CN103199679A - 绝缘栅双极型晶体管均流输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及IGBT并联均流电路。本发明公开了一种绝缘栅双极型晶体管均流输出电路，解决由于IGBT自身电学特性，特别是饱和压降参数不一致导致的不均流问题。本发明的技术方案是，绝缘栅双极型晶体管均流输出电路，由N个模块并联组成，N为整数，N≥2；其中每个模块包括：电流变化采样单元、电流还原单元、不均流运算单元、驱动信号补偿单元、驱动单元和IGBT。本发明的绝缘栅双极型晶体管均流输出电路，可以对具有不同电学特性的IGBT并联进行动态均流和静态均流，特别适合电学特性差别较大的IGBT进行并联均流，具有普适性。

Description

绝缘栅双极型晶体管均流输出电路

技术领域

本发明涉及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）技术，特别涉及IGBT并联均流电路。

背景技术

IGBT是一种高压大功率器件，常作为开关器件用于大功率电力电子设备中。为了扩大电力电子装置的输出容量，当单个主开关器件的容量不满足功率要求的时候，将IGBT并联使用，可以提高设备允许通过的最大电流。在IGBT模块并联使用时，只有当各个单个功率模块既在静态（正向导通运行），又在动态（如开关过程）均达到理想的对称状态，才能最大程度的利用并联后的IGBT模块。然而，IGBT器件电学特性不均衡、驱动信号不同步、电路寄生参数不均衡等因素都会造成并联的IGBT模块间电流的不均衡，极大地降低了IGBT模块的可靠性。因此，IGBT的并联均流技术一直是业界研究的热点。

目前IGBT并联均流技术主要是解决驱动信号的不同步问题，然而，对于IGBT的并联技术而言，IGBT器件自身的电学特性不一致所导致的不均流是不容忽视的。现在主要的IGBT并联均流技术有：均流电感均流、栅极电阻均流、脉冲变压器均流和有源栅驱动均流的方法。但是，均流电感均流、栅极电阻均流和脉冲变压器均流都只是解决驱动信号不同步的问题，并且，均流电感均流和栅极电阻均流还会显著减慢IGBT的开关速度，脉冲变压器均流所需的变压器体积大。虽然有源栅驱动均流方法涉及到了对IGBT器件自身电学特性不一致所导致的不均流进行调整。但是有源栅驱动均流方法电路结构复杂，需要先采样，再经数字逻辑电路芯片计算处理，所需的数字逻辑电路芯片（如DSP、FPGA、MCU等）会导致成本升高，并且对不均流的调整滞后。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种绝缘栅双极型晶体管均流输出电路，解决由于IGBT自身电学特性，特别是饱和压降参数不一致导致的不均流问题。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，绝缘栅双极型晶体管均流输出电路，其特征在于，由N个模块并联组成，N为整数，N≥2；其中每个模块包括：电流变化采样单元、电流还原单元、不均流运算单元、驱动信号补偿单元、驱动单元和IGBT；

所述电流变化采样单元的输入端接本模块IGBT的发射极，输出端接电流还原单元的输入端，所述电流变化采样单元检测本模块IGBT电流的变化，并以电压的形式输出；

所述电流还原单元的输入端接电流变化采样单元的输出端，输出端接不均流运算单元，所述电流还原单元用于对本模块电流变化采样单元的输出电压进行积分处理；

所述不均流运算单元输入端分别接N个模块的电流还原单元的输出，输出端接驱动信号补偿单元，所述不均流运算单元用于评估各个模块IGBT发射极电流值相差的程度；

所述驱动信号补偿单元输入端接不均流运算单元，输出端接驱动单元；

所述驱动单元的输入端接驱动信号补偿单元，输出接IGBT栅极电阻。

优选的，所述电流变化采样单元包括2只钳位二极管、互感线圈和负载电阻；2只钳位二极管反向并联并与互感线圈的初级线圈并联，电流变化采样单元的输入端接IGBT的发射极，互感线圈初级的同名端接输入端，异名端接地，互感线圈次级的异名端接地，同名端为输出端，负载电阻R11与互感线圈次级线圈并联。

具体的，所述电流还原单元、不均流运算单元和驱动信号补偿单元采用运算放大器及其外围电路构成。

具体的，所述驱动单元采用推挽输出电路构成。

本发明的有益效果是，可以对具有不同电学特性的IGBT并联进行动态均流和静态均流，特别适合电学特性差别较大的IGBT进行并联均流，具有普适性；调整速度快，可以时刻检测到每个IGBT的电流值，得到每个IGBT的不均流状况，实现实时调整，不滞后；电路结构简单，可靠，不需要大规模数字逻辑芯片，成本低；所需元件体积小，易于便携，可以集成，适用于BCD工艺和BiCMOS工艺，与IGBT制造工艺兼容。

附图说明

图1是实施例1结构示意图；

图2是电流变化采样单元的电路图；

图3是电流还原单元电路图；

图4是不均流运算单元电路图；

图5是驱动信号补偿单元电路图；

图6是驱动单元电路图；

图7是实施例2结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本例电路结构如图1所示，由模块P1、P2并联组成，对应于N=2的情况。电源VCC通过负载Load与模块P1、P2连接，其中每个模块具体包括：电流变化采样单元、电流还原单元、不均流运算单元、驱动信号补偿单元、驱动单元和一个IGBT器件。其中，IGBT1、IGBT2是电学特性不一致的两个IGBT器件。当驱动信号到来，各IGBT的自身电学特性不一致，将导致IGBT的开启不均流，微弱的不均流会被本模块的电流变化采样单元检测到，并以电压的形式传输到本模块的电流还原单元，通过本模块的电流还原单元的积分处理，得出一个与电流值成比例的电压值。电流还原单元的输出通过不均流运算单元的运算，评估出IGBT的不均流状况，再输入到本模块的驱动信号补偿单元，实现驱动信号补偿，补偿后的驱动信号输入到本模块的驱动单元，调整本模块IGBT的栅极驱动电压，使补偿后的各IGBT栅极驱动电压抵消了各IGBT自身电学特性的不一致性，实现均流输出。

图2是本例电流变化采样单元的原理图。该电流变化采样单元由钳位二极管D11、钳位二极管D12、互感线圈T11和负载电阻R11组成。电流变化采样单元的输入端接IGBT的发射极；其中，钳位二极管D11与钳位二极管D12反相并联在互感线圈T11初级的同名端和地之间，互感线圈T11初级的同名端接输入端，异名端接地。互感线圈T11次级异名端接地，同名端为输出端。负载电阻R11并联在互感线圈T11初级。电流变化采样单元用互感线圈检测本模块IGBT电流的变化，并以电压的形式反映出来。根据电感特性：

得出电流变化采样单元输出端电压V(t)与输入端电流i(t)的关系，

其中M由互感线圈电感比和负载电阻共同决定，为电流变化率，电流i(t)也就是采样电流。输出端电压能时刻反映出本模块IGBT的电流变化率，采样可靠。并且静态时，电流变化采样单元没有直流导通阻抗（忽略线圈电阻），不会增加直流损耗；动态时，由于钳位电压（钳位二极管的正向压降）的存在，对IGBT的开关速度影响也小。

图3是本例电流还原单元的原理图。该电流还原单元由运算放大器AMP1及其外围电路：电阻R21、R22、R23、电容C21、C22组成。电流还原单元的输入端接电流变化采样单元的输出端。其中，电阻R21一端接输入端，另一端接运算放大器AMP1的同相输入端。电容C21一端接地，另一端接运算放大器AMP1的同相输入端。电阻R22一端接地，另一端接运算放大器AMP1的反相输入端。电容C22一端接运算放大器AMP1的反相输入端，另一端接运算放大器AMP1的输出端。电阻R23并联在电容C22两端。运算放大器AMP1的输出端即为电流还原单元的输出端。其中运算放大器采用VDD和VSS双电源供电。电流还原单元的结构形式为一个积分电路，根据

得到：

$V_{\mathrm{OUT}}=K\∫V\left(t\right)\mathrm{dt}=K\∫M*L\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}=K*M*L*i\left(t\right)$

其中K由积分电路的自身参数决定。电流还原单元的输出电压V_OUT是一个与采样电流i(t)成线性关系的值，通过对本模块电流变化采样单元的输出电压V(t)进行积分，可以反映出当前本模块IGBT的电流值。其中，电阻R21和电容C21构成一个低通滤波器，低通滤波器的输出作为运算放大器AMP1的同相输入信号。

图4是本例不均流运算单元的电路原理图。该不均流运算单元由电阻R31、R32等外围电路和运算放大器AMP31组成。不均流运算单元的输入端分别接模块P1、P2的电流还原单元的输出端V1和V2。其中，电阻R31一端接地，另一端接运算放大器AMP31的同相输入端。电阻R32一端接另一模块电流还原单元的输出端，另一端接运算放大器AMP31的同相输入端。电阻R331、R332的一端分别接模块P1、P2的电流还原单元的输出端，另一端接运算放大器AMP31的反相输入端。电阻R34一端接运算放大器AMP31的反相输入端，另一端接运算放大器的输出。运算放大器采用VDD和VSS双电源供电。不均流运算单元的目的在于评估出本模块IGBT电流值与其它模块IGBT电流值相差的程度，用本模块电流还原单元的输出减去其他模块电流还原单元输出的平均值，即

进行不均流评估，其中，V_X是本模块电流还原单元的输出电压。对于图4所示电路，有：R31=R32=2×R34，可以得出不均流运算单元的输出电压V_in有 $V_{\mathrm{in}}=V_X-\frac{1}{2}(V_1+V_2).$

图5是本发明中的驱动信号补偿单元的原理图。该驱动信号补偿单元由电阻R41、R42和运算放大器AMP41组成。驱动信号补偿单元的输入接不均流运算单元的输出，驱动信号接运算放大器AMP41的同相输入端。电阻R41一端接输入端，另一端接运算放大器AMP41的反相输入端。电阻R42一端接运算放大器AMP41的反相输入端，另一端接运算放大器AMP41的输出端。驱动信号补偿单元的输出为A*V_Drive-B*V_in，其中，A、B的值由电路参数决定，V_Drive为驱动信号幅值，V_in本模块不均流运算单元输出值，驱动信号补偿单元设置了一个驱动信号补偿的参考电压值A*V_Drive，补偿大小依赖于本模块中IGBT的不均流状况，补偿值为B*V_in，经过补偿后的输出信号可抵消IGBT器件自身电学特性不均衡产生的差异，使最终IGBT的输出实现均流。对于图5所示电路，驱动信号补偿单元的输出值为

其中

为补偿参考值，

为补偿值。

图6是本例驱动单元的原理图。驱单元的实现方式很多，图6采用推挽输出电路结构作为驱动单元，该驱动单元由晶体管Q1和Q2组成。驱动单元输入端接驱动信号补偿单元的输出，驱动单元输出端接IGBT的栅极电阻RG1、RG2。其中，晶体管Q1和Q2的基极都接到输入端IN，发射极都接到输出端OUT，Q1的集电极接地，Q2的集电极接直流电压VDC。

实施例2

如图7所示，是由P1、P2…PN共N（≥3）个模块并联组成的IGBT均流电路原理图，其中某个模块的不均流运算单元的输出端电压V_xin，为本模块电流还原单元的输出电压V_X与其他模块电流还原单元的输出电压的平均值之差，即

每个模块的具体结构参见实施例1的描述，此处从略。

以三个IGBT并联输出电路的实验数据为例，无均流措施时，导通电流分别为12.415A、11.248A、9.3536A，三个IGBT平均输出电流11.0055A，最大电流差为3.0614A。采用本发明的技术进行均流控制后，三个IGBT的导通电流分别为11.134A、11.026A、10.856A，平均输出电流11.0053A，最大电流差为0.278A。相比无均流措施时IGBT的最大电流差3.0614A，不均衡电流减小为原来的9.07%，均流效果显著。

本发明的各IGBT的栅极驱动电压，随着IGBT不均流的出现，栅极驱动电压不断得到调整，使各IGBT栅极驱动电压抵消了各IGBT自身电学特性的不一致差异，实现均流输出。

Claims (4)

1.绝缘栅双极型晶体管均流输出电路，其特征在于，由N个模块并联组成，N为整数，N≥2；其中每个模块包括：电流变化采样单元、电流还原单元、不均流运算单元、驱动信号补偿单元、驱动单元和IGBT；

所述电流变化采样单元的输入端接本模块IGBT的发射极，输出端接电流还原单元的输入端，所述电流变化采样单元检测本模块IGBT电流的变化，并以电压的形式输出；

所述电流还原单元的输入端接电流变化采样单元的输出端，输出端接不均流运算单元，所述电流还原单元用于对本模块电流变化采样单元的输出电压进行积分处理；

所述不均流运算单元输入端分别接N个模块的电流还原单元的输出，输出端接驱动信号补偿单元，所述不均流运算单元用于评估各个模块IGBT发射极电流值相差的程度；

所述驱动信号补偿单元输入端接不均流运算单元，输出端接驱动单元；

所述驱动单元的输入端接驱动信号补偿单元，输出接IGBT栅极电阻。

2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管均流输出电路，其特征在于，所述电流变化采样单元包括2只钳位二极管、互感线圈和负载电阻；2只钳位二极管反向并联并与互感线圈的初级线圈并联，电流变化采样单元的输入端接IGBT的发射极，互感线圈初级的同名端接输入端，异名端接地，互感线圈次级的异名端接地，同名端为输出端，负载电阻R11与互感线圈次级线圈并联。

3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管均流输出电路，其特征在于，所述电流还原单元、不均流运算单元和驱动信号补偿单元采用运算放大器及其外围电路构成。

4.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管均流输出电路，其特征在于，所述驱动单元采用推挽输出电路构成。

Images