CN104242614A - 一种基于反馈控制的igbt串联均压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置，该装置包括状态反馈电路及双闭环控制电路、IGBT门极驱动电路、静态均压电路和IGBT控制器。本发明采用有源电压控制方法，通过对各IGBT集电极和发射极两端电压和门极电压进行采样，引入多重闭环反馈，闭环负反馈控制使Vce始终无差跟随设定值，从而实现IGBT直接串联中的电压平衡与过压抑制。本发明解决了IGBT器件串联应用中各IGBT所承受的电压不均衡问题，尤其是动态均压问题，防止IGBT功率器件工作过程中承受超过其耐压水平的过电压而损坏，同时减小了IGBT开通和关断过程所需要的时间和开关损耗，降低了电力电子装置的损耗，提高了装置的可靠性。

Description

一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置

技术领域

本发明属于电力电子技术领域领域，涉及一种基于反馈控制的IGBT(insulation gatebipolar transistor，IGBT)串联均压装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，大功率半导体器件在电力系统中的应用越来越广泛，尤其是在高压变频、直流输电、电气牵引、分布式发电并网以及能源转换等场合正得到越来越广泛的应用。而这些换流器大都使用绝缘栅双极晶体管(insulation gate bipolar transistor，IGBT)作为开关器件。

随着大功率电力电子装置的应用范围不断的推广和扩展，对其电压、电流和功率等级的要求也不断的提高，由于IGBT器件的容量限制，在进行较大功率变换的场合，如高压变频、直流输电等，尤其是基于电压源换流器的直流输电系统。由于目前最高电压等级的商用IGBT器件只有6500V，在此情况下，如果变流器采用常规的两电平拓扑结构，即便使用现有最高耐压等级的6500V高压IGBT，仍然无法满足与6kV及以上等级的供电系统或负载直接连接。

在现有器件耐压水平下，提高电力电子装置额定电压的主要措施主要包括四类：电力电子变换器串联变压器、采用多电平拓扑结构、电力电子变换器级联、功率器件串联。引入变压器会大幅度增加整个装置的成本和体积，采用多电平拓扑电力电子装置使得装置的结构和控制算法变得非常复杂，采用变化器级联需要引入移相变压器并且结构也非常复杂。相比之下功率器件直接串联相当于提高了器件耐压水平，理论上是最直接易行的方法，同时不会增加控制算法的难度。

大功率串联IGBT运行中，最关键的是串联IGBT关断稳态和开关过程中的电压均衡问题，分别称为静态均压和动态均压。

IGBT串联静态电压不均衡主要是由于IGBT漏电流不一致造成。在IGBT的集电极和发射极之间并联均压电阻，可以很好的解决IGBT串联静态电压不均衡问题。IGBT串联动态电压不均衡产生的原因非常复杂，影响因素也很多，主要包括IGBT自身参数不一致、变流器换流回路参数不一致、驱动电路以及控制信号脉冲的延时等。解决IGBT串联动态均要的方法主要分成两大部分：利用RCD吸收回路和通过有源的方式调整门极驱动信号的。利用RCD吸收回路方式的主要原理是将不均衡的的瞬态能量吸收并消耗在IGBT的外电路上，如果这种方式应用在高压IGBT串联电路中，由于高压IGBT承受的电压高电流大，使得系统的损耗非常大，造成系统效率低下并且散热困难。因此亟需一种适合于高压IGBT串联均压装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置，该装置通过调整门极驱动信号抑制串联电路中IGBT之间不平衡的瞬态能量，可以实现均压，同时避免了IGBT及其外电路的过高损耗。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置，包括状态反馈电路及双闭环控制电路、IGBT门极驱动电路、静态均压电路和IGBT控制器；

所述状态反馈电路的第一输入正极连接IGBT的集电极，状态反馈电路的输入负极连接IGBT的发射极，状态反馈电路的第二输入正极连接IGBT门极；状态反馈电路负责对IGBT的集电极和发射极之间的电压Vce以及IGBT门极电压Vg进行采样，经过状态反馈电路之后IGBT端电压实现从强电到弱电的转换，将状态反馈电路采集到的Vce弱电输出端与控制器输出的电压参考值构成双闭环控制回路的外环，将状态反馈电路采集到的Vg弱电输出端与外环的输出构成双闭环控制回路的内环，通过内环控制提高驱动电路的动态特性；

所述IGBT门极驱动电路的正极连接IGBT的门极，门极驱动电路的负极连接IGBT的发射极，IGBT故障信号输出端连接IGBT控制器的输入端；IGBT门极驱动电路负责将双闭环控制电路输出的控制信号转换成IGBT门极驱动电压，施加在IGBT的门极和发射极之间，控制IGBT的开通和关断，IGBT门极驱动电路还可以产生IGBT故障信号；

所述静态均压电路的正极连接IGBT的集电极，静态均压电路的负极连接IGBT的发射极；静态均压电路的作用主要是当IGBT处于关断稳定状态时平衡串联IGBT所承受的电压；

所述IGBT控制器的输出端与状态反馈电路外环电压参考信号相连接，控制器的输入端与IGBT驱动电路中IGBT故障状态信号端子相连接；IGBT控制器负责输出状态反馈双闭环控制的外环电压参考值和接受IGBT故障信号。

进一步，所述状态反馈电路包括IGBT集电极和发射极电压Vce反馈电路、IGBT门极电压Vg反馈电路。

进一步，所述双闭环控制回路由若干个校正网络串联而成。

进一步，所述IGBT门极驱动电路包括功率放大电路、过流保护电路、短路保护电路、有源箝位电路。

进一步，所述静态均压电路由均压电阻组成。

进一步，所述IGBT集电极和发射极电压Vce反馈电路主要包括第一分压电阻、第一滤波环节、二极管和第一采样电阻；

其中第一分压电阻一端作为状态反馈电路的第一输入正极，另一端与第一滤波环节输入端连接；第一滤波环节输入端连接第一分压电阻，第一滤波环节输出端连接二极管的阳极；二极管的阴极与第一采样电阻相连接，第一采样电阻的另一端作为状态反馈电路的输入负极。

进一步，所述IGBT门极电压Vg反馈电路主要包括第二分压电阻、第二滤波环节和第二采样电阻。

其中第二分压电阻一端作为状态反馈电路的第二输入正极，另一端与第二滤波环节输入端连接；第二滤波环节输入端连接第二分压电阻，第二滤波环节输出端与第二采样电阻相连接，第二采样电阻的另一端作为状态反馈电路的输入负极。

本发明的有益效果在于：本发明解决了IGBT器件串联应用中各IGBT所承受的电压不均衡问题，尤其是动态均压问题，防止IGBT功率器件工作过程中承受超过其耐压水平的过电压而损坏，同时减小了IGBT开通和关断过程所需要的时间和开关损耗，降低了电力电子装置的损耗，提高了装置的可靠性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的原理图；

图2为状态反馈电路原理图；

图3为双闭环控制电路框图；

图4为静态均要电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1是一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置的原理图，该装置包括IGBT均压电路包括状态反馈电路及双闭环控制电路、IGBT门极驱动电路、静态均压电路、IGBT控制器；

其中，状态反馈电路的第一输入正极连接IGBT的集电极，状态反馈电路的输入负极连接IGBT的发射极，状态反馈电路的第二输入正极连接IGBT门极；状态反馈电路主要负责对IGBT的集电极和发射极之间的电压Vce以及IGBT门极电压Vg进行采样，经过状态反馈电路之后IGBT端电压实现从强电到弱电的转换，将状态反馈电路采集到的Vce弱电输出端与控制器输出的电压参考值构成双闭环控制回路的外环，将状态反馈电路采集到的Vg弱电输出端与外环的输出构成双闭环控制回路的内环，通过内环控制提高驱动电路的动态特性。

IGBT门极驱动电路的正极连接IGBT的门极，门极驱动电路的负极连接IGBT的发射极，IGBT故障信号输出端连接IGBT控制器的输入端；IGBT门极驱动电路负责将双闭环控制电路输出的控制信号转换成IGBT门极驱动电压，施加在IGBT的门极和发射极之间，控制IGBT的开通和关断，IGBT门极驱动电路还可以产生IGBT故障信号。

静态均压电路的正极连接IGBT的集电极，静态均压电路的负极连接IGBT的发射极；静态均压电路的作用主要是当IGBT处于关断稳定状态时平衡串联IGBT所承受的电压。

IGBT控制器的输入端与IGBT驱动电路中IGBT故障状态信号端子相连接；控制器的输出端与状态反馈电路外环电压参考信号相连接；IGBT控制器主要输出状态反馈双闭环控制的外环电压参考值和接受IGBT故障信号。

图2是状态反馈电路原理图，状态反馈电路包括两部分：IGBT集电极和发射极电压Vce反馈电路、IGBT门极电压Vg反馈电路。其中IGBT集电极和发射极电压Vce反馈电路主要包括第一分压电阻、第一滤波环节、二极管和第一采样电阻；门极电压Vg反馈电路主要包括第二分压电阻、第二滤波环节和第二采样电阻。

其中，第一分压电阻一端作为状态反馈电路的第一输入正极，另一端与第一滤波环节输入端连接；第一滤波环节输入端连接第一分压电阻，第一滤波环节输出端连接二极管的阳极；二极管的阴极与第一采样电阻相连接，第一采样电阻的另一端作为状态反馈电路的输入负极。

第二分压电阻一端作为状态反馈电路的第二输入正极，另一端与第二滤波环节输入端连接；第二滤波环节输入端连接第二分压电阻，第二滤波环节输出端与第二采样电阻相连接，第二采样电阻的另一端作为状态反馈电路的输入负极。

图3是双闭环控制框图，双闭环控制回路主要由若干个校正网络串联而成；

其中IGBT门极驱动电路主要由功率放大电路、过流保护电路、短路保护电路、有源箝位电路等组成。

图4是IGBT串联静态均压电路原理图，静态均压电路由均压电阻组成。

本发明利用调整门极驱动信号的方式通过调整串联电路中各个IGBT的门极电压，从而抑制串联电路中IGBT之间不平衡的瞬态能量，可以实现均压，同时避免了IGBT及其外电路的过高损耗，因此这种方式更加适合于高压IGBT串联电路。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置，其特征在于：包括状态反馈电路及双闭环控制电路、IGBT门极驱动电路、静态均压电路和IGBT控制器；

所述状态反馈电路的第一输入正极连接IGBT的集电极，状态反馈电路的输入负极连接IGBT的发射极，状态反馈电路的第二输入正极连接IGBT门极；所述状态反馈电路对IGBT的集电极和发射极之间的电压Vce以及IGBT门极电压Vg进行采样，经过状态反馈电路之后IGBT端电压实现从强电到弱电的转换，状态反馈电路采集到的Vce弱电输出端与控制器输出的电压参考值构成双闭环控制回路的外环，状态反馈电路采集到的Vg弱电输出端与外环的输出构成双闭环控制回路的内环，通过内环控制提高驱动电路的动态特性；

所述IGBT门极驱动电路的正极连接IGBT的门极，门极驱动电路的负极连接IGBT的发射极，IGBT故障信号输出端连接IGBT控制器的输入端；所述IGBT门极驱动电路将双闭环控制电路输出的控制信号转换成IGBT门极驱动电压，施加在IGBT的门极和发射极之间，控制IGBT的开通和关断，所述IGBT门极驱动电路可以产生IGBT故障信号；

所述静态均压电路的正极连接IGBT的集电极，静态均压电路的负极连接IGBT的发射极；

所述静态均压电路的作用主要是当IGBT处于关断稳定状态时平衡串联IGBT所承受的电压；

所述IGBT控制器的输出端与状态反馈电路外环电压参考信号相连接，控制器的输入端与IGBT驱动电路中IGBT故障状态信号端子相连接；所述IGBT控制器负责输出状态反馈双闭环控制的外环电压参考值和接受IGBT故障信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置，其特征在于：所述状态反馈电路包括IGBT集电极和发射极电压Vce反馈电路、IGBT门极电压Vg反馈电路。

3.根据权利要求1所述的一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置，其特征在于：所述双闭环控制回路由若干个校正网络串联而成。

4.根据权利要求1所述的一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置，其特征在于：所述IGBT门极驱动电路包括功率放大电路、过流保护电路、短路保护电路、有源箝位电路。

5.根据权利要求1所述的一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置，其特征在于：所述静态均压电路由均压电阻组成。

6.根据权利要求2所述的一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置，其特征在于：所述IGBT集电极和发射极电压Vce反馈电路主要包括第一分压电阻、第一滤波环节、二极管和第一采样电阻；

所述第一分压电阻一端作为状态反馈电路的第一输入正极，另一端与第一滤波环节输入端连接；第一滤波环节输入端连接第一分压电阻，第一滤波环节输出端连接二极管的阳极；二极管的阴极与第一采样电阻相连接，第一采样电阻的另一端作为状态反馈电路的输入负极。

7.根据权利要求2所述的一种基于反馈控制的IGBT串联均压装置，其特征在于：所述IGBT门极电压Vg反馈电路主要包括第二分压电阻、第二滤波环节和第二采样电阻；

所述第二分压电阻一端作为状态反馈电路的第二输入正极，另一端与第二滤波环节输入端连接；第二滤波环节输入端连接第二分压电阻，第二滤波环节输出端与第二采样电阻相连接，第二采样电阻的另一端作为状态反馈电路的输入负极。