CN204271905U - 一种串联igbt均压电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种串联IGBT均压电路，包括至少两个串联的主IGBT，每个主IGBT与一个电压检测电路并联，每个电压检测电路与一个电压比较器的正输入端连接，每个电压比较器与一个辅助IGBT的栅极连接，每个辅助IGBT的发射极与对应的主IGBT的发射极连接；所有的辅助IGBT集电极均与辅助缓冲支路连接；所述辅助缓冲支路与所有主IGBT的集电极连接。本实用新型结构简单，只包含一个辅助缓冲支路，共用一个缓冲电容，简化了电路结构，并能很好地实现电路的电压均衡，电路反应速度快，损耗较低；电压比较器对过电压采样信号进行比较处理，能避免辅助IGBT阀值浮动，从而可以提高电路采样精度和灵活性，更利于批量生产。

Description

一种串联IGBT均压电路

技术领域

本实用新型涉及一种串联IGBT均压电路。 

背景技术

随着IGBT技术的成熟和容量的提高，IGBT的应用越来越广泛，但由于IGBT的开通和关断速度快，受电路的杂散电感影响和串联的IGBT分压的不均衡，需要通过RCD缓冲电路来抑制IGBT集电极发射极关断过电压。特别在海上风力发电、轻型直流输电等大功率IGBT的应用场合中，通常在每一个IGBT的集电极和发射极两端并联RCD缓冲电路来抑制过电压从而实现电压均衡。传统的IGBT串联中的RCD缓冲电路是通过电容对电压的抑制作用来减小过电压尖峰的出现。当IGBT串联阀开始关断，IGBT的集电极-发射极开始承受电压，此时并联在IGBT集电极-发射极的缓冲电容就开始充电来减缓关断速度，直到关断结束IGBT的集电极-发射级电压恒定后，缓冲电容才停止工作。为下一个关断做准备，缓冲电容上吸收的能量将在IGBT导通时间内通过电阻释放。

RCD缓冲电路特点是电路简单，可靠性好，但是RCD缓冲电路吸收的能量直接消耗在电阻上，因而损耗比较大，而且缓冲电容的体积比较大，成本较高。缓冲电容的大小和关断时间是一对矛盾的参数，缓冲电容越大，均压效果会更好，但是关断时间会延长，因而相应损耗会增加。但是缓冲电容较小时，虽然关断时间较短，但是IGBT集电极-发射极两端承受的过电压尖峰可能较大，从而均压效果可能会不是很理想。正常情况下，IGBT栅极不同步在20ns以内，因而正常情况下栅极延时引起的电压不均衡较小，因而在IGBT的集电极-发射极并联一个较小的缓冲电容即可满足均压需求。但是当出现特殊情况的栅极信号不同步时间较长或其他原因引起电压不均衡比较大时，为了确保IGBT串联换流阀能正常工作，需要较大的缓冲电容才能抑制过电压尖峰，实现较好的均压效果。在实际的工程应用中，必须从系统的稳定可靠性考虑，因此IGBT串联换流阀是针对最极端情况来选择缓冲电容的大小，导致IGBT串联阀的关段时间较长，关断损耗较大。

现有的解决上述问题的串联IGBT均压电路见图1，其缺陷是包括多个独立的辅助缓冲支路，每个辅助缓冲支路中包括一个电容，电容数量较多，当多个主IGBT上出现过电压时，无法实现电压均衡；辅助IGBT阀值容易浮动，导致电路采样精度和灵活度低，不便于批量生产。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种构串联IGBT均压电路，简化电路结构，实现电压均衡，提高电路反应速度，降低损耗，解决现有电路辅助IGBT阀值容易浮动的问题，提高电路采样精度和灵活度。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种串联IGBT均压电路，包括至少两个串联的主IGBT，每个主IGBT与一个电压检测电路并联，每个电压检测电路与一个电压比较器的正输入端连接，每个电压比较器与一个辅助IGBT的栅极连接，每个辅助IGBT的发射极与对应的主IGBT的发射极连接；所有的辅助IGBT集电极均与辅助缓冲支路连接；所述辅助缓冲支路与所有主IGBT的集电极连接；所述电压比较器的负输入端输入参考电压。

本实用新型主IGBT数量为两个；第一主IGBT和第二主IGBT的集电极和发射极之间分别并联有第一电压检测电路、第二电压检测电路；所述第一电压检测电路、第二电压检测电路分别与第一电压比较器的正输入端、第二电压比较器的正输入端连接；所述第一电压比较器的输出端、第二电压比较器的输出端与第一辅助IGBT的栅极、第二辅助IGBT的栅极连接；所述第一辅助IGBT的发射极、第二辅助IGBT的发射极分别与所述第一主IGBT的发射极、第二主IGBT的发射极连接；所述第一辅助IGBT的集电极、第二辅助IGBT的集电极均与辅助缓冲支路连接。

所述辅助缓冲支路包括缓冲电容；所述第一辅助IGBT、第二辅助IGBT的集电极均与缓冲电容一端连接，所述缓冲电容另一端并联接入两个二极管阴极之间，所述两个二极管阳极分别与第一主IGBT集电极、第二主IGBT集电极连接；所述缓冲电容与放电电阻并联。该辅助缓冲支路结构简单，实现方便，且整个电路中只有一个辅助缓冲支路，大大简化了电路结构，并能很好地实现电路的电压均衡，降低了电路损耗。

所述第一电压检测电路和第二电压检测电路结构相同；所述第一电压检测电路包括第一电阻均压支路和第一电压跟随器；所述第一电阻均压支路与第一主IGBT连接的RCD缓冲支路并联，所述第一电压跟随器正输入端与所述第一电阻均压支路中点连接；所述第一电压跟随器输出端与所述第一电压比较器的正输入端连接。

所述主IGBT和所述电压检测电路之间接有RCD缓冲支路，且所述RCD缓冲支路与所述电压检测电路并联。

所述RCD缓冲支路中的电容容值小于所述缓冲电容容值的1/5。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型结构简单，只包含一个辅助缓冲支路，共用一个缓冲电容，简化了电路结构，当多个串联IGBT上出现电压不均衡时，共用IGBT能强制实现电压的均衡，从而更好地实现电路的电压均衡，电路反应速度快，损耗较低；多个串联IGBT仅共用一个缓冲电容，当多个IGBT上出现过电压时，能强行调节电压均衡；电压比较器对过电压采样信号进行比较处理，能避免辅助IGBT阀值浮动，从而可以提高电路采样精度和灵活性，更利于批量生产。

附图说明

图1为现有的IGBT缓冲电路原理图；

图2为本实用新型实施例一电路原理图；

图3为本实用新型实施例二电路原理图。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型实施例一包括第一主IGBT 和第二主IGBT ，第一主IGBT 和第二主IGBT 串联，第一主IGBT 和第二主IGBT 的集电极和发射极之间分别并联有由、；、串联而成的均压支路；第一电压跟随器的正输入端并联接入、之间，第二电压跟随器的正输入端并联接入、之间；、的输出端分别与第一电压比较器正输入端、第二电压比较器正输入端连接，第一电压比较器输出端、第二电压比较器输出端分别与第一辅助IGBT 、第二辅助IGBT 的栅极连接；第一辅助IGBT 发射极、第二辅助IGBT 发射极分别与第一主IGBT发射极、第二主IGBT发射极连接；第一辅助IGBT 、第二辅助IGBT 的集电极均与缓冲电容一端连接；缓冲电容另一端并联接入二极管、阴极之间，二极管、阳极分别与第一主IGBT 和第二主IGBT 的集电极连接；缓冲电容与放电电阻R₀并联；第一电压比较器负输入端、第二电压比较器负输入端输入阀值电压（参考电压）。

若串联的主IGBT均压效果比较理想，主IGBT集电极-发射极出现的过电压比较小时， R_x1和R_x2（）作为静态均压电阻，和检测的电压低于Z_Fx的阀值电压，从而的栅极-发射极电压将低于阀值电压，因此辅助缓冲支路不起作用。正常情况下IGBT换流阀器件栅极信号同步较为理想因而IGBT电压不均衡较小，只需要较小的电容即可满足IGBT串联阀的电压不均衡抑制要求，因此该实用新型能有效地减小正常工作状态下的关断时间，从而减小了关断损耗。若IGBT均压效果不是很理想，即某个主IGBT上出现较大的电压时（此时另一个主IGBT上分压较小），和上的分压超过的阀值电压，从而使对应的辅助IGBT导通。电压跟随器一方面使检测的电压不受右侧辅助缓冲电路的干扰；另一方面能增加驱动能力，从而当需要导通来抑制过电压时快速导通。二极管D_x2防止电流倒流，R₀的作用是作为辅助缓冲电路电容的放电电阻。

多个串联IGBT仅共用一个缓冲电容，当多个IGBT上出现过电压时，能强行调节电压均衡。因此该电路可以省去一套RCD缓冲电路。

当串联IGBT电压不均衡较明显，某个IGBT集电极-发射极出现过电压时，电压比较器的正输入端电压将大于负输入端设定的参考电压。从而输出高电平使辅助IGBT导通，避免辅助IGBT阀值浮动，从而可以提高电路采样精度和灵活性，一定程度上实现过电压的抑制以及电压的均衡。

如图3所示，本实用新型实施例二包括第一主IGBT 和第二主IGBT ，第一主IGBT 和第二主IGBT 串联，第一主IGBT 和第二主IGBT 的集电极和发射极之间分别并联有第一RCD缓冲支路、第二RCD缓冲支路，第一RCD缓冲支路、第二RCD缓冲支路分别与由、；、串联而成的两个电阻均压支路并联；第一电压跟随器的正输入端并联接入、之间，第二电压跟随器的正输入端并联接入、之间；、的输出端分别与第一电压比较器的正输入端、第二电压比较器的正输入端连接，第一电压比较器的输出端、第二电压比较器的输出端分别与第一辅助IGBT 、第二辅助IGBT 的栅极连接；第一辅助IGBT 发射极、第二辅助IGBT 发射极分别与第一主IGBT发射极、第二主IGBT发射极连接；第一辅助IGBT 、第二辅助IGBT 的集电极均与缓冲电容一端连接；缓冲电容另一端并联接入二极管、阴极之间，二极管、阳极分别与第一主IGBT 和第二主IGBT 的集电极连接；缓冲电容与放电电阻R₀并联。

若串联的主IGBT均压效果比较理想，IGBT集电极-发射极出现的过电压比较小时，和作为静态均压电阻（），作为动态均压电路。电阻检测的电压低于辅助IGBT的阀值电压，从而不导通，因此辅助缓冲支路不起作用，即同于仅有辅助缓冲单元参与的工作的情况。因为电容取值较小（小于值的1/5），从而IGBT换流阀的关断时间和功率损耗也较小，正常情况下IGBT换流阀器件栅极信号同步较为理想因而电压不均衡较小，只需要较小的电容即可满足要求，因此本实用新型能有效地减小的正常工作状态下的关断时间，从而减小了关断损耗。若IGBT均压效果不是很理想，即某个主IGBT上出现较大的电压时（此时另一个IGBT上分压较小）。任意一个IGBT集电极-发射极电压还没有达到设定的过电压检测电路参考值以前，仍然只有辅助缓冲单元工作。组成的RCD缓冲单元不起作用。当或者的集电极发射极电压达到设定的过电压参考值，上的分压超过的阀值电压，从而使对应的辅助IGBT导通，和都作为缓冲单元参与过电压的抑制，由于较大（大于5），因而对产生的过电压具有很好的抑制效果。二极管D_x2防止电流的倒流，R₀的作用是作为辅助缓冲电路电容的放电电阻。

当串联IGBT电压不均衡较明显从而出现某个主IGBT集电极-发射极出现过电压时，电压比较器REF_x的正输入端电压将大于负输入端设定的参考电压。从而输出高电平使辅助IGBT导通，实现过电压的抑制，避免了辅助IGBT阀值浮动问题，能够提高采样精度和灵活度。

本实用新型多个主IGBT串联时共用一个辅助缓冲支路，即共用一个缓冲电容，两个主IGBT串联，若电压分配不均，该缓冲电容抑制过电压较大的主IGBT上的过电压。但是当多个IGBT串联时，可能存在多个主IGBT上出现过电压的情况，此时出现过电压的主IGBT对应的辅助IGBT会处于导通状态，从而使缓冲电容并联在多个主IGBT上，使出现过电压的主IGBT的电压强行与电容电压相等，达到电压均衡的目的。

Claims (6)

1.一种串联IGBT均压电路，包括至少两个串联的主IGBT，其特征在于，每个主IGBT与一个电压检测电路并联，每个电压检测电路与一个电压比较器的正输入端连接，每个电压比较器与一个辅助IGBT的栅极连接，每个辅助IGBT的发射极与对应的主IGBT的发射极连接；所有的辅助IGBT集电极均与辅助缓冲支路连接；所述辅助缓冲支路与所有主IGBT的集电极连接；所述电压比较器的负输入端输入参考电压。

2.根据权利要求1所述的串联IGBT均压电路，其特征在于，所述主IGBT数量为两个；第一主IGBT和第二主IGBT的集电极和发射极之间分别并联有第一电压检测电路、第二电压检测电路；所述第一电压检测电路、第二电压检测电路分别与第一电压比较器的正输入端、第二电压比较器的正输入端连接；所述第一电压比较器的输出端、第二电压比较器的输出端与第一辅助IGBT的栅极、第二辅助IGBT的栅极连接；所述第一辅助IGBT的发射极、第二辅助IGBT的发射极分别与所述第一主IGBT的发射极、第二主IGBT的发射极连接；所述第一辅助IGBT的集电极、第二辅助IGBT的集电极均与辅助缓冲支路连接。

3.根据权利要求2所述的串联IGBT均压电路，其特征在于，所述第一电压检测电路和第二电压检测电路结构相同；所述第一电压检测电路包括第一电阻均压支路和第一电压跟随器；所述第一电阻均压支路与第一主IGBT连接的RCD缓冲支路并联，所述第一电压跟随器正输入端与所述第一电阻均压支路中点连接；所述第一电压跟随器输出端与所述第一电压比较器的正输入端连接。

4.根据权利要求3所述的串联IGBT均压电路，其特征在于，所述辅助缓冲支路包括缓冲电容；所述第一辅助IGBT、第二辅助IGBT的集电极均与缓冲电容一端连接，所述缓冲电容另一端并联接入两个二极管阴极之间，所述两个二极管阳极分别与第一主IGBT集电极、第二主IGBT集电极连接；所述缓冲电容与放电电阻并联；所述缓冲电容容值大于5                                               。

5.根据权利要求1所述的串联IGBT均压电路，其特征在于，所述主IGBT和所述电压检测电路之间接有RCD缓冲支路，且所述RCD缓冲支路与所述电压检测电路并联。

6.根据权利要求5所述的串联IGBT均压电路，其特征在于，所述RCD缓冲支路中的电容容值小于所述缓冲电容容值的1/5。