CN104377943A - 一种igbt串联均压电路 - Google Patents

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陈功
刘小松
刘国频
颜彪
谢跃飞
李图强
彭国荣
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
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Abstract

本发明公开了一种IGBT串联均压电路，包括至少两个串联的主IGBT，每个主IGBT与一个缓冲均压单元连接；所述缓冲均压单元包括并联在所述主IGBT集电极和发射极之间的电阻均压支路；所述电阻均压支路中点与电压互感器原边绕组一端连接，所述电阻均压支路一端与所述电压互感器原边绕组另一端、辅助IGBT发射极连接；所述电压互感器副边绕组两端与电压跟随器/电压比较器输入端、所述辅助IGBT的发射极连接；所有缓冲均压单元的辅助IGBT集电极均与辅助缓冲支路连接；所述辅助缓冲支路与所述电阻均压支路另一端连接。本发明能避免电压跟随器、辅助IGBT对电阻采样的影响，从而提高采样精度；能保证电路的电压均衡；提高IGBT的开关速度。

Description

一种IGBT串联均压电路
技术领域
本发明涉及一种IGBT串联均压电路。 
背景技术
海上风力发电近来成为国内外研究的热点，而轻型直流输电技术能给风电场提供更多的无功支撑，减小风电场无功补偿设备的投资；避免风电场电压波动对系统的可靠性的影响，也提高了风电场对系统电压波动的抗干扰能力；轻型直流输电技术比交流电压输电受电压传输距离的影响小很多，更适合于远距离输电；而且轻型直流输电技术能提高风电场的低电压穿越能力。因此大型海上远距离海上输电采用轻型直流输电是最佳选择。但是IGBT换流阀的电压均衡问题一直是轻型直流输电技术的难点。由于IGBT容量的限制，需要多个IGBT串联来提高IGBT的容量，由于IGBT换流阀开关速度快，器件本身存在差异，信号传输不同步等从而将引起电压的分压不均衡，特别是动态电压不均衡时的电应力冲击更可能引起IGBT串联阀烧坏等故障，因此需要外围的辅助电路来调节IGBT串联换流阀的电压均衡。
由于RCD缓冲电路特点是电路简单，可靠性好，现在轻型直流输电等应用中常采用RCD缓冲电路作为IGBT串联均压电路。但是RCD缓冲电路吸收的能量直接消耗在电阻上，因而损耗比较大，而且缓冲电容的体积比较大，成本较高。缓冲电容的大小和关断时间是一对矛盾的参数，缓冲电容越大，均压效果会更好，但是关断时间会延长，因而相应损耗会增加。但是缓冲电容较小时，虽然关断时间较短，但是IGBT集电极-发射极两端承受的过电压尖峰可能较大，从而均压效果可能会不是很理想。正常情况下，IGBT栅极不同步在20ns以内，因而正常情况下栅极延时引起的电压不均衡较小，因而在IGBT的集电极-发射极并联一个较小的缓冲电容即可满足均压需求。但是当出现特殊情况的栅极信号不同步时间较长或其他原因引起电压不均衡比较大时，为了确保IGBT串联换流阀能正常工作，需要较大的缓冲电容才能抑制过电压尖峰，实现较好的均压效果。在实际的工程应用中，必须从系统的稳定可靠性考虑，因此IGBT串联换流阀是针对最极端情况来选择缓冲电容的大小，导致IGBT串联阀的关段时间较长，关断损耗较大。
现有的解决上述问题的IGBT串联均压电路见图1，其缺陷是采样电压的电阻和电压比较器之间没有隔离措施，导致辅助IGBT等辅助结构对电压采样影响较大，采样精度不高，且该电路包括多个独立的辅助缓冲支路，每个辅助缓冲支路中包括一个电容，电容数量较多，当多个主IGBT上出现过电压时，无法实现电压均衡；RCD缓冲支路的存在，导致IGBT开关速度降低。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种IGBT串联均压电路。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种IGBT串联均压电路，包括至少两个串联的主IGBT，每个主IGBT与一个缓冲均压单元连接；所述缓冲均压单元包括并联在所述主IGBT集电极和发射极之间的电阻均压支路；所述电阻均压支路中点与电压互感器原边绕组一端连接，所述电阻均压支路一端与所述电压互感器原边绕组另一端、辅助IGBT发射极连接；所述电压互感器副边绕组两端与电压跟随器/电压比较器输入端、所述辅助IGBT的发射极连接；所述电压跟随器/电压比较器输出端与所述辅助IGBT的栅极连接；所有缓冲均压单元的辅助IGBT集电极均与辅助缓冲支路连接；所述辅助缓冲支路与所述电阻均压支路另一端连接。
本发明中，主IGBT、缓冲均压单元数量均为两个；述辅助缓冲支路包括缓冲电容；两个缓冲均压单元的两个辅助IGBT集电极均与缓冲电容一端连接，所述缓冲电容另一端并联接入两个二极管阴极之间，所述两个二极管阳极分别通过两个电阻均压支路一端与两个主IGBT的集电极连接；所述缓冲电容与放电电阻并联。该辅助缓冲支路结构简单，实现方便。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明结构简单，电压互感器能有效隔离电阻均压支路中的采样电阻和电压跟随器，避免电压跟随器、辅助IGBT对电阻采样的影响，从而提高采样精度；且电压跟随器加在电压互感器副边绕组，能先调节电压互感器的原副边绕组电压比值再进行电压比较，从而更容易通过采样电阻设定参考电压；而且本发明将多个支路公用一个辅助缓冲电容，这样不仅节省了缓冲电容，而且当多个串联IGBT支路出现过电压时，将电容并联在各支路上强制使各个支路上的电压均衡；本发明省去了RCD缓冲支路，提高了IGBT的开关速度。
附图说明
图1为现有的IGBT缓冲电路原理图；
图2为本发明实施例1电路原理图；
图3为本发明实施例2电路原理图。
具体实施方式
如图2所示，本发明实施例1包括第一主IGBT                                               和第二主IGBT ，第一主IGBT 和第二主IGBT 串联，两个主IGBT分别与由、；、串联而成的两个电阻均压支路并联；电压互感器M1、M2原边绕组一端分别与两个电阻均压支路的中点连接，电压互感器M1、M2原边绕组另一端分别与、一端连接（即、分别与电压互感器M1、M2原边绕组并联）；电压互感器M1、M2副边绕组一端分别与电压跟随器、输入端连接，电压互感器M1、M2副边绕组另一端分别与辅助IGBT、的发射极连接；辅助IGBT、的发射极分别与、一端连接；辅助IGBT、的集电极均与缓冲电容一端连接；缓冲电容另一端并联接入二极管、阴极之间，二极管、阳极分别与、一端连接；缓冲电容与放电电阻R0并联。
如图3所示，本发明实施例2包括第一主IGBT和第二主IGBT ，第一主IGBT 和第二主IGBT 串联，两个主IGBT分别与由、；、串联而成的两个电阻均压支路并联；电压互感器M1、M2原边绕组一端分别与两个电阻均压支路的中点连接，电压互感器M1、M2原边绕组另一端分别与、一端连接（即、分别与电压互感器M1、M2原边绕组并联）；电压互感器M1、M2副边绕组一端分别与电压比较器、的正输入端连接，电压比较器、的负输入端输入阀值电压；电压互感器M1、M2副边绕组另一端分别与辅助IGBT、的发射极连接；辅助IGBT、的发射极分别与、一端连接；辅助IGBT、的集电极均与缓冲电容一端连接；缓冲电容另一端并联接入二极管、阴极之间，二极管、阳极分别与、一端连接；缓冲电容与放电电阻R0并联。
若串联的主IGBT均压效果比较理想，主IGBT集电极-发射极出现的过电压比较小时， Rx1和Rx2（）作为静态均压电阻，和检测的电压低于ZFx的阀值电压，从而的栅极-发射极电压将低于阀值电压，因此辅助缓冲支路不起作用。正常情况下IGBT换流阀器件栅极信号同步较为理想因而IGBT电压不均衡较小，只需要较小的电容即可满足IGBT串联阀的电压不均衡抑制要求，因此该发明能有效地减小正常工作状态下的关断时间，从而减小了关断损耗。若IGBT均压效果不是很理想，即某个主IGBT上出现较大的电压时（此时另一个主IGBT上分压较小）,当或者的集电极发射极电压达到设定的过电压参考值，上的分压超过的阀值电压，从而使对应的辅助IGBT导通，作为缓冲单元参与过电压的抑制，由于较大（大于5），因而对产生的过电压具有很好的抑制效果。电压跟随器/电压比较器一方面使检测的电压不受右侧辅助电路的干扰；另一方面能增加驱动能力，从而当需要导通来抑制过电压时快速导通。二极管防止电流的倒流，R0的作用是作为辅助缓冲电路电容的放电电阻。
电压互感器M1、M2将电阻均压支路与电压跟随器隔离开，从而有效防止电压跟随器及辅助IGBT对电阻均压支路采样的干扰，提高采样精度；电压跟随器/电压比较器加在电压互感器副边绕组，能先调节电压互感器的原副边绕组电压比值再进行电压比较，从而更容易通过电阻设定参考电压。
本发明多个主IGBT串联时共用一个辅助缓冲支路，即共用一个缓冲电容，两个主IGBT串联，若电压分配不均，该缓冲电容抑制过电压较大的主IGBT上的过电压。但是当多个IGBT串联时，可能存在多个主IGBT上出现过电压的情况，此时出现过电压的主IGBT对应的辅助IGBT会处于导通状态，从而使缓冲电容并联在多个主IGBT上，使出现过电压的主IGBT的电压强行与电容电压相等，达到电压均衡的目的。 

Claims (3)

1.一种IGBT串联均压电路，包括至少两个串联的主IGBT，其特征在于，每个主IGBT与一个缓冲均压单元连接；所述缓冲均压单元包括并联在所述主IGBT集电极和发射极之间的电阻均压支路；所述电阻均压支路中点与电压互感器原边绕组一端连接，所述电阻均压支路一端与所述电压互感器原边绕组另一端、辅助IGBT发射极连接；所述电压互感器副边绕组两端与电压跟随器/电压比较器输入端、所述辅助IGBT的发射极连接；所述电压跟随器/电压比较器输出端与所述辅助IGBT的栅极连接；所有缓冲均压单元的辅助IGBT集电极均与辅助缓冲支路连接；所述辅助缓冲支路与所述电阻均压支路另一端连接。
2.根据权利要求1所述的IGBT串联均压电路，其特征在于，所述主IGBT、缓冲均压单元数量均为两个。
3.根据权利要求2所述的IGBT串联均压电路，其特征在于，所述辅助缓冲支路包括缓冲电容；两个缓冲均压单元的两个辅助IGBT集电极均与缓冲电容一端连接，所述缓冲电容另一端并联接入两个二极管阴极之间，所述两个二极管阳极分别通过两个电阻均压支路一端与两个主IGBT的集电极连接；所述缓冲电容与放电电阻并联；所述缓冲电容容值大于5 。
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