CN117175911A - 一种基于栅极电阻控制的串联igbt动态均压系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及绝缘栅双极型晶体管均压技术领域，具体公开了一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统及方法，包括IGBT、栅极电阻、并联支路，所述IGBT依次串联，且IGBT均连接有一个栅极电阻，所述栅极电阻均并联有一个并联支路，所述并联支路均由若干阻值不同的电阻并联组成，且每个电阻均分别串联有一个开关，解决了传统的IGBT串联均压方法，难以确定导通和关断延时时间，均压效果不好的问题。

Description

一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统及方法

技术领域

本申请涉及绝缘栅双极型晶体管均压技术领域，具体公开了一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统及方法。

背景技术

随着高压直流输电、储能系统等大功率应用场景的普及，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的使用也越发广泛，而单个IGBT的使用无法满足电路电压要求，需要将多个IGBT串联使用，同时，将多个IGBT串联使用可以提供更好的功率处理能力，实现更低的开关损耗和更高的系统效率。

由于IGBT的静态参数差异、动态特性差异以及外部电路不匹配等，每个IGBT承受的电压可能会存在差异。IGBT串联不均压可能会导致过压的IGBT管受损，导致开关性能降低，降低系统的稳定性和可靠性，甚至对整体电路造成不可逆的损害，严重影响电路安全。因此，应采取合适的均压方法来实现IGBT的串联均压。

栅极电阻控制法是IGBT串联均压方法中的一种，其原理是通过调节IGBT的栅极电阻大小来实现IGBT瞬态电压的变化。通过减小导通和关断时IGBT的栅极电阻，可以加快栅射极电压变化，从而减小串联IGBT的电压差异。相反地，增大IGBT的栅极电阻时，减缓IGBT的电压变化。因此，通过调节串联IGBT的栅极电阻，可以减小串联电压差异，使其趋于均衡。

现有技术中，有针对串联Sic MOSFET器件的电压平衡问题，提供了一种基于有源栅极驱动的电压变化率控制方法，通过改变栅极电阻的大小，来主动调节电压变化率从而使MOSFET达到串联均压的目的。该方法的核心是对于需要降低门极电压的MOSFET，延迟其门极驱动信号，从而使门极驱动电阻维持较高阻值，同样的，该方法也是适用于IGBT串联均压。但是该方法很难确定导通和关断延时时间具体是多少，怎么取值能达到一个较好的均压效果，而且维持较高门极电阻会增加电路功率损耗。

因此，发明人有鉴于此，提供了一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统及方法，以便解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于解决传统的IGBT串联均压方法，难以确定导通和关断延时时间，均压效果不好的问题。

为了达到上述目的，本发明的基础方案提供一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统，包括IGBT、栅极电阻、并联支路；

所述IGBT依次串联，且IGBT均连接有一个栅极电阻，所述栅极电阻均并联有一个并联支路；

所述并联支路均由若干阻值不同的电阻并联组成，且每个电阻均分别串联有一个开关。

进一步，所述并联支路均由三个阻值不同的电阻并联组成，且每个电阻均分别串联有一个开关。

本发明的基础方案还提供一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压方法，包括如下步骤：

步骤S001：进行第一个周期的电压输入控制，收集所有IGBT的电压并计算得出平均电压值；

步骤S002：在计算得出平均电压值后，将每个IGBT的通、断电压值均与平均电压值进行比较，得到该IGBT为单项滞后晶体管、双项滞后晶体管或均不滞后晶体管；

步骤S003：针对单项滞后晶体管和双项滞后晶体管，在下一个周期进行前，根据第一个周期的通、断电压值与平均电压值的偏离度选取不同的开关导通，即可完成均压。

进一步，在进行步骤S001时，对第一个周期的电压输入控制通过开关控制。

进一步，在进行步骤S002时，单项滞后晶体管、双项滞后晶体管和均不滞后晶体管的判断准则如下：

当在第一个周期的关断时间点，所选取的IGBT的电压小于平均电压，并在第一个周期的导通时间点，所选取的IGBT的电压大于平均电压，则表示该IGBT的导通和关断时间滞后于平均值，为双项滞后晶体管；

当所选取的IGBT管仅在关断时间点的电压值小于平均电压，或仅在导通时间点的电压值大于平均电压，则表示该IGBT为单项滞后晶体管；

当所选取的IGBT仅在关断时间点的电压值不小于平均电压，或仅在导通时间点的电压值不大于平均电压，则表示该IGBT为均不滞后晶体管。

本方案的原理及效果在于：

与现有技术相比，本发明设有设置的IGBT串联电路，可实现对各个IGBT之间的动态均压，确保IGBT的安全稳定运行，降低瞬态时的电压不均衡度，保护串联IGBT免受过电压等不良影响，解决了传统的IGBT串联均压方法，难以确定导通和关断延时时间，均压效果不好的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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示出了本申请实施例提出的一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统及方法的原理图；

图2示出了本申请实施例提出的一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统及方法的基于BUCK电路的测试电路原理图；

图3示出了本申请实施例提出的一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统及方法的无均压时关断和导通瞬态的电压波形图；

图4示出了本申请实施例提出的一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统及方法的有均压时关断和导通瞬态的电压波形以及开关的驱动电压波形示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统及方法，实施例如图1所示：

在本实施例中，搭建了一个电路原理图，其中，串联有n个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，图1中，Q代指绝缘栅双极型晶体管，Q_k代指第K个绝缘栅双极型晶体管。

每个绝缘栅双极型晶体管均安装有一个栅极电阻，并均命名为R_g。在本实施例中，每个单独的栅极电阻均并联有三条支路，在其他实施例中，所并联的支路数不得小于两条。在每条支路里均安装有一个电阻和一个开关，在本实施例中，三条支路当中的电阻分别命名为：R_a、R_b和R_c，与之配套的开关分别命名为S₁、S₂和S₃。通过开关的开闭来控制每条支路的导通，且在同一时间，最多只能有一条支路处于导通状态。

通过上述电路连接结构，配套有电压控制方法来进行对串联的绝缘栅双极型晶体管动态均压。

具体的，电压控制方法包括如下步骤：

步骤S001：进行第一个周期的电压输入控制，收集所有绝缘栅双极型晶体管的电压并计算得出平均电压值；

步骤S002：在计算得出平均电压值后，将每个绝缘栅双极型晶体管的通、断电压值均与平均电压值进行比较，得到单项滞后晶体管、双项滞后晶体管和均不滞后晶体管；

步骤S003：针对单项滞后晶体管和双项滞后晶体管，在下一个关断和导通时刻前，根据第一个周期的通、断电压值与平均电压值的偏离度选取不同的开关S导通，接入不同阻值的支路电阻以减小等效栅极电阻阻值，减小绝缘栅双极型晶体管之间的电压差，完成均压。

在进行步骤S001时，对第一个周期的电压输入控制通过开关控制。

在进行步骤S002时，单项滞后晶体管、双项滞后晶体管和均不滞后晶体管的判断准则如下：

当在第一个周期的关断时间点，所选取的绝缘栅双极型晶体管的电压小于平均电压，并在第一个周期的导通时间点，所选取的绝缘栅双极型晶体管的电压大于平均电压，则表示该绝缘栅双极型晶体管的导通和关断时间滞后于平均值，为双项滞后晶体管；

当所选取的绝缘栅双极型晶体管仅在关断时间点的电压值小于平均电压，或仅在导通时间点的电压值大于平均电压，则表示该绝缘栅双极型晶体管为单项滞后晶体管；

当所选取的绝缘栅双极型晶体管仅在关断时间点的电压值不小于平均电压，或仅在导通时间点的电压值不大于平均电压，则表示该绝缘栅双极型晶体管为均不滞后晶体管。

在本实施例中，通过减小导通和关断瞬态IGBT的栅极电阻来实现串联均压的，因此，通过减缓IGBT在瞬态下的电压变化，不会降低开关频率。该调整方式适合于数控系统，而且能够根据IGBT不均压程度适当地调整栅极电阻，均压效果更加明显。

实施例2为将上述动态均压方法及电压控制方法应用于BUCK电路，以图2所示，BUCK电路的基本结构为左下：开关导通时等效电路，右下：开关关断时等效电路。

在本实施例中，将串联IGBT应用于BUCK电路，Q₁和Q₂为两个串联IGBT，参数设定如下：

Q₁的驱动信号比Q₂滞后20ns，直流电源电压V_dc为500V，滤波电容C为1nF，滤波电感L为850μH，D为续流二极管，负载电阻R为15Ω，IGBT的开关频率为20kHz，占空比为50％。无均压时，IGBT的栅极电阻均为30Ω。

在本实施例中，栅极电阻R_g为30Ω，支路电阻R_a、R_b和R_c分别为20Ω、10Ω和5Ω，开关S₁、S₂和S₃导通驱动电压分别为5V、10V和15V。在无均压以及应用本申请的动态均压方法的情况下，IGBT导通与关断电压波形分别如图3和4所示。

两个IGBT串联不采取均压措施，Q₂的驱动信号超前于Q₁时，Q₂的栅-射极电压U_ge会首先变化，那么导通瞬态时其电压下降，则Q₁承受了更高的电压，产生显著的电压尖峰，两个IGBT的电压产生较大差异，对电路安全和稳定造成了很大影响；

在关断瞬态Q₁由于驱动信号滞后因此电压滞后上升，Q₂的电压会先上升，那么Q₂承受更大的电压，如图3所示。在本实施例中，为了缓解电压不均衡情况，通过降低Q₁的栅极电阻，使得Q₁的电压变化速度更快，减小两个IGBT之间的电压差，实现串联均压。第一个导通时刻电压偏离度若为95％-100％，则驱动电压为0V；若为80％-95％，则驱动电压为6V；若为50％-80％，则驱动电压为11V；否则驱动电压为16V。第一个关断时刻电压偏离度若为97％-100％，则驱动电压为0V；若为95％-97％，则驱动电压为6V；若为90％-95％，则驱动电压为11V；否则驱动电压为16V。根据电压偏离度大小，在IGBT下一个导通时刻前驱动电压为11V，导通Q₁支路S₂，关断时刻前驱动电压为16V，导通Q₁支路S₃，并联不同支路电阻，不同程度地减小栅极电阻，使得Q₁的电压变化率增加，降低了电压不均衡度，更加精确地实现串联均压的目的，有利于IGBT的性能优化以及系统的安全稳定运行，如图4所示。

结合实施例1和实施例2，在应用了本申请的方法的IGBT串联电路中，可实现对各个IGBT之间的动态均压，确保IGBT的安全稳定运行，降低瞬态时的电压不均衡度，保护串联IGBT免受过电压等不良影响。与现有技术相比，本申请的动态均压方法更加精准的调节栅极电阻的大小，串联均压效果更明显。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统，其特征在于：包括IGBT、栅极电阻、并联支路；

所述IGBT依次串联，且IGBT均连接有一个栅极电阻，所述栅极电阻均并联有一个并联支路；

所述并联支路均由若干阻值不同的电阻并联组成，且每个电阻均分别串联有一个开关。

2.根据权利要求1所述的一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压系统，其特征在于，所述并联支路均由三个阻值不同的电阻并联组成，且每个电阻均分别串联有一个开关。

3.根据权利要求2所述的一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S001：进行第一个周期的电压输入控制，收集所有IGBT的电压并计算得出平均电压值；

步骤S002：在计算得出平均电压值后，将每个IGBT的通、断电压值均与平均电压值进行比较，得到该IGBT为单项滞后晶体管、双项滞后晶体管或均不滞后晶体管；

步骤S003：针对单项滞后晶体管和双项滞后晶体管，在下一个周期进行前，根据第一个周期的通、断电压值与平均电压值的偏离度选取不同的开关导通，即可完成均压。

4.根据权利要求3所述的一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压方法，其特征在于，在进行步骤S001时，对第一个周期的电压输入控制通过开关控制。

5.根据权利要求3所述的一种基于栅极电阻控制的串联IGBT动态均压方法，其特征在于，在进行步骤S002时，单项滞后晶体管、双项滞后晶体管和均不滞后晶体管的判断准则如下：

当在第一个周期的关断时间点，所选取的IGBT的电压小于平均电压，并在第一个周期的导通时间点，所选取的IGBT的电压大于平均电压，则表示该IGBT的导通和关断时间滞后于平均值，为双项滞后晶体管；

当所选取的IGBT管仅在关断时间点的电压值小于平均电压，或仅在导通时间点的电压值大于平均电压，则表示该IGBT为单项滞后晶体管；

当所选取的IGBT仅在关断时间点的电压值不小于平均电压，或仅在导通时间点的电压值不大于平均电压，则表示该IGBT为均不滞后晶体管。