CN114094556A - 一种适用于多igbt并联的动态均流缓冲电路 - Google Patents

一种适用于多igbt并联的动态均流缓冲电路 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种适用于多IGBT并联的动态均流缓冲电路，该电路包括：多个并联的IGBT管；所有相邻的两个IGBT管中的第一IGBT管集电极如果连接所述缓冲电阻，则所述相邻的两个IGBT管中的第二IGBT管的集电极则连接所述缓冲电感；所述第一IGBT管的发射极如果连接所述缓冲电感，则所述第二IGBT管的发射极则连接所述缓冲电阻；所有相邻的两个IGBT管的集电极之间连接有第一互连电感；所有相邻的两个IGBT管的发射极之间连接有第二互连电感。通过本申请解决了现有技术的IGBT并联中所产生问题中的至少之一，从在保证IGBT安全稳定运行，同时不需要复杂的电路结构和控制算法，还能避免产生门极环流，抑制开通振荡和过电流，降低IGBT在瞬态的电流不均衡度。

Description

一种适用于多IGBT并联的动态均流缓冲电路
技术领域
本申请涉及到电路领域，具体而言，涉及一种适用于多IGBT并联的动态均流缓冲电路。
背景技术
无论是单个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称为IGBT)，的电流容量有限，还是并联方案的成本更具优越性，IGBT模块并联方案的应用越来越广泛。由于IGBT器件自身参数和外部电路参数的不一致以及电路布局的不对称，不同IGBT的电流可能会存在差异。为了充分发挥并联方案的优势，IGBT之间的电流均衡至关重要，否则部分IGBT会因承受过高的电流而损坏，甚至使得整个系统崩溃，从而影响并联模块的整体输出能力，降低系统的安全性和稳定性。外加电感平衡法通过在各IGBT所在的支路中均引入额外的电感，进而抑制IGBT开通和关断过程中集电极电流的变化速率，其基本原理即是通过IGBT外围引入比杂散电感大一个或数个量级的μH级电感以抑制原支路中杂散电感间存在的差异。
IGBT并联均流方法可分为驱动回路均流和功率回路均流两类。
驱动回路均流控制主要通过采用一定的辅助电路及控制策略，调整门极的控制信号进而间接地影响IGBT的集电极电流特性，包括发射极电阻反馈法、门极延迟控制法等，这些方法不仅应用范围有限，而且容易产生振荡。功率回路均流控制主要通过调整功率回路结构或引入额外的阻抗以及利用热网络分析改善硬件设计进而增强并联IGBT间或IGBT内部芯片间的电热参数的一致性，主要有基于串联电感的缓冲电路，但是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，而且电感易与IGBT的极间电容产生振荡。
发明内容
本申请实施例提供了一种适用于多IGBT并联的动态均流缓冲电路，以至少解决现有技术的IGBT并联中所产生问题中的至少之一。
根据本申请的一个方面，提供了一种适用于多IGBT并联的动态均流缓冲电路，包括：多个并联的IGBT管，其中，并联的每个IGBT管的集电极均连接缓冲电阻和缓冲电感中的一个，所述每个IGBT管的发射极均连接所述缓冲电阻和所述缓冲电感中的另一个；所有相邻的两个IGBT管中的第一IGBT管集电极如果连接所述缓冲电阻，则所述相邻的两个IGBT管中的第二IGBT管的集电极则连接所述缓冲电感；所述第一IGBT管的发射极如果连接所述缓冲电感，则所述第二IGBT管的发射极则连接所述缓冲电阻；所有相邻的两个IGBT管的集电极之间连接有第一互连电感；所有相邻的两个IGBT管的发射极之间连接有第二互连电感。
进一步地，所述第一互连电感包括一个电感或者并联的多个电感；和/或，所述第二互连电感包括一个电感或者并联的多个电感。
进一步地，在所述第一互连电感和/或所述第二互连电感包括并联的多个电感的情况下，所述并联的多个电感的数量至少是根据所述并联的IGBT管的数量确定的。
进一步地，所述并联的多个电感中的每个电感的电感值相同。
进一步地，在所述多个并联的IGBT管的数量为奇数的情况下，所述第一互连电感和所述第二互连电感的电感值不同，或者，所述第一互连电感和所述第二互连电感包括的并联的电感数量不同。
进一步地，在所述多个并联的IGBT管的数量为偶数的情况下，所述第一互连电感和所述第二互连电感均为一个电感。
进一步地，所述第一互连电感和所述第二互连电感的电感值相同。
进一步地，所述多个并联的IGBT管中的首个IGBT管和最后一个IGBT管的集电极之间连接有所述第一互连电感；所述首个IGBT管和最后一个IGBT管的发射极之间连接有所述第二互连电感。
进一步地，所有的所述缓冲电阻的阻值均相同。
进一步地，所有的所述缓冲电感的电感值均相同。
在本申请实施例中，采用了多个并联的IGBT管，其中，并联的每个IGBT管的集电极均连接缓冲电阻和缓冲电感中的一个，所述每个IGBT管的发射极均连接所述缓冲电阻和所述缓冲电感中的另一个；所有相邻的两个IGBT管中的第一IGBT管集电极如果连接所述缓冲电阻，则所述相邻的两个IGBT管中的第二IGBT管的集电极则连接所述缓冲电感；所述第一IGBT管的发射极如果连接所述缓冲电感，则所述第二IGBT管的发射极则连接所述缓冲电阻；所有相邻的两个IGBT管的集电极之间连接有第一互连电感；所有相邻的两个IGBT管的发射极之间连接有第二互连电感。通过本申请解决了现有技术的IGBT并联中所产生问题中的至少之一，从在保证IGBT安全稳定运行，同时不需要复杂的电路结构和控制算法，还能避免产生门极环流，抑制开通振荡和过电流，降低IGBT在瞬态的电流不均衡度。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的应用于奇数个IGBT的第一种类型电路原理图；
图2是根据本申请实施例的应用于奇数个IGBT的第二种类型电路原理图；
图3是根据本申请实施例的应用于偶数个IGBT的电路原理图；
图4是根据本申请实施例的应用于奇数个IGBT时互连电感的具体结构图；
图5是根据本申请实施例的基于BUCK电路的测试电路原理图；
图6是根据本申请实施例的应用于3个并联IGBT时的电路原理图；
图7是根据本申请实施例的无缓冲时3个IGBT的电流波形；
图8为应用本申请实施例后3个IGBT的电流波形；
图9为应用本申请实施例前后开通瞬态3个IGBT的电流标准差波形；
图10为应用本申请实施例前后关断瞬态3个IGBT的电流标准差波形；
图11是根据本申请实施例的4个并联IGBT时的电路原理图；
图12是根据本申请实施例的无缓冲时4个IGBT的电流波形；
图13为应用本申请实施例后4个IGBT的电流波形；
图14为应用本申请实施例前后开通瞬态4个IGBT的电流标准差波形；
图15为应用本申请实施例前后关断瞬态4个IGBT的电流标准差波形；
图16为本申请实施例应用于5个并联IGBT时的电路原理图；
图17是根据本申请实施例的无缓冲时5个IGBT的电流波形；
图18为应用本申请实施例后5个IGBT的电流波形。
具体实施方式
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
根据本申请的一个方面，提供了一种适用于多IGBT并联的动态均流缓冲电路，包括：多个并联的IGBT管(例如，大于等于3个IGBT管并联)，其中，并联的每个IGBT管的集电极均连接缓冲电阻和缓冲电感中的一个，所述每个IGBT管的发射极均连接所述缓冲电阻和所述缓冲电感中的另一个；所有相邻的两个IGBT管中的第一IGBT管集电极如果连接所述缓冲电阻，则所述相邻的两个IGBT管中的第二IGBT管的集电极则连接所述缓冲电感；所述第一IGBT管的发射极如果连接所述缓冲电感，则所述第二IGBT管的发射极则连接所述缓冲电阻；所有相邻的两个IGBT管的集电极之间连接有第一互连电感；所有相邻的两个IGBT管的发射极之间连接有第二互连电感。
其中，所述第一互连电感包括一个电感或者并联的多个电感；和/或，所述第二互连电感包括一个电感或者并联的多个电感。在所述第一互连电感和/或所述第二互连电感包括并联的多个电感的情况下，所述并联的多个电感的数量至少是根据所述并联的IGBT管的数量确定的。所述并联的多个电感中的每个电感的电感值可以相同。
在所述多个并联的IGBT管的数量为奇数的情况下，所述第一互连电感和所述第二互连电感的电感值不同，或者，所述第一互连电感和所述第二互连电感包括的并联的电感数量不同。
在所述多个并联的IGBT管的数量为偶数的情况下，所述第一互连电感和所述第二互连电感均为一个电感。此时，所述多个并联的IGBT管中的首个IGBT管和最后一个IGBT管的集电极之间连接有所述第一互连电感；所述首个IGBT管和最后一个IGBT管的发射极之间连接有所述第二互连电感。可选地，所述第一互连电感和所述第二互连电感的电感值可以相同。
在本实施例中，所有的所述缓冲电阻的阻值均可以相同，所有的所述缓冲电感的电感值均可以相同。
通过本实施例解决了现有技术的IGBT并联中所产生问题中的至少之一，从在保证IGBT安全稳定运行，同时不需要复杂的电路结构和控制算法，还能避免产生门极环流，抑制开通振荡和过电流，降低IGBT在瞬态的电流不均衡度。
本实施例的目的是提供一种用于实现多个并联IGBT动态均流的缓冲电路，以克服现有技术中电路结构复杂、应用范围有限、易产生开通振荡和门极环流等缺陷。
下面结合附图对本实施例进行说明，本实施例提出了一种适用于多IGBT并联的动态均流缓冲电路，如图1、2和3所示。其中，图1和图2分别为本实施例应用于奇数个IGBT时两种类型的电路原理图，这两种类型是等效的，图3为本实施例应用于偶数个IGBT时的电路原理图。
对于本实施例应用于奇数个IGBT时的第一种类型，缓冲电路包括上下两部分，上缓冲电路由上缓冲电感La2,La4,…La(n-1)，上缓冲电阻Ra1,Ra3,…Ran，以及上互连电感Lu1,Lu2,…Lu(n-1)组成；下缓冲电路由下缓冲电感Lb1,Lb3,…Lbn，下缓冲电阻Rb2,Rb4,…Rb(n-1)，以及下互连电感Ld1,Ld2,…Ld(n-1)组成。其中，所有的上缓冲电感和下缓冲电感都是相同的，所有的上缓冲电阻和下缓冲电阻也是相同的，所有的上互连电感和下互连电感都是由若干个相同的电感LI并联而成，如图4所示。每个互连电感中并联电感的数量如下：
Figure BDA0003342664520000041
Figure BDA0003342664520000042
式中，n为IGBT的数量，Suk为上互连电感Luk的并联电感数，Sdk为下互连电感Ldk的并联电感数。
对于本实施例应用于奇数个IGBT时的第二种类型，缓冲电路包括上下两部分，上缓冲电路由上缓冲电感La1,La3,…Lan，上缓冲电阻Ra2,Ra4,…Ra(n-1)，以及上互连电感Lu1,Lu2,…Lu(n-1)组成；下缓冲电路由下缓冲电感Lb2,Lb4,…Lb(n-1)，下缓冲电阻Rb1,Rb3,…Rbn，以及下互连电感Ld1,Ld2,…Ld(n-1)组成。其中，所有的上缓冲电感和下缓冲电感都是相同的，所有的上缓冲电阻和下缓冲电阻也是相同的，所有的上互连电感和下互连电感都是由若干个相同的电感LI并联而成，如图4所示。每个互连电感中并联电感的数量与第一种类型相反，即：
Figure BDA0003342664520000051
Figure BDA0003342664520000052
式中，n为IGBT的数量，Suk为上互连电感Luk的并联电感数，Sdk为下互连电感Ldk的并联电感数。
在这两种类型中，所有这些由多个相同的电感并联而成的互连电感都可以由一个电感代替，但要保证这个电感的电感值和内阻值与原来整个并联部分一致。
对于本实施例应用于偶数个IGBT时的情形，缓冲电路包括上下两部分，上缓冲电路由上缓冲电感La2,La4,…Lan，上缓冲电阻Ra1,Ra3,…Ra(n-1)，以及上互连电感Lu1,Lu2,…Lun组成；下缓冲电路由下缓冲电感Lb1,Lb3,…Lb(n-1)，下缓冲电阻Rb2,Rb4,…Rbn，以及下互连电感Ld1,Ld2,…Ldn组成。其中，所有的上缓冲电感和下缓冲电感都是相同的，所有的上缓冲电阻和下缓冲电阻都是相同的，所有的上互连电感和下互连电感也是相同的。
显然，缓冲电路的结构十分简单，只包括电阻和电感，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。缓冲电感的作用与单电感型缓冲电路相同，用于吸收流过IGBT的过电流，限制IGBT电流的变化率di/dt，从而起到均流作用。在本电路中，缓冲电感只在开通瞬态起作用。缓冲电阻的作用是在IGBT关断瞬态和关断状态为缓冲电感和互连电感提供续流回路进行放电，从而缩短电流拖尾时间。而互连电感在关断瞬态，可以降低两个IGBT的电流不均衡度。
在本实施例中的缓冲电感，在开通瞬态对IGBT的过电流进行抑制，达到均流的目的。本实施例中的缓冲电阻，为缓冲电感和互连电感提供续流放电回路，同时增大了IGBT的等效电阻，使得IGBT的电流变化趋于同步，此外还能抑制电路中的振荡。本实施例中的互连电感，避免了缓冲电路在关断瞬态不起作用的现象。
图5为本实施例基于BUCK电路的测试电路原理图，虚线框内为若干个并联IGBT及其缓冲电路，直流电源电压Vdc为400V，C为滤波电容，L为滤波电感，D为续流二极管，R为负载电阻，IGBT的开关频率为20kHz，占空比为50％。
实例1
本实例为本实施例应用于3个IGBT时的情形，由前面的公式计算得到上下互连电感中的并联电感数量分别为2、2和1、1，电路原理图如图6所示，仿真参数设置为：Q1和Q3的驱动信号分别比Q2滞后4ns和7ns，负载电阻为1.3Ω，滤波电容为100μF，滤波电感为470μH，缓冲电阻为1000Ω，缓冲电感为500nH，互连电感为2μH。图7为没有缓冲电路时3个IGBT的电流波形，图8为应用本实施例后3个IGBT的电流波形。很明显，在应用本实施例后，开通和关断瞬态的过电流大幅降低，开通振荡得到抑制。图9和图10分别为开通和关断瞬态在应用本实施例前后3个IGBT的电流标准差波形。可以看出应用本实施例后IGBT的电流差异减小，从而降低了瞬态的电流不均衡度。
实例2
本实例为本实施例应用于4个IGBT时的情形，电路原理图如图11所示，仿真参数设置为：Q1、Q2和Q4的驱动信号分别比Q3滞后2ns、7ns和5ns，负载电阻为1Ω，滤波电容为100μF，滤波电感为330μH，缓冲电阻为1000Ω，缓冲电感为500nH，互连电感为2μH。图12为没有缓冲电路时4个IGBT的电流波形，图13为应用本实施例后4个IGBT的电流波形。可以看出，本实施例有效地减弱了开通和关断瞬态的电流尖峰，抑制了开通振荡。图14和图15分别为开通和关断瞬态在应用本实施例前后4个IGBT的电流标准差波形，通过比较发现，本实施例减小了IGBT的电流差异，从而降低了开通和关断瞬态的电流不均衡度。
实例3
本实例为本实施例应用于5个IGBT时的情形，由前面的公式计算得到上下互连电感中的并联电感数量分别为6、3、3、6和4、2、2、4，电路原理图如图16所示，仿真参数设置为：Q1、Q3、Q4和Q5的驱动信号分别比Q2滞后5ns、4ns、7ns和2ns，负载电阻为0.75Ω，滤波电容为100μF，滤波电感为220μH，缓冲电阻为1000Ω，缓冲电感为500nH，互连电感为6μH。图17和图18分别为应用本实施例前后5个IGBT的电流波形。通过比较发现，本实施例有效地减小了开通和关断瞬态的电流尖峰，抑制了开通振荡，降低了开通和关断瞬态的电流不均衡度。
本实施例能够实现多个并联IGBT的动态均流，保证IGBT安全稳定运行，同时不需要复杂的电路结构和控制算法，还能避免产生门极环流，抑制开通振荡和过电流，降低IGBT在瞬态的电流不均衡度。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于多IGBT并联的动态均流缓冲电路，其特征在于，包括：
多个并联的IGBT管，其中，并联的每个IGBT管的集电极均连接缓冲电阻和缓冲电感中的一个，所述每个IGBT管的发射极均连接所述缓冲电阻和所述缓冲电感中的另一个；
所有相邻的两个IGBT管中的第一IGBT管集电极如果连接所述缓冲电阻，则所述相邻的两个IGBT管中的第二IGBT管的集电极则连接所述缓冲电感；所述第一IGBT管的发射极如果连接所述缓冲电感，则所述第二IGBT管的发射极则连接所述缓冲电阻；
所有相邻的两个IGBT管的集电极之间连接有第一互连电感；
所有相邻的两个IGBT管的发射极之间连接有第二互连电感。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
所述第一互连电感包括一个电感或者并联的多个电感；和/或，所述第二互连电感包括一个电感或者并联的多个电感。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，在所述第一互连电感和/或所述第二互连电感包括并联的多个电感的情况下，所述并联的多个电感的数量至少是根据所述并联的IGBT管的数量确定的。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述并联的多个电感中的每个电感的电感值相同。
5.根据权利要求2或4所述的电路，其特征在于，在所述多个并联的IGBT管的数量为奇数的情况下，所述第一互连电感和所述第二互连电感的电感值不同，或者，所述第一互连电感和所述第二互连电感包括的并联的电感数量不同。
6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，在所述多个并联的IGBT管的数量为偶数的情况下，所述第一互连电感和所述第二互连电感均为一个电感。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第一互连电感和所述第二互连电感的电感值相同。
8.根据权利要求6或7所述电路，其特征在于，所述多个并联的IGBT管中的首个IGBT管和最后一个IGBT管的集电极之间连接有所述第一互连电感；所述首个IGBT管和最后一个IGBT管的发射极之间连接有所述第二互连电感。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电路，其特征在于，所有的所述缓冲电阻的阻值均相同。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的电路，其特征在于，所有的所述缓冲电感的电感值均相同。
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