CN105186864B - 一种压接型igbt串联应用模式下的自取能直流变换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路,所述自取能直流变换电路包括第一级电压变换模块、第二级电压变换模块和模拟电阻负载模块;所述第一级电压变换模块的输入端和模拟电阻负载模块均并联在取能电容Cs两端,第二级电压变换模块的输入端并联在第一级电压变换模块的输出端。本发明提供一种压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路,实现压接型IGBT串联应用模式下完成从IGBT源漏极之间直接取得电能供IGBT驱动电路的高电位自取能,并解决自取能直流变换电路对IGBT串联静态均压的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种变换电路,具体涉及一种压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路。
背景技术
压接型IGBT串联两电平主电路拓扑具有结构简单、器件使用数量少、控制简单、可靠性高等特点。因此压接型IGBT成为未来电网柔性直流输电、灵活交流输电、定制电力和新能源并网等领域的核心器件。压接型IGBT串联应用的难点是驱动保护控制技术,而高电位自取能技术是实现驱动保护控制的先决条件。虽然国外有研究机构进行IGBT串联技术的研究,但鲜见报道。直到现在,真正实现商业应用的只有ABB公司。基于上述技术难度,国际上相继提出了压接型IGBT串联阀和模块化多电平拓扑相结合的第三代换流器拓扑,以避免过多的压接型IGBT直接串联。
众所周知,驱动保护是IGBT控制保护的核心技术,而且IGBT的驱动保护控制电路必须跟随IGBT构成整体一次设备,那末驱动保护控制电路的供电就成为了需要解决的关键技术之一了。目前有两种取能解决方案,其一,高频送能。由高频电源、送能电缆以及送能磁环构成隔离供电系统为驱动保护控制电路供电。其二,高电位自取能。顾名思义就是直接通过一次高电压主回路上获取电能,在高压压接型IGBT源漏极之间,通过高压隔离直流变换器转换为低压电源给驱动保护电路供电。
根据基本的电工原理,我们知道在串联的应用中要解决均压问题,而在并联的应用条件下必须要解决均流问题。由压接型IGBT直接串联构成的高压阀体的静、动态均压与高电位取能问题是串联IGBT驱动保护控制技术的技术关键点,而高电位自取能、静态均压以及相互之间的制约关系是先决条件。
大量的研究主要针对IGBT串联动态均压问题进行原理性的分析或者是提出各种主动均压的控制策略,均未涉及高压IGBT串联阀体的静态均压问题以及高、低实验方法研究。对比高压晶闸管串联阀体的过电压保护以及高、低压实验方法研究,二者之间存在以下共性:其一,都是压接型封装;其二,都是串联方式;其三,都需要高电位自取能方式来为驱动电路提供电能。借鉴以上三点共性可知,确定压接型IGBT串联高电位自取能方案以及根据高、低压实验要求所要满足的技术指标是十分必要的。
高压IGBT串联应用的难点是主动均压控制技术,而高电位自取能技术是实现主动均压控制的先决条件。IGBT在SPWM工作模式下源漏极电压Vce的动态变换范围通常为0-2000V,由此带来强电磁干扰;IGBT串联应用模式下的最主要的技术难点是电压均衡问题,无论是在从直流母线从0V逐渐升至额定直流工况电压的工程中,串联IGBT阀体工作在静态闭锁情况下还是在SPWM斩波工作模式下,均要求串联IGBT阀体中所有IGBT源漏极电压Vce之间具有一定的平衡度要求。而高电位取能DC-DC变换器作为IGBT源漏极电压Vce的负载,在IGBT阀体静态闭锁及SPWM斩波两种工作模式下,都参与到串联IGBT的阀端电压均衡控制当中。
由串联压接型IGBT构成的典型半桥平台组成框架如图1所示,图1中,IGBT_h等效上桥臂,IGBT_l等效下桥臂,IGBTn桥臂串联IGBT,Dn续流二极管,Rs静态均压电阻,Rd动态吸收电阻,Cd动态吸收电容,Vn取能二极管,Cs取能电容,GU驱动保护电路,DC-DC自取能直流变换器。由高压IGBT1-IGBTn串联构成一次换流器桥臂,在每只高压IGBT源漏极之间并联接入高电位取能前馈回路,此电路由续流二极管Dn、静态均压电阻Rsn,动态吸收回路Rdn和Cdn、取能二极管Vn以及取能电容Csn组成。在取能电容Csn两端并联直流变换器DC-DCn。在直流变换器DC-DCn的输出端并联接入IGBT的驱动保护电路GU。上桥臂与下桥臂结构原理相同,自取能回路及IGBT驱动保护电路关系框图如图2所示,高电位自取能直流变换器直接并联在高压IGBT源漏极之间,并将动态变化的高电压直流转换为低电压稳定的电源向驱动保护电路提供电能。恒功率负载作为高电位自取能电路的一个组成部分也是直接并联在高压IGBT的源漏极之间。静态均压电阻以及短路电流检测电路均通过光电隔离进入驱动保护控制电路。驱动保护控制电路主要包括:回报信号编码单元、状态检测单元、光电隔离单元、故障处理单元以及自适应调节单元。驱动保护对上与IGBT高压串联阀控制单元通过光纤编码进行实时通讯;对下通过功率放大器驱动高压IGBT的门极。只有了解清楚驱动保护电路与高电位自取能直流变换器之间的关系,才能更好的设计直流变换器打下坚实的基础。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明提供一种压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路,实现压接型IGBT串联应用模式下完成从IGBT源漏极之间直接取得电能供IGBT驱动电路的高电位自取能,并解决自取能直流变换电路对IGBT串联静态均压的影响。
为了实现上述发明目的,本发明采取如下技术方案:
本发明提供一种压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路,所述自取能直流变换电路包括第一级电压变换模块、第二级电压变换模块和模拟电阻负载模块;
所述第一级电压变换模块的输入端和模拟电阻负载模块均并联在取能电容Cs两端,第二级电压变换模块的输入端并联在第一级电压变换模块的输出端。
所述第一级电压变换模块采用电压电流双闭环非线性控制的BUCK电路;所述BUCK电路包括第一输入电压检测电路、快速启动及切换电路、逻辑控制电路、隔离驱动电路、电流检测电路、输出电压检测电路以及BUCK主回路。
所述第一级电压变换模块的输入正电压端经第一MOSFET、储能电感L和储能电容C1回流至第一级电压变换模块的输入负电压端,在储能电感L的输入端与第一级电压变换模块的输入负电压端之间连接续流二极管V2,构成BUCK主回路。
所述第一输入电压检测电路和快速启动及切换电路并联在所述第一级电压变换模块的输入正电压端和输入负电压端之间;
所述逻辑控制电路一端连接隔离驱动电路,用于对隔离驱动电路进行控制,其另一端连接第一级电压变换模块的输入负电压端;
所述隔离驱动电路一端连接第一MOSFET的栅极,其另一端连接第一级电压变换模块的输入负电压端;
所述第一MOSFET的漏极连接第一级电压变换模块的输入正电压端,其源极连接储能电感L的输入端,同时连接续流二极管V2的阴极,所述续流二极管V2的阳极连接第一级电压变换模块的输入负电压端;
所述储能电感L的输出端连接电流检测电路,所述电流检测电路连接输出电压检测电路的输入端所述输出电压检测电路的输出端连接电流检测电路,同时连接逻辑控制电路,实现对电流检测电路和逻辑控制电路的控制;
所述电流检测电路同时连接储能电容C1的一端,所述储能电容C1的另一端连接第一级电压变换模块的输入负电压端。
所述第二级电压变换模块采用18-72V输入、±15V输出的DC-DC变换器。
所述模拟电阻负载模块包括第二MOSFET、第二输入电压检测电路和栅极电压控制电路;第二MOSFET与第二输入电压检测电路均并联在所述第一级电压变换模块的输入正电压端和输入负电压端之间,所述栅极电压控制电路与第二MOSFET的栅极连接。
设模拟电阻负载模块的工作电压为UR,其满足:
5%×Ue≤UR≤50%×Ue (1)
其中,Ue表示自取能直流变换电路的输入电压值。
所述自取能直流变换电路直接并联在IGBT源极和漏极之间,IGBT、取能二极管V1和取能电容Cs构成取能充电回路,用于给储能电容充电。
设压接型IGBT串联数目为n,第i只IGBT的静态工作电压为Ui,i=1,2,…,n;满足:
(n-1)×ΔUqd max+Ui<nKαVCES (2)
其中,ΔUqd max表示压接型IGBT源极和漏极之间电压最大差值,Kα表示压接型IGBT源极和漏极之间电压裕度,VCES表示压接型IGBT源极和漏极之间电压最大值。
于是,自取能直流变换电路的工作电压U表示为:
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1.本发明实现压接型IGBT串联应用模式下完成从IGBT源漏极之间直接取得电能供IGBT驱动电路的高电位自取能,并解决自取能直流变换电路对IGBT串联静态均压的影响;
2.本发明提供的自取能直流变换电路结构简洁,将取能回路面积降到最小,从而具有良好的电磁兼容性能;
3.能够最优满足IGBT串联均压所要满足的约束条件。
附图说明
图1是现有技术中由串联压接型IGBT构成的典型半桥平台框架图;
图2是现有技术中单只IGBT取能及驱动关系框图;
图3是本发明实施例中压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路结构图;
图4是本发明实施例中快速启动及切换电路原理图;
图5是本发明实施例中第二MOSFET的负载曲线图;
图6是本发明实施例中第二MOSFET栅极电压与源漏极电压线性关系图;
图7是本发明实施例中模拟电阻负载模块原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路,如图3,所述自取能直流变换电路包括第一级电压变换模块、第二级电压变换模块和模拟电阻负载模块;
所述第一级电压变换模块的输入端和模拟电阻负载模块均并联在取能电容Cs两端,第二级电压变换模块的输入端并联在第一级电压变换模块的输出端。
所述第一级电压变换模块采用电压电流双闭环非线性控制的BUCK电路;所述BUCK电路包括第一输入电压检测电路、快速启动及切换电路、逻辑控制电路、隔离驱动电路、电流检测电路、输出电压检测电路以及BUCK主回路。
所述第一级电压变换模块的输入正电压端经第一MOSFET、储能电感L和储能电容C1回流至第一级电压变换模块的输入负电压端,在储能电感L的输入端与第一级电压变换模块的输入负电压端之间连接续流二极管V2,构成BUCK主回路。
所述第一输入电压检测电路和快速启动及切换电路并联在所述第一级电压变换模块的输入正电压端和输入负电压端之间;
所述逻辑控制电路一端连接隔离驱动电路,用于对隔离驱动电路进行控制,其另一端连接第一级电压变换模块的输入负电压端;
所述隔离驱动电路一端连接第一MOSFET的栅极,其另一端连接第一级电压变换模块的输入负电压端;
所述第一MOSFET的漏极连接第一级电压变换模块的输入正电压端,其源极连接储能电感L的输入端,同时连接续流二极管V2的阴极,所述续流二极管V2的阳极连接第一级电压变换模块的输入负电压端;
所述储能电感L的输出端连接电流检测电路,所述电流检测电路连接输出电压检测电路的输入端所述输出电压检测电路的输出端连接电流检测电路,同时连接逻辑控制电路,实现对电流检测电路和逻辑控制电路的控制;
所述电流检测电路同时连接储能电容C1的一端,所述储能电容C1的另一端连接第一级电压变换模块的输入负电压端。
为了实现所要满足的技术指标,采用第一MOSFET对储能电容Cs进行快速充电为逻辑电路获得+15V电源,控制触发直流变换器,使BUCK主电路输出30V电压,此输出电压建立后立刻将快速辅助启动电路闭锁,将逻辑电路的供电转移到BUCK主电路30V输出电压上,从而避免了直接有高压取能而产生的功率损耗,以及由此带来的启动时间延迟。具体实现电路如图4所示。
在外部输入阶跃电压的情况下,由启动电路获得15V电压给逻辑电路供电,到BUCK主电路输出电压给逻辑电路提供电能,所经历的时间为20ms左右。
所述第二级电压变换模块采用18-72V输入、±15V输出的DC-DC变换器。
模拟电阻负载模块选用的第二MOSFET的负载曲线如图5所示,通过图5可知,在栅极电压为6到7V之间,源漏极电压为50V到500V之间,漏极电流在0-150ma之间。基于此,可以确定出线性工作区为:源漏极电压范围为50-600V,门极电压为6-7V,从而得出图6所示的曲线。
模拟电阻负载模块原理图如图7,模拟电阻负载模块包括第二MOSFET、第二输入电压检测电路和栅极电压控制电路;第二MOSFET与第二输入电压检测电路均并联在所述第一级电压变换模块的输入正电压端和输入负电压端之间,所述栅极电压控制电路与第二MOSFET的栅极连接。
设模拟电阻负载模块的工作电压为UR,其满足:
5%×Ue≤UR≤50%×Ue (1)
其中,Ue表示自取能直流变换电路的输入电压值。
所述自取能直流变换电路直接并联在IGBT源极和漏极之间,图7中用直流电源DC表示,IGBT、取能二极管V1和取能电容Cs构成取能充电回路,用于给储能电容充电。
设压接型IGBT串联数目为n,第i只IGBT的静态工作电压为Ui,i=1,2,…,n;满足:
(n-1)×ΔUqd max+Ui<nKαVCES (2)
其中,ΔUqd max表示压接型IGBT源极和漏极之间电压最大差值,Kα表示压接型IGBT源极和漏极之间电压裕度,VCES表示压接型IGBT源极和漏极之间电压最大值。
于是,自取能直流变换电路的工作电压U表示为:
为了实现取能以及压接型IGBT串联静态均压,自取能直流变换电路应满足的技术指标及参数:
a、输入电压范围为DC50V-2000V;
b、启动时间为20ms;
c、GU驱动电路的功率小于3W;
d、第一级电压变换模块输出电压为30V;
e、第二级电压变换模块输入为18-72V,输出为±15V,功率为5W;
f、模拟电阻负载模块功率为10W,工作电压范围为50V-500V。
根据以上技术指标,电路设计原采用两级电压变换,第一级采用BUCK电路实现DC2000V/30V的大动态电压变换,第二级采用标准的18-72V/±15V的DC-DC变换器。主要电子器件参数如表1:
表1
器件名称 | 型号说明 | 功能 |
取能电容Cs | 1.5uF/2000V | 实现储能 |
储能电感L | 5mH/2000V | BUCK主电路储能 |
储能电容C1 | 220uF/100V | BUCK主电路储能 |
第一MOSFET | 16A/3000V | BUCK主电路开关管 |
DC-DC变换器 | 18-72/±15V | 第二级电压变换模块 |
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,所属领域的普通技术人员参照上述实施例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,这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路,其特征在于:所述自取能直流变换电路包括第一级电压变换模块、第二级电压变换模块和模拟电阻负载模块;
所述第一级电压变换模块的输入端和模拟电阻负载模块均并联在取能电容Cs两端,第二级电压变换模块的输入端并联在第一级电压变换模块的输出端;
所述第一级电压变换模块采用电压电流双闭环非线性控制的BUCK电路;所述BUCK电路包括第一输入电压检测电路、快速启动及切换电路、逻辑控制电路、隔离驱动电路、电流检测电路、输出电压检测电路以及BUCK主回路;
所述第一级电压变换模块的输入正电压端经第一MOSFET、储能电感L和储能电容C1回流至第一级电压变换模块的输入负电压端,在储能电感L的输入端与第一级电压变换模块的输入负电压端之间连接续流二极管V2,构成BUCK主回路;
所述第一输入电压检测电路和快速启动及切换电路并联在所述第一级电压变换模块的输入正电压端和输入负电压端之间;
所述逻辑控制电路一端连接隔离驱动电路,用于对隔离驱动电路进行控制,其另一端连接第一级电压变换模块的输入负电压端;
所述隔离驱动电路一端连接第一MOSFET的栅极,其另一端连接第一级电压变换模块的输入负电压端;
所述第一MOSFET的漏极连接第一级电压变换模块的输入正电压端,其源极连接储能电感L的输入端,同时连接续流二极管V2的阴极,所述续流二极管V2的阳极连接第一级电压变换模块的输入负电压端;
所述储能电感L的输出端连接电流检测电路,所述电流检测电路连接输出电压检测电路的输入端,所述输出电压检测电路的输出端连接电流检测电路,同时连接逻辑控制电路,实现将电流电压参数反馈到逻辑控制电路实现相应的控制;
所述电流检测电路同时连接储能电容C1的一端,所述储能电容C1的另一端连接第一级电压变换模块的输入负电压端;
所述第二级电压变换模块采用18-72V输入、±15V输出的DC-DC变换器;
所述模拟电阻负载模块包括第二MOSFET、第二输入电压检测电路和栅极电压控制电路;第二MOSFET与第二输入电压检测电路均并联在所述第一级电压变换模块的输入正电压端和输入负电压端之间,所述栅极电压控制电路与第二MOSFET的栅极连接;
设模拟电阻负载模块的工作电压为UR,其满足:
5%×Ue≤UR≤50%×Ue (1)
其中,Ue表示自取能直流变换电路的输入电压值;
所述自取能直流变换电路直接并联在IGBT源极和漏极之间,IGBT、取能二极管V1和取能电容Cs构成取能充电回路,用于给储能电容充电;
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |