CN112817363A - 一种串联igbt均压控制电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串联IGBT均压控制电路及方法，属于电力电子技术领域。该电路通过在T1管的集电极和栅极间串入二极管D1、电阻R2、Ts管、电阻Rs、电容Cs、电阻R1、电容C1，实现了具有三阶段控制的均压电路。第一、三阶段具有斜率控制，抑制VCG电压上升太快，第二阶段具有峰值钳位作用。具有斜率控制作用的电路，由电容Cs、Ts管、电容C1实现；具有峰值控制作用的电路，由Ts管实现。二极管D1抑制反向电流，防止栅极电流流入钳位电路影响驱动；电阻R2起限流作用，防止均压支路电流过大；电阻Rs用于防止Ts管误导通；电容Cs起到增大Ts管米勒电容的作用；电阻R1是电容Ca的放电电阻。

Description

一种串联IGBT均压控制电路及方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种串联IGBT均压控制电路及方法。
背景技术
电力电子装置的发展趋势是高电压、大功率，这对IGBT器件的耐压等级提出了更高要求。将IGBT器件直接串联提高其耐压等级是最直接有效的方法。
IGBT串联应用的关键问题是实现均压。目前，在众多IGBT串联均压技术中，最简单、可靠的方法是并联RC缓冲回路。但在高压场合，考虑到损耗、体积以及造价等因素，无RC缓冲回路的均压方法更实用。此外，基于电压轨迹控制和门极信号延时调整等有源方法，因控制电路过于复杂，使用场合受限。因此，有必要基于IGBT特性以及均压控制的要点，选择更为有效的均压方法。
文献[1]提出具有钳位功能的驱动控制方案，IGBT端电压超过预设值时触发钳位装置，控制装置采集各IGBT钳位装置工作时间后进行控制调节，调节各IGBT驱动信号边沿时刻，最终使各路钳位装置工作时间一致，实现各个IGBT均压[2]。图1为串联IGBT有源钳位电路示意图，如图1所示，电容C的作用是降低不均压程度，二极管D的作用是抑制反向电流，电阻R用于电容C放电。
通常在大功率的IGBT的应用中，有源钳位的功能是非常必要的，而功率越小，必要性越低。其原因是随着系统的功率变大，IGBT的di/dt会增大，且杂散电感也会越大，因此电压尖峰会越高。因稳压二极管的击穿电压有限，该均压电路只适用于低压小功率的串联IGBT均压控制中。在高压大功率场合，该均压电路的使用受限，且在关断过程中，对du/dt没有很好的控制效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种串联IGBT均压控制电路及方法，为了克服上述现有技术的缺陷，解决高压大功率场合的串联均压问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种串联IGBT均压控制电路，包括：二极管D1、电阻R2、电阻Rs、Ts管、电容Cs、电阻R1和电容C1；
IGBT管的集电极与二极管D1的阳极连接；
电阻R2一端连接二极管D1的阴极，另一端连接Ts管的集电极；
电容Cs接于Ts管的集-栅极间；
电阻Rs接于Ts管的栅-源极之间；
电容C1与电阻R1并联后一端连接Ts管的发射极，另一端与IGBT管的栅极连接。
优选的，IGBT管的栅极连接有驱动电路；所述电容C1与电阻R1并联后另一端连接所述驱动电路。
一种串联IGBT均压控制方法，基于所述的串联IGBT均压控制电路，包括以下步骤：
IGBT管的集-栅极间电压VCG小于Ts管雪崩击穿电压VTs时，所述的串联IGBT均压控制电路对VCG电压进行第一阶段斜率控制；
当VCG＝VTs时，Ts管发生雪崩击穿，所述的串联IGBT均压控制电路实现第一阶段峰值钳位控制作用；
当VCG＞VTs时，所述的串联IGBT均压控制电路对VCG电压进行第二阶段斜率控制。
优选的，所述第一阶段斜率控制、第二阶段斜率控制由电容Cs、Ts管、电容C1实现。
优选的，第一阶段峰值钳位控制作用由Ts管实现。
优选的，二极管D1抑制反向电流，防止栅极电流流入钳位电路影响驱动。
优选的，电阻R2起限流作用，防止电流过大。
优选的，电阻Rs用于防止Ts管误导通。
优选的，电容Cs起到增大Ts管米勒电容的作用。
优选的，电阻R1为电容C1的放电电阻。
本发明的有益效果如下：
本发明实施例提供了一种串联IGBT均压控制电路及方法，该电路包括：二极管D1、电阻R2、电阻Rs、Ts管、电容Cs、电阻R1和电容C1；IGBT管的集电极与二极管D1的阳极连接；电阻R2一端连接二极管D1的阴极，另一端连接Ts管的集电极；电容Cs接于Ts管的集-栅极间；电阻Rs接于Ts管的栅-源极之间；电容C1与电阻R1并联后两端分别连接Ts管的发射极与IGBT管的栅极。技术关键点是利用IGBT的米勒电容效应，实现了VCG电压du/dt斜率控制；利用IGBT的雪崩击穿效应[3]，实现电压峰值控制；并综合了IGBT的自身特点，设计了具有三阶段控制的均压电路。对高电压大功率串联IGBT均压控制问题，提出了良好的解决方案。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术中的电压钳位控制原理图。
图2是本发明实施例提供的串联IGBT均压控制电路原理图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
本发明实施例提供了一种串联IGBT均压控制电路及方法，利用IGBT的米勒电容效应，实现了VCG电压du/dt斜率控制；利用IGBT的雪崩击穿效应，实现电压峰值控制；并综合了IGBT的自身特点，设计了具有三阶段控制的均压电路。对高电压大功率串联IGBT均压控制问题，提出了良好的解决方案。
如图2所示，一种串联IGBT均压控制电路，是通过在串联IGBT的集-栅极间并入串联IGBT均压控制电路的方式，实现均压的目的。
本实施例中以串联IGBT的T1管为例，串联IGBT均压控制电路包括：二极管D1、电阻R2、Ts管、电容Cs、电阻Rs、电阻R1和电容C1；所述T1管的集电极与所述二极管D1的阳极连接，所述电阻R2的一端连接所述二极管D1的阴极，所述电阻R2的另一端连接所述Ts管的集电极；所述电容C1与所述电阻R1并联后两端分别连接所述Ts管的发射极与所述T1管的栅极；所述电容Cs接于Ts管的集-栅极间；所述电阻Rs接于所述Ts管的栅-源极之间。
本发明实施例提供的另一个技术方案是：一种串联IGBT均压控制方法，基于上述的串联IGBT均压控制电路，具体包括以下：
1)当T1管集-栅极间电压VCG小于Ts管雪崩击穿电压VTs，即VCG＜VTs时，均压支路按照二极管D1→电阻R2→电容Cs→电阻Rs→电容C1的顺序依次起作用，相当于在T1管的集-栅极间并入较小电容(C1串Cs等效电容)，对VCG电压进行第一阶段斜率控制。
2)当VCG＝VTs时，Ts管发生雪崩击穿，该均压控制电路实现第一阶段峰值钳位控制作用。
3)当VCG＞VTs时，通过支路二极管D1→电阻R2→Ts管→电容C1的顺序依次起作用，相当于在T1管的集-栅极间并入C1电容，对VCG电压进行第二阶段斜率控制。
4)该电路通过在T1管的集电极和栅极间串入二极管D1、电阻R2、Ts管、电阻Rs、电容Cs、电阻R1、电容C1，实现了具有三阶段控制的均压电路。
第一、三阶段具有斜率控制，抑制VCG电压上升太快，第二阶段具有峰值钳位作用。具有斜率控制作用的电路，由电容Cs、Ts管、电容C1实现；具有峰值控制作用的电路，由Ts管实现。
二极管D1抑制反向电流，防止栅极电流流入钳位电路影响驱动；电阻R2起限流作用，防止均压支路电流过大；电阻Rs用于防止Ts管误导通；电容Cs起到增大Ts管米勒电容的作用；电阻R1是电容Ca的放电电阻。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的说明书中涉及以下技术术语：
1、IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管。
2、IGBT的雪崩击穿：当IGBT的栅极电压为零或负时，处于正向阻断状态，此时若IGBT承受外部阻断电压较高，当集电极-发射极间电压超过某一临界值时，发生雪崩击穿。
3、IGBT的雪崩击穿电压：使IGBT发生雪崩击穿的外部电压，称作雪崩击穿电压。
4、IGBT的米勒电容：IGBT内部寄生在集电极-栅极间的电容。
文献1：Lu T,Zhao Z,Ji S,et al.Active clamping circuit with statusfeedback for series-connected HV-IGBTs[J].IEEE Transactions on IndustryApplications,2014,50(5):3579-3590.
文献2：丁顺,邢岩,王钧,胡海兵.IGBT串联动态均压特性分析与控制[J].电工技术学报,2018,33(14):3194-3201.
文献3：江波，胡安等.IGBT电压击穿特性分析[J].电工技术学报.2011,26(8):145-150.
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种串联IGBT均压控制电路，其特征在于，包括：二极管D1、电阻R2、电阻Rs、Ts管、电容Cs、电阻R1和电容C1；
IGBT管的集电极与二极管D1的阳极连接；
电阻R2一端连接二极管D1的阴极，另一端连接Ts管的集电极；
电容Cs接于Ts管的集-栅极间；
电阻Rs接于Ts管的栅-源极之间；
电容C1与电阻R1并联后一端连接Ts管的发射极，另一端与IGBT管的栅极连接。
2.根据权利要求1所述的串联IGBT均压控制电路，其特征在于，IGBT管的栅极连接有驱动电路；所述电容C1与电阻R1并联后另一端连接所述驱动电路。
3.一种串联IGBT均压控制方法，基于权利要求1所述的串联IGBT均压控制电路，其特征在于，包括以下步骤：
IGBT管的集-栅极间电压VCG小于Ts管雪崩击穿电压VTs时，所述的串联IGBT均压控制电路对VCG电压进行第一阶段斜率控制；
当VCG＝VTs时，Ts管发生雪崩击穿，所述的串联IGBT均压控制电路实现第一阶段峰值钳位控制作用；
当VCG＞VTs时，所述的串联IGBT均压控制电路对VCG电压进行第二阶段斜率控制。
4.根据权利要求3所述的串联IGBT均压控制方法，其特征在于，所述第一阶段斜率控制、第二阶段斜率控制由电容Cs、Ts管、电容C1实现。
5.根据权利要求3所述的串联IGBT均压控制方法，其特征在于，第一阶段峰值钳位控制作用由Ts管实现。
6.根据权利要求3所述的串联IGBT均压控制方法，其特征在于，二极管D1抑制反向电流，防止栅极电流流入钳位电路影响驱动。
7.根据权利要求3所述的串联IGBT均压控制方法，其特征在于，电阻R2起限流作用，防止电流过大。
8.根据权利要求3所述的串联IGBT均压控制方法，其特征在于，电阻Rs用于防止Ts管误导通。
9.根据权利要求3所述的串联IGBT均压控制方法，其特征在于，电容Cs起到增大Ts管米勒电容的作用。
10.根据权利要求3所述的串联IGBT均压控制方法，其特征在于，电阻R1为电容C1的放电电阻。
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