CN110380605B - 一种柔性直流输电子模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性直流输电子模块，包括第一电容、IGBT功率单元与屏蔽盒；所述IGBT的发射极通过驱动引线与所述屏蔽盒相连，所述IGBT的门极通过所述第一电容与所述屏蔽盒相连；所述第一电容，其元件容值被配置为补偿所述IGBT各极间电容与所述屏蔽盒的寄生电容所形成的开尔文电桥的平衡差值。本发明公开的柔性直流输电子模块，通过构建平衡的开尔文电桥，消除了寄生电容造成的干扰，使得驱动信号趋向正常，保证了整个输电系统的工作性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体元件应用领域，尤其涉及一种柔性直流输电子模块。
背景技术
柔性直流输电技术是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术，具有可控性较好、运行方式灵活，可以灵活地调节交流系统电压的优点，被广泛应用于各电网供电系统。在柔性直流输电系统中，大功率半导体器件的应用越来越广泛，其中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的可靠性逐渐成为衡量电力系统安全与性能的关键因素之一。
一般来说，柔性直流输电系统中的IGBT在开通关断过程产生的瞬时电压、电流将通过辐射或传导的形式影响驱动电路，进而给整个电路带来相应的电磁干扰，影响柔性直流输电系统的性能。为消除相应的辐射干扰，现有技术中通过采用将相关驱动电路置于屏蔽盒内，屏蔽外部辐射场以实现对电路的保护效果。但是在实际应用中，由于电感、电阻、芯片引脚及屏蔽盒等器件与电路之间的寄生电容特性，许多情况下(如高频传输)的寄生电容等效值较大，因而在具体计算中无法忽略。在柔性直流输电系统中，屏蔽盒与电路之间的寄生电容会对驱动信号产生极大的影响，进而引入不可控的传导干扰，导致器件的性能降低(如开通速度变慢)，整个电路信号出现振荡。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种柔性直流输电子模块，可以有效地消除屏蔽盒的寄生电容对IGBT驱动电路的电磁干扰。
为了实现上述目的，本发明提供了一实施例提供了一种柔性直流输电子模块，其特征在于，包括第一电容、IGBT功率单元与屏蔽盒。
所述IGBT功率单元包括IGBT及其驱动电路，所述驱动电路设于所述屏蔽盒内，且所述驱动电路耦接于所述IGBT的门极与发射极之间，用于驱动并控制所述IGBT的导通与断开；所述IGBT的发射极通过驱动引线与所述屏蔽盒相连，所述IGBT的门极通过所述第一电容与所述屏蔽盒相连；其中所述第一电容，其元件容值被配置为补偿所述IGBT各极间电容与所述屏蔽盒的寄生电容所形成的开尔文电桥的平衡差值。
作为上述方案的改进，所述第一电容的元件容值根据电桥平衡计算，具体为：根据以下公式计算所述第一电容的元件容值：
第一电容
其中，Cgb为屏蔽盒对门极的寄生电容；Cbc为屏蔽盒对集电极的寄生电容； Cgc为IGBT集电极-门极的极间电容；Cge为IGBT发射极-门极的极间电容。
作为上述方案的改进，所述第一电容具有平衡所述屏蔽盒与所述IGBT的门极之间的电压分压的耐压值。
作为上述方案的改进，包括第二电容，所述第二电容设于所述驱动电路内。
作为上述方案的改进，所述第一电容与所述第二电容并联，用于补偿所述开尔文电桥的平衡差值。
本发明实施例提供的柔性直流输电子模块通过将驱动电路置于屏蔽盒内，并在IGBT的发射极驱动引线与屏蔽盒相连，在IGBT的门极通过容值经计算的电容元件与屏蔽盒相连。使得屏蔽盒对集电极的寄生电容、屏蔽盒对门极的寄生电容、IGBT集电极-门极的极间电容，IGBT发射极-门极的极间电容和所述电容元件共同构成一个平衡的开尔文电桥，柔性直流输电系统中的主电路与驱动电路分压正常，屏蔽盒的寄生电容被变相的抵消，消除了电路中的传导干扰，实现了对电磁干扰的有效控制，使得驱动信号趋向正常，保证了IGBT器件与整个输电系统的工作性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种柔性直流输电子模块的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种IGBT器件的极间电容结构示意图；
图3 是本发明实施例提供的一种驱动电路的端口电容结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，在说明书和权利要求书中的术语第一、第二等仅用于区别相同技术特征的描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，也不一定描述次序或时间顺序。在合适的情况下术语是可以互换的。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
本发明一实施例提供了一种柔性直流输电子模块，其包括第一电容、IGBT 功率单元与屏蔽盒。所述IGBT功率单元包括IGBT及其驱动电路，所述驱动电路设于所述屏蔽盒内，且所述驱动电路耦接于所述IGBT的门极与发射极之间，用于驱动并控制所述IGBT的导通与断开。IGBT驱动电路的作用是驱动IGBT 以使其正常工作，并同时对其进行保护。
具体的，所述IGBT的发射极通过驱动引线与所述屏蔽盒相连，由于发射极引线和屏蔽盒直接相连，并且线路很短，因此屏蔽盒对发射极的寄生电容Cbe 是不存在的，其容抗数值上可以认为等于零。所述IGBT的门极通过所述第一电容与所述屏蔽盒相连；所述第一电容，其元件容值被配置为补偿所述IGBT各极间电容与所述屏蔽盒的寄生电容所形成的开尔文电桥的平衡差值。
本发明实施例提供的柔性直流输电子模块，通过将驱动电路置于屏蔽盒内，并在IGBT的发射极驱动引线与屏蔽盒相连，在IGBT的门极通过容值经计算的电容元件与屏蔽盒相连。使得屏蔽盒对集电极的寄生电容、屏蔽盒对门极的寄生电容、IGBT集电极-门极的极间电容，IGBT发射极-门极的极间电容和所述电容元件共同构成一个平衡的开尔文电桥，柔性直流输电系统中的主电路与驱动电路分压正常，屏蔽盒的寄生电容被变相的抵消，消除了电路中的传导干扰，实现了对电磁干扰的有效控制，使得驱动信号趋向正常，保证了IGBT器件与整个输电系统的工作性能。
需要说明的是，在半导体元件应用领域内，晶体管的极间电容是客观存在的，无论IGBT是打开还是关闭状态，也不管是否有电压加在各个电极上。不但是IGBT，BJT、FET乃至电子管均是如此，因而在实际的计算中，需要抓住问题的主要方面进行分析，具体的，请参见图2，为IGBT器件的极间电容结构示意图，其中，集电极与发射极之间的极间电容为Cce，集电极与门极之间的极间电容为Cgc，门极与发射极之间的极间电容为Cge。
在柔性直流输电系统中，为了防止信号的干扰，屏蔽盒的作用尤为重要，而在实际应用中，屏蔽盒与电路中的寄生电容一直存在，无法被忽略，如对其不加控制，会影响驱动信号与整个电路的正常工作。在本实施例中，请参见图1，为所述柔性直流输电子模块的结构示意图，其中，屏蔽盒与集电极之间的寄生电容为Cbc、屏蔽盒与门极之间的寄生电容为Cgb，而在具体的电路中，通过在 IGBT的发射极驱动引线与屏蔽盒相连，使得集电极与门极之间的极间电容Cgc，门极与发射极之间的极间电容Cge，屏蔽盒与集电极之间的寄生电容Cbc和与之串联的屏蔽盒与门极之间的寄生电容Cgb，三者共同组成了一个不完整的开尔文电桥，其中第一条桥臂上包括集电极与门极之间的极间电容Cgc，第二条桥臂上包括门极与发射极之间的极间电容Cge，第三条桥臂上包括屏蔽盒与集电极之间的寄生电容Cbc和与之串联的屏蔽盒与门极之间的寄生电容Cgb，IGBT的门极为开尔文电桥的中点，此时开尔文电桥为非平衡状态，电路分压不均衡，驱动信号受到干扰。
优选的，在上述实施例中，通过引入一个电容Cx，设于开尔文电桥的最后一条桥臂之上，即设于IGBT门极与屏蔽盒之间，并通过电桥平衡时对角线的电容乘积相同，对引入的电容Cx的容值进行计算，数值上为Cx与Cgc的乘积等于Cge与Cgb和Cbc串联后的乘积，即根据以下公式计算所述第一电容的元件容值：
第一电容
以此方式，实现了整个开尔文电桥的电桥平衡，使得寄生电容被变相的抵消，电路不会受到屏蔽盒的寄生电容的影响，驱动信号趋于正常，主电路与驱动电路的分压正常，保证了IGBT器件与整个输电系统的工作性能。
需要说明的是，IGBT器件的极间电容Cgc和Cge在IGBT没有装设到功率单元内部时，对于同一批次的器件，可以选取测量5～7支器件，取其平均值。而屏蔽盒对门极的寄生电容Cgb的测试要在将发射极与屏蔽盒连接后测量，测量时不需要将器件和屏蔽盒装设在功率单元内，由于屏蔽盒设计与原理基本相同，在实际应用所采用的的屏蔽盒(如法拉第笼子)，可以选取测量同类型的 3～5个屏蔽盒的Cgb，取其平均值；屏蔽盒对集电极的寄生电容Cbc的测试需要在器件和屏蔽盒装设到功率单元内部后测试，并且对同一功率单元内部不同位置的屏蔽盒分别测试，即在本发明实施例中，所述功率单元内部包括的IGBT的数量可以为1个也可以为多个，与之对应的屏蔽盒的数量也为1个或多个，而对于同样设计的功率单元，可以测试3～5个功率单元内不同位置的屏蔽盒对集电极的寄生电容Cbc，分别取平均值，进而保证电路中的各参数取值更加准确，使得后续的计算更加精准。
优选的，在上述实施例中，所述第一电容Cx具有平衡所述屏蔽盒与所述 IGBT的门极之间的电压分压的耐压值。当没有引入第一电容Cx时，所述IGBT 的门极G和屏蔽盒间按照Cgb与Cbc进行分压，在引入第一电容Cx后，为防止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，采用如前所述的分压方式对第一电容Cx的耐压值进行计算，即根据以下公式对第一电容 Cx的耐压值进行计算：
耐压值Ux＝(U0*Cgb)/(Cgb+Cbc)；
其中U0为所述IGBT的额定电压值。
优选的，在上述实施例中，请参见图3，为驱动电路的端口电容结构示意图，具体的，所述驱动电路内的端口电容为第二电容C2。
优选的，在上述实施例中，所述第二电容C2并联在IGBT的门极G与发射极E之间，即与所述第一电容Cx并联，故在具体的计算中，可以采用将第一电容Cx与第二电容C2的并联结果作为新的电容取值，以平衡所述开尔文电桥，准确的补偿其差值。其中，当计算得到的第一电容Cx与第二电容C2相比，其数值远低于第二电容C2的1/20，可以对其进行改变。
本发明实施例提供的柔性直流输电子模块通过将驱动电路置于屏蔽盒内，并在IGBT的发射极驱动引线与屏蔽盒相连，在IGBT的门极通过容值经计算的电容元件与屏蔽盒相连。使得屏蔽盒对集电极的寄生电容、屏蔽盒对门极的寄生电容、IGBT集电极-门极的极间电容，IGBT发射极-门极的极间电容和所述电容元件共同构成一个平衡的开尔文电桥，柔性直流输电系统中的主电路与驱动电路分压正常，屏蔽盒的寄生电容被变相的抵消，消除了电路中的传导干扰，实现了对电磁干扰的有效控制，使得驱动信号趋向正常，保证了IGBT器件与整个输电系统的工作性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种柔性直流输电子模块，其特征在于，包括第一电容、IGBT功率单元与屏蔽盒；
所述IGBT功率单元包括IGBT及其驱动电路，所述驱动电路设于所述屏蔽盒内，且所述驱动电路耦接于所述IGBT的门极与发射极之间，用于驱动并控制所述IGBT的导通与断开；
所述IGBT的发射极通过驱动引线与所述屏蔽盒相连，所述IGBT的门极通过所述第一电容与所述屏蔽盒相连；
所述第一电容，其元件容值被配置为补偿所述IGBT各极间电容与所述屏蔽盒的寄生电容所形成的开尔文电桥的平衡差值。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电子模块，其特征在于，所述第一电容的元件容值根据电桥平衡计算，具体为：
根据以下公式计算所述第一电容的元件容值：
第一电容
其中，Cgb为屏蔽盒对门极的寄生电容；Cbc为屏蔽盒对集电极的寄生电容；Cgc为IGBT集电极-门极的极间电容；Cge为IGBT发射极-门极的极间电容。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电子模块，其特征在于，所述第一电容具有平衡所述屏蔽盒与所述IGBT的门极之间的电压分压的耐压值。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输电子模块，其特征在于，包括第二电容，所述第二电容设于所述驱动电路内。
5.根据权利要求4所述的柔性直流输电子模块，其特征在于，所述第一电容与所述第二电容并联，用于补偿所述开尔文电桥的平衡差值。
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