性晶体管串联运行的均压控制电路，首先需要将整个IGBT串联的其中一只IGBT看作为主器件，其他IGBT看作为从器件。通过隔离电路采集串联的各个IGBT的集电极和发射极的电压V_CE，然后将从IGBT器件的电压V_CE2与主IGBT器件的电压V_CE1比较，得到主、从IGBT器件之间的V_ce电压误差ΔV_ce。最后通过电压误差ΔV_ce控制从IGBT器件的门极补偿器注入电流来减小主、从IGBT器件之间的电压误差ΔV_ce。

其中的主动箝位控制电路，是在主、从IGBT器件的门极和集电极之间加入由第一二极管D1、第一箝位稳压管Zd11、第二箝位稳压管Zd12、第一充放电电容C1、第一限流电阻R13、第二限流电阻R14器件构成的电路，通过这些元器件的串并联方式来保障主IGBT的电压V_CE1可以被箝位在某一个安全值之内，从而确保串联运行的IGBT器件安全有效的均压控制。

在图1中，第一二极管D1、第一限流电阻R13、第一放电电阻R14、第一充放电电容C1、第一箝位稳压管Zd11、第二箝位稳压管Zd12构成了S1的主动箝位电路，同理第二二极管D2、第二限流电阻R23、第二放电电阻R24、第二充放电电容C2、第三箝位稳压管Zd21、第四箝位稳压管Zd22构成了S2的主动箝位电路，两个主动箝位电路各相相对应的参数均完全相同。以S1为例说明此部分电路的主要功能，假设当S1的电压V_CE1高于Zd11的稳压值Zd₁时，Zd11开始工作，此时D1、R13和C1会存在一个电流向S1的门极中注入一个小电流I_C，这个电流会给IGBT的门极电容充电使得IGBT关断变慢，当C1充电达到Zd12的稳压值Zd₂时，Zd12开始工作，此时V_CE1的电压将被箝位在Zd₁+Zd₂的电平上，实现了IGBT的安全阈值电压保护。

以下结合附图说明本发明控制电路的具体工作原理：

图2是为saber仿真原理图，仿真条件为直流侧电压1100V，电流100A，阻感负载。当驱动信号、IGBT器件参数存在差异导致串联运行的IGBT在关断时，无均压控制电路的IGBT串联运行电压波形图，其中图2(a)中为两个串联的IGBT器件的门极驱动电压信号V_ge，可以看到由于两个驱动信号的时间相差500ns，因此导致了两个IGBT的电压V_CE出现了电压失衡的现象，如图2(b)所示。

图3为使用本发明提出的均压控制电路时，两个IGBT器件在驱动信号延迟500ns条件下的开关过程仿真电压波形。由图3可见IGBT的动静态均压效果良好。

当IGBT串联稳态运行时，每一个IGBT器件可以被看作为一个阻值大的电阻，将各个IGBT器件都并联稳态均压电阻R11、R12和R21、R22，使得各个IGBT的等效阻值接近，从而保证在稳态时各个IGBT器件之间电压均衡。

当本发明电路处于动态工作时，需要考虑以下两种情况：

假定S1为主IGBT器件，S2为从IGBT器件。

1、主IGBT器件电压上升比从IGBT器件电压慢时的情况。

当S1的电压V_CE1的上升慢于S2的电压V_CE1时，此时S1的电压V_CE1会低于S2的电压V_CE2，主从控制电路通过信号隔离采集模块和求差电路，则可以得到两个IGBT器件之间的电压误差ΔV_ce，此时由于电压误差ΔV_ce为正，门极补偿器可以向S2的门极中注入一个正向的电流I_ADJ，从而使得S2的门极信号V_ge不再下降或者重新上升，S2不再继续关断。

与此同时，当S2的电压升高至Zd21的工作稳压值Zd₁时，D2、R23和C2会存在一个电流向S2的门极中注入一个电流I_C，使得S2的电压上升速度被减缓，当S2的电压升高至Zd₁+Zd₂的电平时，S2将被箝位住，从而保护S2的电压在安全值以内。

2、主IGBT器件电压上升比从IGBT器件电压快时的情况。

当S1的电压V_CE1的上升快于S2的电压V_CE2时，此时S1的电压V_CE1会高于S2的电压V_CE2，最终导致电压不平衡。同理，通过信号隔离采集模块和求差电路得到两个IGBT器件之间的电压误差ΔV_ce，此时电压误差ΔV_CE为负，门极补偿器可以向S2的门极中注入一个反向的电流I_ADJ，从而使得S2的门极信号V_ge尽快下降，S2加速关断。

同时当S1的电压升高至Zd11的工作稳压值Zd₁时，D1、R13和C1会存在一个电流向S1的门极中注入一个小电流I_C，使得S1的电压上升速度被减缓，当S1的电压升高至Zd₁+Zd₂的电平时，S1将被箝位住，从而保护S1的电压在安全值以内。

图4给出了S1的电压V_CE的上升快于S2的电压V_CE时，使用本发明提出的电路时IGBT串联运行电压波形图。图4(c)为从IGBT器件S2的门极电压信号V_{ge_bottom}和门极补偿器注入电流信号V_{master-slavel}波形，可以看出，当S1的电压高于S2的电压时，门极补偿器注入了一个反向电流信号I_ADJ，从而使得S2的门极电压加快关断。同时，图4(d)为主IGBT器件S1的门极电压信号V_{ge_top}和箝位电流信号I_clamping的波形图，可以看出，通过向门极信号注入电流，可以将S1的电压箝位在安全电压以内。图4(e)为主、从IGBT器件的两个V_CE电压波形图，可以看到此方法可以有效地实现动态和稳态时IGBT串联运行的电压均衡。

通过对上述工作原理描述可以得知，本发明可以实现IGBT串联运行的稳态和动态时的电压均衡控制。在动态电压均分控制时可以利用两种控制方式同时进行均压调节，其控制效果良好，减小了IGBT均压时的损耗，确保了电压的安全箝位，并具有较高的可靠性。

以上方法也同样适用于三个或三个以上的IGBT串联运行的电压均衡控制中。在实际应用中，根据实际运行电压的等级，需要选择好稳态均压电阻，充放电电容，以及第一、第二级箝位稳压管和限流电阻，放电电阻等参数。这些参数的变化，并不影响整个电压均衡控制电路的实际使用效果。

Claims (1)

1.一种绝缘栅双极性晶体管串联运行的均压控制电路，包括：

第一光隔离及功率放大器和第二光隔离及功率放大器，分别用于对来自控制绝缘栅双极性晶体管开关通断的门极处理器的门极信号进行隔离和功率放大，得到放大的门极控制信号；

第一驱动信号产生模块和第二驱动信号产生模块，分别用于对上述放大的门极控制信号进行功率调制处理，产生主绝缘栅双极性晶体管的第一驱动信号和从绝缘栅双极性晶体管的第二驱动信号；

其特征在于还包括：主从控制电路和主动箝位控制电路，其中的主从控制电路包括：

采样隔离模块，用于对来自主绝缘栅双极性晶体管的电压信号和从绝缘栅双极性晶体管的电压信号进行隔离采样处理后得到主绝缘栅双极性晶体管的隔离电压信号和从绝缘栅双极性晶体管的隔离电压信号；采样隔离模块由第一稳态均压电阻、第二稳态均压电阻、第一隔离器、第三稳态均压电阻、第四稳态均压电阻和第二隔离器组成；第一稳态均压电阻与第二稳态均压电阻相互串联，两端并联在主绝缘栅双极性晶体管的集电极和发射极，第一隔离器与第二稳态均压电阻并联；第三稳态均压电阻与第四稳态均压电阻相互串联，两端并联在从绝缘栅双极性晶体管的集电极和发射极，第二隔离器与第四稳态均压电阻并联；

求差电路，用于接收采样隔离模块的两个隔离电压信号，对两个隔离电压信号进行信号调制和求差处理，得到主绝缘栅双极性晶体管和从绝缘栅双极性晶体管的电压差值信号，求差电路的输入端分别与第一隔离器和第二隔离器相连；

门极补偿器，用于接收来自求差电路的电压差值信号，对电压差值信号进行调制处理，并根据调制后的信号对从绝缘栅双极性晶体管的门极信号进行补偿处理，使从绝缘栅双极性晶体管的电压与主绝缘栅双极性晶体管的电压相等，门极补偿器的输入端与求差电路的输出端相连接，门极补偿器的输出端与从绝缘栅双极性晶体管的门极相连接；

其中的箝位控制电路，用于接收主绝缘栅双极性晶体管的电压信号，将该电压信号与第一箝位稳压管和第二箝位稳压管的箝位电压值进行比较，产生一个箝位控制信号，发送至主绝缘栅双极性晶体管的门极；并用于接收从绝缘栅双极性晶体管的电压信号，将该电压信号与第三箝位稳压管和第四箝位稳压管的箝位电压值进行比较，产生一个箝位控制信号，发送至从绝缘栅双极性晶体管的门极；箝位控制电路由主绝缘栅双极性晶体管箝位电电路和从绝缘栅双极性晶体管的箝位电电路组成，所述的主绝缘栅双极性晶体管箝位电路由第一二极管、第一箝位稳压管、第二箝位稳压管、第一充放电电容、第一限流电阻和第一放电电阻组成，第一二极管的一端与主绝缘栅双极性晶体管的集电极相连，第一二极管的另一端与第一限流电阻的一端串联，第二箝位稳压管、第一充放电电容和第一放电电阻相互并联后，与第一限流电阻的另一端和第一箝位稳压管的一端相互串联，第一箝位稳压管的另一端与主绝缘栅双极性晶体管的门极相连；所述的从绝缘栅双极性晶体管箝位电路由第二二极管、第三箝位稳压管、第四箝位稳压管、第二充放电电容、第二限流电阻和第二放电电阻组成，第二二极管的一端与从绝缘栅双极性晶体管的集电极相连，第二二极管的另一端与第二限流电阻的一端串联，第四箝位稳压管、第二充放电电容和第二放电电阻相互并联后，与第二限流电阻的另一端和第三箝位稳压管的一端相互串联，第三箝位稳压管的另一端与从绝缘栅双极性晶体管的门极相连。

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