CN103066809A - 一种应用于直接串联型igbt的改进型rcd缓冲电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路，改进型RCD缓冲电路包括RCD缓冲单元、电压采样模块、比较器模块、脉冲发生单元和辅助开关单元；RCD缓冲单元包括电阻R、二极管D和电容C，电阻R与二极管D并联后与电容C串联，再并联到IGBT的集电极和发射极两端；电压采样模块对IGBT的集电极和发射极两端的电压进行分压，比较器模块对IGBT两端经过分压后的电压和预设的参考电平进行比较，脉冲发生单元的输入端与比较器模块的输出端连接。本发明提供的一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路，当检测到过压时，通过脉冲发生单元发生短时脉冲控制辅助IGBT的开通和关断实现短时的过压能量泄放，能快速降低IGBT两端的过压到正常范围，并且损耗大大降低。

Description

一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路。
背景技术
IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）综合了GTR（电力晶体管）和MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金氧半场效晶体管）的优点，具备了输入阻抗高，开关速度快，驱动简单，通态压降低等诸多优良特性，因此在大功率电能变换领域中得到了广泛的运用。但是由于当前工艺和制造水平的限制，在高压大功率电能变换场合单个IGBT器件的耐压等级还不能满足的要求，而将多个IGBT直接串联使用是一个较为简单、经济的解决方法。
因为IGBT的开关动作很快，当其关断时，或者其反并联二极管反向恢复时会产生很高的di/dt，由于放电回路中存在一定的杂散电感以及配线电感，会带来关断浪涌电压问题（L×di/dt）。抑制该浪涌电压方法主要有①在IGBT中加上缓冲电路，吸收浪涌电压；②调整IGBT驱动电路的正负电平和门极电阻，减小di/dt;③尽量减少回路的杂散电感以及配线电感。
在对IGBT进行串联使用时，必须保证器件工作在安全区域内，防止其因为过压而损坏，因此在②、③方法已经无法进一步调节的时候，采用缓冲吸收电路来实现过压的吸收更具有研究价值，因为不同的缓冲电路和方法吸收的效果不同，应用场合也有所侧重。
传统的缓冲吸收电路主要有：
1、RC缓冲电路。R串联C后直接并联在IGBT两端。它具有电路简单，吸收损耗小，速度快的特定。但是因为C在IGBT工作的每个周期都要充放电一次，在R上会产生很大的损耗。应用于大容量IGBT时，R必须位于低值，结果使得关断时集电极电流增大，IGBT的负荷加重。此种缓冲电路的损耗很大，仅仅适合在低频低压电路上应用。
2、RCD缓冲电路。R、D并联后与C串联，再并联在IGBT两端。在IGBT关断时R被D旁路，因此R值可以选取高值，能够回避开通时的IGBT负担问题。C充电时R不产生损耗。但是C放电仍会在R上产生较大损耗，当运行频率较高时，会严重影响装置的运行效率。因此也只适合在中低频应用。
3、放电阻止型缓冲电路。将R的放电回路与电源端相连，放电时也是将C放到电压和电源相等（稳态电压）时就停止，这样就使得电阻R上的损耗大大降低，比较适合高频应用。但是电路复杂，电路的连线会引入较大的杂散电感，影响吸收效果。同时在高压IGBT直接串联时无法直接应用，因为此时每个IGBT对应的缓冲电路上的C的稳态电压不一致，需要进行额外的稳态均压处理，结构复杂并且成本也昂贵。同时连线会更加复杂，不适合直接串联型IGBT应用。
发明内容
本发明涉及一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路，所述改进型RCD缓冲电路包括RCD缓冲单元、电压采样模块、比较器模块、脉冲发生单元和辅助开关单元；
所述RCD缓冲单元包括电阻R、二极管D和电容C，电阻R与二极管D并联后与电容C串联，再并联到所述IGBT的集电极和发射极两端；
所述电压采样模块对所述IGBT的集电极和发射极两端的电压进行分压，所述比较器模块对所述IGBT两端经过分压后的电压和预设的参考电平进行比较，所述脉冲发生单元的输入端与所述比较器模块的输出端连接；
所述IGBT处于稳态时所述比较器模块输出电源电平，所述脉冲发生单元输出低电平；
所述IGBT处于过压状态时，所述IGBT两端经过分压后的电压超过所述预设的参考电平时，所述比较器模块输出低电平，所述脉冲发生单元输出脉冲，所述辅助开关单元动作对所述RCD缓冲单元中的所述电容C上的能量进行脉冲可调的短时泄放处理。
本发明提供的第一优选实施例中：所述电压采样模块包括串联的电阻R2和电阻R3，所述IGBT的集电极和发射极两端连接所述串联的电阻R2和电阻R3后，取所述电阻R2和电阻R3连接点的电压为所述IGBT的集电极和发射极两端经过分压后的电压。
本发明提供的第二优选实施例中：所述比较器模块包括比较器OP1，所述IGBT的集电极和发射极两端经过分压后的电压接入所述比较器OP1的负输入端，所述预设的参考电平接入所述比较器OP1的正输入端。
本发明提供的第三优选实施例中：所述脉冲发生单元包括LM555及其外围电路组成；
所述比较器模块的输出端通过电容C2后与LM555的触发引脚
Figure BDA00002536891400021
相连，所述LM555的放电引脚DC通过电容C3与所述IGBT的发射极相连，控制电压引脚CV通过电容C4与所述IGBT的发射极相连，地线引脚GND与IGBT的发射极直接相连；
所述LM555的放电引脚DC与触发引脚
Figure BDA00002536891400022
和阀值引脚TH相连接，复位引脚
Figure BDA00002536891400023
和电源引脚VCC相连接，所述放电引脚DC与触发引脚
Figure BDA00002536891400024
和阀值引脚TH相连接后经过并联的电阻R4、二极管D2和电阻R5与所述复位引脚
Figure BDA00002536891400025
和电源引脚VCC的连接点相连接；
所述LM555的输出引脚OUT为所述脉冲发生单元的输出端。
本发明提供的第四优选实施例中：所述二极管D2为钳位二极管；
所述脉冲发生单元输出的脉冲的脉宽通过调节所述电阻R5和电容C3的大小进行调节，其中，所述脉冲的脉宽的值近似等于1.1倍的所述电阻R5和电容C3的值的乘积。
本发明提供的第五优选实施例中：所述辅助开关单元包括驱动模块、IGBT1'和电阻R6；
所述IGBT1'和电阻R6串联后与电容C1的两端相连接，所述驱动模块连接所述脉冲发生单元的输出端和所述IGBT1'的栅极；
所述IGBT处于过压状态时，所述脉冲发生单元输出一定脉宽的脉冲，所述驱动模块驱动IGBT1'导通，所述电容C1的过压尖峰通过IGBT1'和电阻R6快速放电消减，所述脉冲结束后，所述IGBT1'关断，所述电容C1维持在稳态电压。
本发明提供的一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路的有益效果包括：
1、本发明提供的一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路，过压缓冲控制的原理基于放电阻止的思想，当检测到过压时，通过脉冲发生单元发生短时脉冲控制辅助IGBT的开通和关断实现短时的过压能量泄放。这种泄放是短暂的，能快速的降低IGBT两端的过压到正常范围，并且与传统的RCD缓冲电路相比其损耗会大大降低。同时这种泄放脉宽是可控的，可以根据实际情况加以调整，进一步降低损。回避了传统RCD缓冲电路对R、IGBT的负担问题，缓冲电容C可以选取较大的容值来增加吸收效果而不会导致过大的损耗，更易于实现，减小了成本。
2、所有元件可集中一块吸收电路板上，结构简单可靠，便于安装，并且可以运用在较高频率的基于IGBT直接串联的换流设备上。
附图说明
如图1所示为本发明提供的一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路的原理示意图；
如图2所示为本发明提供的一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路的电路结构图；
如图3所示为本发明提供的改进型RCD缓冲电路与传统RCD缓冲电路在直接串联型IGBT应用上的实验对比结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
本发明提供一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路，对传统的RCD缓冲电路进行改进，对电容C上的过压进行快速泄放并最终维持该电压在稳态电压，从而实现放电阻止型缓冲电路的缓冲效果，当IGBT关断时，由于杂散电感等的影响会在IGBT两端产生较大的过压。该过压可以通过电阻分压检测出来并和比较器进行比较，输出控制信号，再由脉冲发生单元产生脉冲可调的脉冲信号对辅助放电回路进行控制。如图1所示为本发明提供的一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路的原理示意图。
由图1可知，该改进型RCD电路包括RCD缓冲单元、电压采样模块、比较器模块、脉冲发生单元和辅助开关单元。
RCD缓冲单元为传统的RCD缓冲电路，包括电阻R、二极管D和电容C，电阻R与二极管D并联后与电容C串联，再并联到IGBT的集电极和发射极两端。
电阻R的数值较大，提供辅助的放电通路，正常运行时其损耗很低，可忽略其耗损影响。
电压采样模块对IGBT的集电极和发射极两端的电压进行分压，比较器模块对IGBT两端经过分压后的电压和预设的参考电平进行比较，脉冲发生单元的输入端与比较器模块的输出端连接。IGBT处于稳态时比较器模块输出电源电平，脉冲发生单元输出低电平。IGBT处于过压状态时，IGBT两端经过分压后的电压超过参考电平时，比较器模块输出低电平，脉冲发生单元输出脉冲，辅助开关单元动作对RCD缓冲单元中的电容C上的能量进行脉冲可调的短时泄放处理。
具体的，如图2所示为本发明提供的一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路的电路结构图，图2中，IGBT1与IGBT2串联，IGBT1和IGBT2均连接有该改进型RCD缓冲电路，以IGBT1为例，由图2可知，电压采样模块包括串联的电阻R2和电阻R3，IGBT的集电极和发射极两端连接串联的电阻R2和电阻R3后，取电阻R2和电阻R3连接点的电压为IGBT1的集电极和发射极两端经过分压后的电压。
比较器模块包括比较器OP1，IGBT的集电极和发射极两端经过分压后的电压接入比较器OP1的负输入端，预设的参考电平接入比较器OP1的正输入端。
脉冲发生单元包括LM555及其外围电路组成，比较器OP1的输出端通过电容C2后与LM555的触发引脚
Figure BDA00002536891400041
相连，放电引脚DC通过电容C3与IGBT1的发射极相连，控制电压引脚CV通过电容C4与IGBT1的发射极相连，地线引脚GND与IGBT1的发射极直接相连。放电引脚DC与触发引脚
Figure BDA00002536891400042
和阀值引脚TH相连接，复位引脚
Figure BDA00002536891400043
和电源引脚VCC相连接，放电引脚DC与触发引脚
Figure BDA00002536891400044
和阀值引脚TH相连接后经过并联的电阻R4、二极管D2和电阻R5与复位引脚
Figure BDA00002536891400045
和电源引脚VCC连接点相连接。输出引脚OUT为脉冲发生单元的输出端。其中二极管D2为钳位二极管，脉冲发生单元输出的脉冲的脉宽可以通过调节电阻R5和电容C3的大小进行调节，其中，脉宽TW的值近似等于1.1倍的电阻R5和电容C3的值的乘积。
辅助开关单元包括驱动模块、IGBT1'和电阻R6，IGBT1'和电阻R6串联后与电容C1的两端相连接，驱动模块连接脉冲发生单元的输出端和IGBT1'的栅极，IGBT处于过压状态时，脉冲发生单元输出一定脉宽的脉冲，驱动模块驱动IGBT1'导通，电容C1的过压尖峰通过IGBT1'和电阻R6快速放电消减，脉冲结束后，IGBT1'关断，电容C1维持在稳态电压。可以减少不必要的充放电动作，优化缓冲系统效率。
当IGBT1过压时，由吸收电容C1吸收过压能量，C1的能量最终并没有像传统的RCD那样全部耗散掉，因此可以选取较大容值的电容提高吸收效果。
如图3所示为本发明提供的改进型RCD缓冲电路与传统RCD缓冲电路在直接串联型IGBT应用上的实验对比结果图,实验工况电压为1500V，回路电流为300A，采用的是英飞凌公司的FZ600R17KE4型IGBT两只直接串联应用。图3为实验的对比结果，横坐标是时间轴，纵坐标是其中一只IGBT的两端电压波形，其中U1（实线）为传统RCD缓冲电路下的IGBT两端电压，U2（虚线）为本发明提供的改进型RCD缓冲电路情况下的IGBT两端电压。由图3可以看出，U2比U1更快速的吸收尖峰并且能迅速的维持电压在稳态电压，损耗更低，吸收效果显著。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种应用于直接串联型IGBT的改进型RCD缓冲电路，其特征在于，所述改进型RCD缓冲电路包括RCD缓冲单元、电压采样模块、比较器模块、脉冲发生单元和辅助开关单元；
所述RCD缓冲单元包括电阻R、二极管D和电容C，电阻R与二极管D并联后与电容C串联，再并联到所述IGBT的集电极和发射极两端；
所述电压采样模块对所述IGBT的集电极和发射极两端的电压进行分压，所述比较器模块对所述IGBT两端经过分压后的电压和预设的参考电平进行比较，所述脉冲发生单元的输入端与所述比较器模块的输出端连接；
所述IGBT处于稳态时所述比较器模块输出电源电平，所述脉冲发生单元输出低电平；
所述IGBT处于过压状态时，所述IGBT两端经过分压后的电压超过所述预设的参考电平时，所述比较器模块输出低电平，所述脉冲发生单元输出脉冲，所述辅助开关单元动作对所述RCD缓冲单元中的所述电容C上的能量进行脉冲可调的短时泄放处理。
2.如权利要求1所述的改进型RCD缓冲电路，其特征在于，所述电压采样模块包括串联的电阻R2和电阻R3，所述IGBT的集电极和发射极两端连接所述串联的电阻R2和电阻R3后，取所述电阻R2和电阻R3连接点的电压为所述IGBT的集电极和发射极两端经过分压后的电压。
3.如权利要求1所述的改进型RCD缓冲电路，其特征在于，所述比较器模块包括比较器OP1，所述IGBT的集电极和发射极两端经过分压后的电压接入所述比较器OP1的负输入端，所述预设的参考电平接入所述比较器OP1的正输入端。
4.如权利要求1所述的改进型RCD缓冲电路，其特征在于，所述脉冲发生单元包括LM555及其外围电路组成；
所述比较器模块的输出端通过电容C2后与LM555的触发引脚相连，所述LM555的放电引脚DC通过电容C3与所述IGBT的发射极相连，控制电压引脚CV通过电容C4与所述IGBT的发射极相连，地线引脚GND与IGBT的发射极直接相连；
所述LM555的放电引脚DC与触发引脚和阀值引脚TH相连接，复位引脚
Figure FDA00002536891300013
和电源引脚VCC相连接，所述放电引脚DC与触发引脚
Figure FDA00002536891300014
和阀值引脚TH相连接后经过并联的电阻R4、二极管D2和电阻R5与所述复位引脚
Figure FDA00002536891300015
和电源引脚VCC的连接点相连接；
所述LM555的输出引脚OUT为所述脉冲发生单元的输出端。
5.如权利要求4所述的改进型RCD缓冲电路，其特征在于，所述二极管D2为钳位二极管；
所述脉冲发生单元输出的脉冲的脉宽通过调节所述电阻R5和电容C3的大小进行调节，其中，所述脉冲的脉宽的值近似等于1.1倍的所述电阻R5和电容C3的值的乘积。
6.如权利要求5所述的改进型RCD缓冲电路，其特征在于，所述辅助开关单元包括驱动模块、IGBT1'和电阻R6；
所述IGBT1'和电阻R6串联后与电容C1的两端相连接，所述驱动模块连接所述脉冲发生单元的输出端和所述IGBT1'的栅极；
所述IGBT处于过压状态时，所述脉冲发生单元输出一定脉宽的脉冲，所述驱动模块驱动IGBT1'导通，所述电容C1的过压尖峰通过IGBT1'和电阻R6快速放电消减，所述脉冲结束后，所述IGBT1'关断，所述电容C1维持在稳态电压。
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