CN113437863B - 一种并联igbt动态均流缓冲电路 - Google Patents

一种并联igbt动态均流缓冲电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并联IGBT动态均流缓冲电路，包括两个IGBT管Q1和Q2以及缓冲电路部分，所述缓冲电路部分包括缓冲电感L1和L2、缓冲电阻R1和R2、互连二极管D3和D4以及互连电感L3和L4。该动态均流缓冲电路中由R2、D4、L4、L2、L1、L3、D3、R1构成的上下缓冲电路之间通过有机配合，可自动实现并联IGBT的动态均流功能，并保证每个IGBT安全稳定运行，同时能够缩短电流拖尾时间，还能避免产生瞬态的开通振荡和门极环流问题，且该电路结构简单，软硬件成本较低。

Description

一种并联IGBT动态均流缓冲电路
技术领域
本发明属于电力电子器件技术领域，更具体地，涉及一种并联IGBT动态均流缓冲电路。
背景技术
现有技术中IGBT作为大功率的电力电子开关器件，无论是受限于单模块电流能力不足，还是并联方案更具成本优势，越来越多的应用需要IGBT模块并联方案。由于自身参数以及外部参数的不一致，并联IGBT的电流可能会存在差异。为了充分发挥并联优势，均流效果就显得尤为重要，否则严重电流不平衡将会导致某一模块承受过大电流，从而限制并联模块整体输出能力，无法达到预计的并联效果。外加电感法就是一种用来均流的手段，该方法利用电感对电流变化的抑制作用，限制IGBT电流的变化率di/dt，同时通过差模电感抑制电路中的环流，从而起到均流的作用。
IGBT并联均流方法可分为驱动端和功率端两类。驱动端均流常见的方法包括栅极电阻补偿法(例如：M.Sasaki,H.Nishio,A.Shorten and W.T.Ng,"Current balancingcontrol for parallel connected IGBTs using programmable gate driver outputresistance,"2013 25th International Symposium on Power Semiconductor Devices&IC's(ISPSD),Kanazawa,Japan,2013,pp.65-68.)和主动门极控制法(例如：D.Bortis,J.Biela and J.W.Kolar,"Active Gate Control for Current Balancing of Parallel-Connected IGBT Modules in Solid-State Modulators,"in IEEE Transactions onPlasma Science,vol.36,no.5,pp.2632-2637,Oct.2008.)等，这些方法不仅复杂，还易产生门极环流。功率端均流技术主要是基于串联电感的缓冲电路实现，然而在应用单电感型缓冲电路时，由于IGBT断开时电感没有续流通道，延长了电流的拖尾时间，而且电感上的反向电压增大了开关应力，导致IGBT并联电路结构的寿命变短。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明公开了一种并联IGBT动态均流缓冲电路，该电路通过常见开关控制方式即可自动实现并联IGBT的动态均流，保证每个IGBT安全稳定运行，同时能够缩短电流拖尾时间，还能避免产生瞬态的开通振荡和门极环流问题，且电路结构简单，软硬件成本较低。
本发明公开了一种并联IGBT动态均流缓冲电路，包括两个IGBT管Q1和Q2、以及缓冲电路部分，所述缓冲电路部分包括缓冲电感L1和L2、缓冲电阻R1和R2、互连二极管D3和D4以及互连电感L3和L4，所述R2的一端与L2的一端连接，所述R2的另一端分别与Q1的集电极和D4的阴极连接，所述L2的另一端分别与Q2的集电极和L4的一端连接，所述L4的另一端与D4的阳极连接，所述Q1的发射极分别与L1的一端以及L3的一端连接，所述Q2的发射极分别与R1的一端以及D3的阳极连接,所述D3的阴极与L3的另一端连接，所述L1的另一端与R1的另一端连接。
进一步的，所述IGBT管Q1和Q2具体为N型IGBT管。
进一步的，所述Q1反并联二极管D1,所述Q2反并联二极管D2，以防止Q1和Q2承受反向电压。
进一步的，缓冲电感L1和L2、缓冲电阻R1和R2、互连二极管D3和D4以及互连电感L3和L4的器件参数分别两两相同，以形成互补对称的电路结构。
相对于现有技术，本发明的并联IGBT动态均流缓冲电路具备如下的有益效果：
1.本发明的缓冲电路中的缓冲电感能对IGBT的过电流进行抑制，达到均流的目的。
2.本发明的缓冲电路中的缓冲电阻可为缓冲电感提供放电回路，同时增大了IGBT的等效阻值，使得两个IGBT的导通趋于同步。
3.本发明的缓冲电路中基于互连二极管和互连电感实现的互连支路，其结构十分简单，只包括电阻、电感和二极管等元件，而不需要额外的传感器和控制电路；此外，功率端的均流方式不需要复杂的驱动电路，因此避免了门极环流的影响；互连支路使得电流可以在两个IGBT之间传递，有利于电流的平均分配，且互连电感等还能避免在关断瞬态缓冲电路可能不起作用的现象发生。
4.本发明中由R2、D4、L4、L2、L1、L3、D3、R1构成的上下缓冲电路之间通过有机配合，大大的缩短了电流拖尾时间，还能避免产生开通振荡和门极环流，无需对开关器件的控制方式或者软件程序进行新的改进即可自动实现均衡功能，故该缓冲电路特别适合于大功率器件的双并联IGBT的动态均流控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明中并联IGBT动态均流缓冲电路的电路原理图；
图2为本发明的缓冲电路在开通瞬态时的模态图；
图3为本发明的缓冲电路在开通状态时的模态图；
图4为本发明的缓冲电路在关断瞬态时的模态图；
图5为本发明的缓冲电路在关断状态时的模态图；
图6为现有技术中使用单电感型缓冲电路时IGBT的电流波形图；
图7为本发明缓冲电路中IGBT的电流波形图；
图8为本发明缓冲电路中开通瞬态的电流差波形图；
图9为本发明缓冲电路中关断瞬态的电流差波形图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明设计的并联IGBT动态均流缓冲电路适用于一般各个电力电子硬件中的双并联IGBT电路，以自动抑制电路中的环流，从而起到均流等作用，本发明以下将以常见的N型IGBT并联电路作为示例，需要指出的是，该缓冲电路也可适用于P型的IGBT并联电路，且其实现同样工作模态的互补对称结构也应该视为本发明所要求保护电路的等同结构。
如图1所示，本发明的并联IGBT动态均流缓冲电路包括两个IGBT管Q1和Q2、以及缓冲电路部分，所述缓冲电路部分包括缓冲电感L1和L2、缓冲电阻R1和R2、互连二极管D3和D4以及互连电感L3和L4，所述R2的一端与L2的一端连接，所述R2的另一端分别与Q1的集电极和D4的阴极连接，所述L2的另一端分别与Q2的集电极和L4的一端连接，所述L4的另一端与D4的阳极连接，所述Q1的发射极分别与L1的一端以及L3的一端连接，所述Q2的发射极分别与R1的一端以及D3的阳极连接,所述D3的阴极与L3的另一端连接。其中，所述L1的另一端与R1的另一端之间接可输入端的两端，其输入端可以是负载、电源和/或其它电路的输出端。
由上述可知，本发明上述电路能够实现并联IGBT的动态均流，保证IGBT安全稳定运行，同时能够缩短电流拖尾时间，还能避免产生开通振荡和门极环流。互联二极管D3和D4与互连电感L3和L4组成了互连支路，使得本发明缓冲电路的结构十分简单，只包括电阻、电感和二极管等元件，而不需要额外的传感器和控制电路；此外，功率端的均流方式不需要复杂的驱动电路，因此避免了门极环流的影响。
进一步的，如图1-2所示，所述IGBT管Q1和Q2具体为N型IGBT管。另外，所述Q1反并联二极管D1,所述Q2反并联二极管D2，以用于保护IGBT管，防止Q1和Q2承受反向电压。
另外由于该缓冲电路部分是互补对称的结构，且缓冲电感L1和L2、缓冲电阻R1和R2、互连二极管D3和D4以及互连电感L3和L4两两之间的器件参数优选为一致的，故在Q1和Q2选择具体为P型的IGBT并联电路时，该电路的均流功能依然能够实现。
为了完整的体现该电路的各个模态，图2～图5是在图1的基础上额外的加入了模拟实验用的电源和负载的电路图，当然，图1所示电路两端可以不使用图2所示实验用的电源和负载，在实际工作中其完全可以接其它电路的输出部分，具体的，图2中的并联IGBT动态均流缓冲电路，包括直流电源VDC、负载、两个IGBT管Q1和Q2、以及缓冲电路部分，所述缓冲电路部分包括缓冲电感L1和L2、缓冲电阻R1和R2、互连二极管D3和D4以及互连电感L3和L4，所述直流电源VDC的正极与负载的一端连接，所述负载的另一端分别与R2的一端以及L2的一端连接，所述R2的另一端分别与Q1的集电极和D4的阴极连接，所述L2的另一端分别与Q2的集电极和L4的一端连接，所述L4的另一端与D4的阳极连接，所述Q1的发射极分别与L1的一端以及L3的一端连接，所述Q2的发射极分别与R1的一端以及D3的阳极连接,所述D3的阴极与L3的另一端连接，所述直流电源VDC的负极、L1的另一端以及R1的另一端都与接地端连接。
其中，电感LS为电路中的杂散电感。Ra和Rb为IGBT驱动回路的驱动电阻，V1和V2为门极控制电压。需要再次指出的是，以上串联的直流电源VDC和负载也可以替换成电压源输出端等其它电路。
进一步的，所述负载既可以是图2～图5中包括电容、电感、电阻、二极管等器件的大型复合型负载，即电阻R并联电容C再串联电感L最后反并联二极管D构成了一个符合大多是实际情况的复合型负载，当然其还可以是其它种类的复合型等效负载。具体的，如图2-5所示的所述负载包括二极管D、电感L、电阻R、电容C，所述电感L的一端分别与R的一端以及C的一端连接，所述二极管D的阳极分别与L的另一端以及R2的一端连接，所述二极管D的阴极分别与R的另一端、C的另一端以及所述直流电源VDC的正极连接。
为进一步阐述本发明电路的优点，以下结合图2-9，对并联IGBT动态均流缓冲电路的工作原理作出如下说明和分析：
本发明电路在四个时期的模态如图2～图5所示。
图2所示为导通瞬态时缓冲电路的模态，当Q1先于Q2导通时，电阻R2和电感L1会先流过电流，由于二极管D4与电感L4使电感L2与电阻R2并联起来，所以L2上也会流过电流，而且该电流会逐渐增大。在电流上升过程中，电感L1上会产生电压，由于电阻R1与L1并联，从而R1上也会流过电流。这样，虽然Q1先于Q2导通，但通过上下两部分缓冲电路的作用，会有部分电流流过L2和R1，从而也会流过Q2，Q1的电流也就相对减小了。此外，互连二极管反向阻断了Q1支路流向Q2支路的电流，使得缓冲电阻上的电流只能从后开通的IGBT上流过，从而加快了开通过程。
图3所示为导通状态下缓冲电路的模态。此时，由于互连二极管的存在，电流不流过缓冲电阻，而是经缓冲电感和互连支路直接流过IGBT器件。
图4所示为关断瞬态时缓冲电路的模态。电流处于下降阶段，缓冲电感上会产生反向电压，此时缓冲电感上的电流不仅会流过IGBT，也会通过缓冲电阻与互连支路组成的续流回路来放电。此时IGBT上的电流不会流过缓冲电阻，因此缓冲电阻对于两个IGBT的电流分配没有影响，但是此时IGBT上的电流仍会流过互连支路，而互连支路上的电感就会降低两个IGBT在关断瞬态的电流不均衡度。
图5所示为关断状态下缓冲电路的模态。此时缓冲电感上的电流不会流过IGBT，而是通过由缓冲电感、互连支路和缓冲电阻形成续流回路继续放电。
此外，如图6～图9所示，本发明的动态均流缓冲电路还进行了仿真模拟，其仿真参数设置为：直流电源电压为500V，开关器件Q1和Q2的驱动电阻分别为20Ω和10Ω，负载电阻为5Ω，负载电容为30nF，负载电感为1μH，杂散电感为0.35μH，缓冲电阻为10Ω，缓冲电感为0.9μH，开关频率20kHz，占空比为50％。图6为使用单电感型缓冲电路时，流过两个IGBT的电流波形，图7为本发明中流过IGBT的电流波形。很明显，本发明的电路在开通瞬态不仅电流变化情况一致，而且没有产生超调，消除了开通振荡的影响，均流效果比单电感型缓冲电路更好。图8和图9分别为开通和关断瞬间应用不同缓冲电路时两IGBT的电流差波形。可以看出本发明的电路较单电感型缓冲电路，开关器件间的电流差值小，并且更快地趋近于0，缩短了电流的拖尾时间，综合性能更好。
最后需要强调的是，本发明中由R2、D4、L4、L2、L1、L3、D3、R1构成的上下缓冲电路之间通过有机配合，大大的缩短了电流拖尾时间，还能避免产生开通振荡和门极环流，无需对开关器件的控制方式或者软件程序进行新的改进即可自动实现均衡功能，且由图2～图5的模态分析和图6～图9的效果图可知，该缓冲电路结构特别适合于作为大功率器件的并联IGBT的动态均流控制。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种并联IGBT动态均流缓冲电路，其特征在于，包括两个IGBT管Q1和Q2、以及缓冲电路部分，所述缓冲电路部分包括缓冲电感L1和L2、缓冲电阻R1和R2、互连二极管D3和D4以及互连电感L3和L4，所述R2的一端与L2的一端连接，所述R2的另一端分别与Q1的集电极和D4的阴极连接，所述L2的另一端分别与Q2的集电极和L4的一端连接，所述L4的另一端与D4的阳极连接，所述Q1的发射极分别与L1的一端以及L3的一端连接，所述Q2的发射极分别与R1的一端以及D3的阳极连接,所述D3的阴极与L3的另一端连接，所述L1的另一端与R1的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的并联IGBT动态均流缓冲电路，其特征在于，所述IGBT管Q1和Q2具体为N型IGBT管。
3.根据权利要求1或2所述的并联IGBT动态均流缓冲电路，其特征在于，所述Q1反并联二极管D1,所述Q2反并联二极管D2，以防止Q1和Q2承受反向电压。
4.根据权利要求1或2所述的并联IGBT动态均流缓冲电路，其特征在于，缓冲电感L1和L2、缓冲电阻R1和R2、互连二极管D3和D4以及互连电感L3和L4的器件参数分别两两相同，以形成互补对称的电路结构。
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