CN111130323B - 一种igbt串联二极管组合型逆阻器件串联均压电路 - Google Patents

Abstract

一种IGBT串联二极管组合型逆阻器件串联均压电路，包括一个IGBT静态均压电阻R₁₁、一个二极管静态均压电阻R₁₂、一个二极管D₁、一个电容C₁、一个二极管D₂和一个动态均压电阻R₁₃。IGBT的集电极与IGBT静态均压电阻R₁₁的一端、二极管D₁的负极和电容C₁的正极连接，IGBT的发射极与IGBT静态均压电阻R₁₁的另一端、二极管D₁的正极、二极管静态均压电阻R₁₂的一端、二极管Diode的正极连接，二极管Diode的负极与二极管静态均压电阻R₁₂的另一端、动态均压电阻R₁₃的一端、二极管D₂的负极连接，二极管D₂的正极与动态均压电阻R₁₃的另一端、电容C₁的负极连接；本发明可应用于高压直流输电领域中电流源换流器的组合型逆阻器件串联均压。

Description

一种IGBT串联二极管组合型逆阻器件串联均压电路

技术领域

本发明涉及一种IGBT串联二极管组合型逆阻器件串联均压电路。

背景技术

目前，应用于高压直流输电领域的换流器主要有电压源型换流器和基于电网换相的电流源型换流器。电流源换流器(Current Source Converter，CSC)具有体积小、无换相失败风险、能够“黑启动”等诸多优点，为高压直流输电提供新的解决方案。CSC相较于电压源型换流器，CSC的功率半导体器件需具备逆阻特性；相较于基于电网换相的电流源型换流器，CSC的功率半导体器件需具备主动关断电流能力。目前商用可主动关断逆阻型功率半导体器件电压等级较低和电流较小，因此应用于高压直流输电的电流源型换流器需采用串联组合型逆阻器件方式实现。本发明以IGBT串联二极管构成的组合型逆阻器件为例进行论述，IGBT串联二极管组合型逆组器件拓扑结构如图1所示。对于高压直流输电领域的电流源型换流器，当多个组合型逆阻器件串联时，功率半导体电压分布不均会导致一连串功率半导体器件损坏，因此大规模组合型逆阻器件串联均压是CSC需解决的关键问题之一。

CSC中组合型逆阻器件串联均压问题不同于现有电压源换流器串联均压和基于电网换相的电流源型换流器串联均压，其均压电路需具备如下两个功能：(1)均压电路需具备开通和关断过程串联均压能力；(2)均压电路需具备承受正向电压和反向电压均压能力。中国专利CN108712058提出了一种屏蔽式均压电路，该方法实现晶闸管的串联均压，然而该方法不具备关断过程串联均压能力。CN104779780提出了一种IGBT串联均压电路及方法，然而该方法只能承受正向电压均压，不能承受反向电压均压。如果采用两套均压电路，一套实现正向均压，一套实现反向均压，该方法会导致均压电路中元器件个数过多且损耗过大。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的缺点，提出一种IGBT串联二极管组合型逆阻器件串联均压电路，减少均压电路元器件的数量，解决高压直流输电领域电流源型换流器功率半导体器件大规模串联均压问题。

本发明IGBT串联二极管组合型逆阻器件串联均压电路包括一个IGBT静态均压电阻R₁₁、一个二极管静态均压电阻R₁₂、一个二极管D₁、一个电容C₁、一个二极管D₂和一个动态均压电阻R₁₃。IGBT的集电极与IGBT静态均压电阻R₁₁的一端、二极管D₁的负极和电容C₁的正极连接，IGBT的发射极与IGBT静态均压电阻R₁₁的另一端、二极管D₁的正极、二极管静态均压电阻R₁₂的一端、二极管Diode的正极连接，二极管Diode的负极与二极管静态均压电阻R₁₂的另一端、动态均压电阻R₁₃的一端，以及二极管D₂的负极连接，二极管D₂的正极与动态均压电阻R₁₃的另一端及电容C₁的负极连接；本发明可应用于高压直流输电领域电流源换流器的组合型逆阻器件串联均压。

所述的均压电路各元件参数计算方法如下：

(1)IGBT静态均压电阻R₁₁和二极管静态均压电阻R₁₂的电阻值

IGBT静态均压电阻R₁₁的阻值与桥臂中器件承受的平均电压的最大值U_{av_max}成正比，与器件漏电流I_leak成反比；流过IGBT静态均压电阻R₁₁的电流值应小于器件漏电流I_leak的5倍，IGBT静态均压电阻R₁₁和二极管静态均压电阻R₁₂的阻值计算公式如式(1)所示：

(2)均压电容C₁的容值

电容C₁容值的大小与最大母线电流I_max成正比，与不同功率半导体器最大开关延迟时间之差Δt成正比，与此最大开关延迟时间之差Δt时间之内的电压变化值ΔU_{av_max}成反比，均压电容C₁的容值计算方法如式(2)所示：

(3)动态均压电阻R₁₃的电阻值

动态均压电阻R₁₃为均压电容C₁放电提供了通路，为了保证器件在下一次开通前电容已放电完成，电容C₁的容值应该满足式(3)；同时，为了避免均压电容和杂散电感引起谐振，动态均压电阻R₁₃的阻值应满足式(4)：

其中，T_ON为IGBT的导通时间，L_δ为线路杂散电感，C₁为均压电容。

附图说明

图1为组合型逆阻器件结构；

图2为单个组合型逆阻器件均压电路；

图3为两个组合型逆阻器件串联均压电路；

图4为电流源换流器两个器件串联的桥臂仿真电路；

图5为正向电压下串联均压电路仿真结果；

图6为反向电压下串联均压电路仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为组合型逆阻器件结构，包括IGBT和二极管Diode，IGBT的集电极与输入端子G相连，IGBT的发射集与二极管Diode的阳极连接，二极管Diode的阴极与输出端子H连接。

图2为单个组合型逆阻器件均压电路，包括三个电阻：IGBT静态均压电阻R₁₁、二极管静态均电阻R₁₂和动态均压电阻R₁₃，两个二极管D₁和D₂，以及一个电容C₁。IGBT的集电极与均压电路的输出端子G、IGBT静态均压电阻R₁₁的一端、二极管D₁的负极和电容C₁的正极连接，IGBT的发射极与IGBT静态均压电阻R₁₁的另一端、二极管D₁的正极、二极管静态均压电阻R₁₂的一端、二极管Diode的正极连接，二极管Diode的负极与均压电路的输出端子H、二极管静态均压电阻R₁₂的另一端、动态均压电阻R₁₃的一端、二极管D₂的负极连接，二极管D₂的正极与动态均压电阻R₁₃的另一端，以及电容C₁的负极连接。

所述的均压电路各元件参数计算方法如下：

(1)IGBT静态均压电阻R₁₁和二极管静态均压电阻R₁₂的电阻值

IGBT静态均压电阻R₁₁的阻值与桥臂中器件承受的平均电压的最大值U_{av_max}成正比，与器件漏电流I_leak成反比；流过IGBT静态均压电阻R₁₁的电流值应小于器件漏电流I_leak的5倍，IGBT静态均压电阻R₁₁和二极管静态均压电阻R₁₂的阻值计算公式如式(1)所示：

(2)均压电容C₁的容值

电容C₁容值的大小与最大母线电流I_max成正比，与不同功率半导体器最大开关延迟时间之差Δt成正比，与此最大开关延迟时间之差Δt时间之内的电压变化值ΔU_{av_max}成反比，均压电容C₁的容值计算方法如式(2)所示：

(3)动态均压电阻R₁₃的电阻值

动态均压电阻R₁₃为均压电容C₁放电提供了通路，为了保证器件在下一次开通前电容已放电完成，电容C₁的容值应该满足式(3)；同时，为了避免均压电容和杂散电感引起谐振，动态均压电阻R₁₃的阻值应满足式(4)：

其中，T_ON为IGBT的导通时间，L_δ为线路杂散电感，C₁为均压电容。

图3为两个组合型逆阻器件串联均压电路，所述均压电路包括六个电阻：IGBT静态均压电阻R₁₁、R₂₁，二极管静态均压电阻R₁₂、R₂₂和动态均压电阻R₁₃、R₂₃，四个二极管D₁、D₂、D₃和D₄，两个电容C₁和C₂；其中第一自关断器件IGBT_1的集电极与均压电路的输出端子E、IGBT静态均压电阻R₁₁的一端、二极管D₁的负极、电容C₁的正极连接，第一自关断器件IGBT_1的发射极与IGBT静态均压电阻R₁₁的另一端、二极管D₁的正极、二极管静态均压电阻R₁₂的一端、第一二极管Diode_1的正极连接，二极管D₂的正极与动态均压电阻R₁₃的另一端、电容C₁的负极连接，第一二极管Diode_1的负极与二极管静态均压电阻R₁₂的另一端、动态均压电阻R₁₃的一端、二极管D₂的负极、第二自关断器件IGBT_2的集电极、IGBT静态均压电阻R₂₁的一端、二极管D₃的负极、电容C₂的正极连接；第二自关断器件IGBT_2的发射极与第二二极管Diode_2的正极、IGBT静态均压电阻R₂₁的另一端、二极管D₃的正极、二极管静态均压电阻R₂₂的一端连接，第二二极管Diode_2的负极与二极管静态均压电阻R₂₂的另一端、动态均压电阻R₂₃的一端、二极管D₄的负极、均压电路的输出端子F连接，电容C₂的负极与电阻R₂₃的另一端及二极管D₄的正极连接。

下面以一实例介绍本发明IGBT串联二极管组合型逆阻器件串联均压电路，模拟电流源换流器中两个组合型逆阻器件在不同开关时间的均压过程。

图4为电流源换流器两个器件串联的桥臂仿真电路，该仿真电路由两个IGBT、两个二极管、杂散电感、阻感负载以及本发明的均压电路组成。在PSpice中进行仿真，系统参数如下：

IGBT_2开通与关断时间相比于IGBT_1均延迟0.5μs，E、F两端电压为直流500V。

杂散电感L₂：10μH。

负载电阻R_L：50Ω，负载电感L₁：0.5mH。

IGBT静态均压电阻R₁₁：24kΩ。

二极管静态均压电阻R₁₂：6kΩ。

均压电容C₁：0.5μF。

动态均压电阻R₁₃:10Ω。

R₂₁与R₁₁相等，R₂₂与R₁₂相等，R₂₃与R₁₃相等，C₁与C₂相等。

图5为正向电压下串联均压电路仿真结果，此时U_EF为正向电压时，IGBT_2开通与关断时间相比于IGBT_1均延时0.5μs。由仿真可知，即使两个IGBT开关时间有延迟，其过电压也很小，并且两个IGBT的电压分布均匀。

图6为反向电压下串联均压电路仿真结果，此时U_EF为反向电压，将D₅正负极反接。由仿真可知，在桥臂承受反向电压时，两个二极管上的电压分布均匀。仿真结果充分验证了本发明提出的IGBT串联二极管组合型逆阻器件串联均压电路的有效性，该均压电路可应用于高压直流输电领域电流源型换流器。

Claims (2)

1.一种IGBT串联二极管组合型逆阻器件串联均压电路，其特征在于：所述均压电路由两个组合型逆阻器件串联均压电路组成，包括六个电阻：IGBT静态均压电阻R₁₁、R₂₁，二极管静态均压电阻R₁₂、R₂₂和动态均压电阻R₁₃、R₂₃，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄，两个均压电容C₁、C₂；其中第一自关断器件IGBT_1的集电极与均压电路的输出端子E、IGBT静态均压电阻R₁₁的一端、二极管D₁的负极、均压电容C₁的正极连接，第一自关断器件IGBT_1的发射极与IGBT静态均压电阻R₁₁的另一端、二极管D₁的正极、二极管静态均压电阻R₁₂的一端、第一二极管Diode_1的正极连接，二极管D₂的正极与动态均压电阻R₁₃的另一端、均压电容C₁的负极连接，第一二极管Diode_1的负极与二极管静态均压电阻R₁₂的另一端、动态均压电阻R₁₃的一端、二极管D₂的负极、第二自关断器件IGBT_2的集电极、IGBT静态均压电阻R₂₁的一端、二极管D₃的负极、均压电容C₂的正极连接；第二自关断器件IGBT_2的发射极与第二二极管Diode_2的正极、IGBT静态均压电阻R₂₁的另一端、二极管D₃的正极、二极管静态均压电阻R₂₂的一端连接，第二二极管Diode_2的负极与二极管静态均压电阻R₂₂的另一端、动态均压电阻R₂₃的一端、二极管D₄的负极、均压电路的输出端子F连接，均压电容C₂的负极与电阻R₂₃的另一端及二极管D₄的正极连接；

每个组合型逆阻器件串联均压电路包括一个IGBT静态均压电阻R₁₁、一个二极管静态均压电阻R₁₂、一个二极管D₁、一个均压电容C₁、一个二极管D₂和一个动态均压电阻R₁₃；IGBT的集电极与IGBT静态均压电阻R₁₁的一端、二极管D₁的负极和均压电容C₁的正极连接，IGBT的发射极与IGBT静态均压电阻R₁₁的另一端、二极管D₁的正极、二极管静态均压电阻R₁₂的一端、二极管Diode的正极连接，二极管Diode的负极与二极管静态均压电阻R₁₂的另一端、动态均压电阻R₁₃的一端、二极管D₂的负极连接，二极管D₂的正极与动态均压电阻R₁₃的另一端、均压电容C₁的负极连接。

2.如权利要求1所述的IGBT串联二极管组合型逆阻器件串联均压电路，其特征在于：所述均压电路的元件参数计算方法如下：

(1)IGBT静态均压电阻R₁₁和二极管静态均压电阻R₁₂的电阻值

IGBT静态均压电阻R₁₁的阻值与桥臂中器件承受的平均电压的最大值U_{av_max}成正比，与器件漏电流I_leak成反比；流过IGBT静态均压电阻R₁₁的电流值应小于器件漏电流I_leak的5倍，IGBT静态均压电阻R₁₁和二极管静态均压电阻R₁₂的阻值计算公式如式(1)所示：

(2)均压电容C₁的容值

均压电容C₁容值的大小与最大母线电流I_max成正比，与不同功率半导体器最大开关延迟时间之差Δt成正比，与此最大开关延迟时间之差Δt时间之内的电压变化值ΔU_{av_max}成反比，均压电容C₁的容值计算方法如式(2)所示：

(3)动态均压电阻R₁₃的电阻值

动态均压电阻R₁₃为均压电容C₁放电提供了通路，为了保证器件在下一次开通前均压电容已放电完成，均压电容C₁的容值应该满足式(3)；同时，为了避免均压电容和杂散电感引起谐振，动态均压电阻R₁₃的阻值应满足式(4)：

其中，T_ON为IGBT的导通时间，L_δ为线路杂散电感，C₁为均压电容。

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