專利名稱：帶有過流保護功能的自適應igbt串聯均壓電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力電子技術領域，涉及IGBT的控制與保護電路，更具體地說是一種適用于基于IGBT串聯的柔性直流輸電、電力電子變壓器、高壓變頻器等高壓場合的IGBT控制與保護電路。
背景技術：
絕緣柵雙極型晶體管Gnsulated Gate Bipolar Transistor-—IGBT)因其具有較高的額定電壓和額定電流、開關速度快、易于驅動等優(yōu)點，目前已成為大功率電能變換應用中的最佳選擇，得到了廣泛的應用。目前IGBT單管的耐壓值還非常有限，遠不能滿足高電壓場合的應用。盡管國內外有許多廠家正在研制大容量IGBT器件，但目前尚無可以直接應用于IOkv及以上的場合的商用化產品；因而對IGBT進行串聯使用，提高其耐壓值，使之適用于柔性直流輸電、電力電子變壓器、高壓變頻器等高壓場合，具有十分重要的意義。實現IGBT串聯需解決的關鍵問題在于如何確保各串聯器件的動、靜態(tài)電壓均衡， 尤其是動態(tài)電壓均衡，以防止器件因過電壓而損壞。引起串聯器件動、靜態(tài)電壓不均衡的主要原因有
UIGBT關斷阻抗的不一致(靜態(tài)均壓)——IGBT關斷后，串聯器件中流過的漏電流是相同的，因此不同的關斷阻抗會造成IGBT的靜態(tài)電壓不均衡，此外器件的結溫差異同樣會影響靜態(tài)均壓。2、驅動信號的不一致和驅動電路參數的差異——驅動信號的不一致和驅動電路參數的差異，將導致IGBT柵極驅動信號的延遲，從而極大地影響了 IGBT集電極.發(fā)射極電壓的均衡。關斷時，先關斷的器件會產生很高的過電壓，同理，開通時滯后導通的器件也會承受較高過電壓。3、IGBT本身寄生參數的離散性——器件寄生電感、寄生電容等特性不一致(尤其是寄生電容)，會導致不同的開關特性和電壓尖峰。串聯IGBT在關斷過程中，關斷速度較快的器件要承受很高的過電壓，開通過程中導通較慢的器件也會承受較高過電壓。4、反向二極管恢復特性的差異——在感性負載情況下，IGBT開通時與續(xù)流二極管之間存在一個換流過程，由于二極管的反向恢復問題，在IGBT開通瞬間，會在續(xù)流二極管兩端產生過電壓。在橋式電路中IGBT通常與二極管反向并聯，二極管兩端的過電壓即為 IGBT的過電壓。串聯IGBT的均壓控制方法可以分為無源緩沖法、驅動耦合平衡法、有源電壓鉗位法和柵極主動控制法等四類。無源緩沖法就是在每個IGBT上并聯電容、電阻、電抗器、半導體二極管或者它們所組合成的電路，以此來改善IGBT開關瞬間電壓、電流的特性，達到平衡電壓的目的。這種緩沖電路結構簡單，設計也相對容易，但由于其直接與高電壓大電流設備相連接，器件需要有很高的功率等級，使用成本比較高。此外，緩沖電路是在開關動作瞬間進行工作，勢必會降低電路的工作頻率。因此，這種均壓方法僅適應于工作頻率和功率等級不高的場合。
驅動耦合平衡法是將串聯IGBT的每一路驅動信號通過變壓器耦合在一起，如果其中一路驅動信號發(fā)生了延時，由于耦合變壓器的存在，驅動電流仍然一致。這樣保證了串聯IGBT柵-射極電容電壓同步增加，從而實現動態(tài)均壓。但這種均壓方法對由驅動信號的不一致產生的電壓不均衡有較好的抑制效果，但對因器件參數的分散性引起的電壓不均衡沒有控制效果。有源電壓鉗位法通過控制柵極電壓或注入到柵極的電流來保證串聯IGBT的端電壓小于一個限定值。這種方法會產生三個問題電壓比較電路帶來驅動信號的延時，在反饋和控制回路中使用太多的運算放大器會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，柵極電壓有可能會過調節(jié)，從而導致串聯上下橋臂的直通短路。柵極主動控制法是通過反饋回路將IGBT端電壓反饋至控制電路，與設定的標準開關曲線比較，根據比較結果對IGBT柵極電壓進行相應的調整，使端電壓跟蹤設定的標準曲線。此方法的控制電路由參考電壓發(fā)生電路、反饋回路等部分組成，控制電路復雜，可靠性較差且難以實現。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為避免上述現有技術存在的不足之處，提供一種串聯IGBT的均壓、 保護電路，從而全方位解決IGBT串聯均壓難題。本發(fā)明通過自適應均壓電路檢測IGBT端電壓，并在過壓時自動調控柵極電壓，有效實現串聯運行的IGBT的動態(tài)均壓；同時可在IGBT 過流運行時，通過過流保護電路檢測端電壓過限，自動調節(jié)柵極，促使IGBT暫時或完全截止，防止回路出現短路故障。本發(fā)明在解決技術問題時采用如下技術方案
本發(fā)明——帶有過流保護功能的自適應IGBT串聯均壓電路的結構特點是通過自適應均壓電路對串聯IGBT進行動、靜態(tài)均壓，并通過過流保護電路防止回路出現短路故障。帶有過流保護功能的自適應IGBT串聯均壓電路，包括自適應均壓電路，所述自適應均壓電路是由高速運算放大器A，基準電壓源V2，以及時序控制電路構成，在IGBT關斷過程中，由并聯在絕緣柵雙極型晶體管CE端的串聯電阻Rl和R2將端電壓取樣輸出至運算放大器A的輸入端，與基準電壓V2進行比較；若端電壓發(fā)生過壓，運算放大器A將輸出有效信號，控制時序控制電路輸出一定時長的高電平至IGBT柵極，促使端電壓降至正常范圍。還包括過流保護電路，所述過流保護電路是由比較器C，基準電壓源VI，上升延時電路，以及與門構成；在IGBT導通過程中，由并聯在絕緣柵雙極型晶體管CE端的串聯電阻 Rl和R2將絕緣柵雙極型晶體管的導通壓降Vce取樣輸出至比較器C的輸入端，與基準電壓 Vl進行比較；若絕緣柵雙極型晶體管的集電極電流過流，絕緣柵雙極型晶體管的導通壓降 Vce將超出正常范圍，比較器C將輸出高電平至與門的輸入端；同時PWM信號輸出的高電平經上升延時電路后引入至與門的另一輸入端，與門將輸出高電平，控制PWM信號輸出低電平促使絕緣柵雙極型晶體管截止，以達到避免回路短路的效果。所述上升延時電路在檢測到PWM發(fā)出低電平時原樣輸出，在檢測到PWM發(fā)出上升沿(低電平轉換成高電平)時會延遲10微秒再輸出高電平，延時期間內仍輸出低電平。此上升延時電路的目是為了保證在PWM發(fā)出上升沿后，IGBT有足夠的時間由截止態(tài)轉換至導通態(tài)。因為在IGBT由截止態(tài)轉換至導通態(tài)的中間過程中，比較器C的輸出也是高電平，如沒有上升延時電路，與門會輸出高電平致使過流保護電路誤動作。本發(fā)明的結構特點也在于所述的并聯在IGBT的CE端的串聯電阻Rl和R2組成靜態(tài)均壓電路，保證靜態(tài)均壓效果，其中Rl為兆歐姆級。與已有技術相比，本發(fā)明有益效果體現在
1、本發(fā)明的自適應均壓電路的原理是檢測到過壓后通過時序控制電路再輸出一定時長的高電平至IGBT的柵極，促使柵極再短暫導通，從而快速降低IGBT的端電壓至正常范圍。這種一次性的調節(jié)不會出現由于連續(xù)性調節(jié)而引起的振蕩，既降低了功率，又沒有因過分調節(jié)而引起上下橋臂通路的風險。2、本發(fā)明的自適應均壓電路由高速運算放大器進行控制，反饋速度快，電路結構簡單，易于實現，具有較高的可靠性和精確性。3、本發(fā)明的過流保護電路可以在IGBT導通過流時有效監(jiān)測到過流信號并防止短路發(fā)生。由于上升延時電路的加入，可杜絕誤動作。4、本發(fā)明中除了在選擇性工作的時序控制電路和上升延時電路有電容元件之外， 沒有用于吸收過沖電壓的阻、容性緩沖電路存在，即降低了功耗，又可保證IGBT工作于較
高的工作頻率。


圖1為本發(fā)明電路原理圖。圖2為時序控制電路原理圖。圖3為上升延時電路原理圖。圖4為4只耐壓1200V的IGBT使用本發(fā)明所述電路進行驅動后的實際波形。圖5為圖3所示波形上升沿的放大圖像，以觀察IGBT的關斷時間。圖6為圖3所示波形下降沿的放大圖像，以觀察IGBT的開通時間。以下通過具體實施方式
，并結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
具體實施例方式圖1所示，在IGBT關斷過程中，由并聯在CE端的串聯電阻Rl和R2將端電壓取樣輸出至運算放大器A的輸入端，與基準電壓V2進行比較若端電壓在正常范圍內，運算放大器A輸出低電平，時序控制電路不工作，PWM的低電平波形原樣輸出至IGBT柵極，不改變 IGBT的關斷狀態(tài)。若端電壓發(fā)生過壓，運算放大器A將輸出高電平，通過時序控制電路輸出一定時長的高電平至IGBT柵極，促使端電壓降至正常范圍內。在IGBT導通過程中，由并聯在CE端的串聯電阻Rl和R2將Vce取樣輸出至比較器C的輸入端，與基準電壓Vl進行比較若IGBT的集電極電流在正常范圍內，IGBT的導通壓降Vce較小，比較器C輸出低電平，與門輸出低電平。若IGBT的集電極電流過流，IGBT 的導通壓降Vce將超出正常范圍，比較器C將輸出高電平至圖中與門的上輸入端；由于此時 PWM輸出的是高電平(IGBT處于導通態(tài))，經上升延時電路后將高電平輸入至與門的下輸入端，與門將輸出高電平，反饋至PWM使其輸出低電平促使IGBT截止，關斷回路中的電流，以達到避免回路短路的效果。圖2中時序控制電路由電阻R3，電容C3、快速二極管D3、非門，以及兩路互斥的三態(tài)門組成。電路的輸入信號是作為源信號的PWM信號和作為控制信號的運算放大器A的輸出信號。PWM信號同時輸入至兩路互斥的三態(tài)門；控制信號A經過反相器后得到A反信號， A與A反分別控制這兩路互斥的三態(tài)門，使其不能同時導通——即PWM信號在某一時刻只能經過某一路三態(tài)門后輸出。由A反控制的那路三態(tài)門中接入R3、C3和D3組成的放電延時電路，其結構為D3并聯在R3兩端后與C3串聯，D3正極為輸入，D3負極為輸出。整個時序控制電路的工作過程為若IGBT端電壓處于正常范圍內，運算放大器A輸出低電平，圖中下面一路三態(tài)門導通(上面一路三態(tài)門截止)，PWM波形直接輸出至IGBT柵極。若IGBT端電壓過壓，運算放大器A輸出高電平，圖中上面一路三態(tài)門導通(下面一路三態(tài)門截止)，R3、 C3、D3組成的放電延時電路使PWM波形在由高電平向低電平轉換時，延長約5微秒高電平， 促使IGBT柵極繼續(xù)導通一段時間，使得過壓消除。圖3中上升延時電路由電阻R4，電容C4，快速二極管D4和緩沖器組成。D4反并聯在R4兩端后與C4串聯。信號由D4負極輸入，從D4正極輸出，經過緩沖器后得到輸出信號。上升延時電路的工作過程為在PWM發(fā)出低電平時仍原樣輸出低電平；在PWM發(fā)出上升沿(低電平轉換成高電平)時會延遲10微秒再輸出高電平，延時期間內仍輸出低電平。此上升延時電路的目是為了保證在PWM發(fā)出上升沿后，IGBT有足夠的時間由截止態(tài)轉換至導通態(tài)。因為在IGBT由截止態(tài)轉換至導通態(tài)的中間過程中，由于IGBT的端電壓仍較高，比較器 C會輸出高電平，如沒有上升延時電路，此過程中過流保護電路會誤動作。圖4中給出了 4只耐壓1200V的IGBT直接串聯，并使用本發(fā)明所述電路進行驅動后，示波器上觀測到的實際波形?？梢钥吹剑捎谧赃m應均壓電路的使用，IGBT截至瞬間的電壓過沖被完全消除；且在整個截止周期內，4路波形的電壓穩(wěn)定性均較好，很好的實現了動靜態(tài)均壓的效果。圖5中可以看到，使用本發(fā)明電路驅動后，串聯IGBT的關斷時間約為3微秒。圖6中可以看到，使用本發(fā)明電路驅動后，串聯IGBT的開通時間約為3微秒。
權利要求
1.帶有過流保護功能的自適應IGBT串聯均壓電路，其特征在于，包括自適應均壓電路，所述自適應均壓電路是由高速運算放大器A，基準電壓源V2，以及時序控制電路構成， 在IGBT關斷過程中，由并聯在絕緣柵雙極型晶體管CE端的串聯電阻Rl和R2將端電壓取樣輸出至運算放大器A的輸入端，與基準電壓V2進行比較；若端電壓發(fā)生過壓，運算放大器 A將輸出有效信號，控制時序控制電路輸出一定時長的高電平至IGBT柵極，促使端電壓降至正常范圍。
2.根據權利要求1所述的帶有過流保護功能的自適應IGBT串聯均壓電路，其特征在于，還包括過流保護電路，所述過流保護電路是由比較器C，基準電壓源VI，上升延時電路， 以及與門構成；在IGBT導通過程中，由并聯在絕緣柵雙極型晶體管CE端的串聯電阻Rl和 R2將絕緣柵雙極型晶體管的導通壓降Vce取樣輸出至比較器C的輸入端，與基準電壓Vl進行比較；若絕緣柵雙極型晶體管的集電極電流過流，絕緣柵雙極型晶體管的導通壓降Vce 將超出正常范圍，比較器C將輸出高電平至與門的輸入端；同時PWM信號輸出的高電平經上升延時電路后引入至與門的另一輸入端，與門將輸出高電平，控制PWM信號輸出低電平促使絕緣柵雙極型晶體管截止，以達到避免回路短路的效果。
3.根據權利要求2所述的帶有過流保護功能的自適應IGBT串聯均壓電路，其特征在于，所述上升延時電路在檢測到PWM信號發(fā)出低電平時原樣輸出，在檢測到PWM信號發(fā)出上升沿時會延遲10微秒再輸出高電平，延時期間內仍輸出低電平。
4.根據根據權利要求1所述的帶有過流保護功能的自適應IGBT串聯均壓電路，其特征在于，所述電阻Rl為兆歐姆級。
全文摘要
帶有過流保護功能的自適應IGBT串聯均壓電路，包括自適應均壓電路，所述自適應均壓電路是由高速運算放大器A，基準電壓源V2，以及時序控制電路構成，在IGBT關斷過程中，由并聯在絕緣柵雙極型晶體管CE端的串聯電阻R1和R2將端電壓取樣輸出至運算放大器A的輸入端，與基準電壓V2進行比較；若端電壓發(fā)生過壓，運算放大器A將輸出有效信號，控制時序控制電路輸出一定時長的高電平至IGBT柵極，促使端電壓降至正常范圍。本發(fā)明降低了功率，避免過分調節(jié)而引起上下橋臂通路的風險。
文檔編號H02H9/04GK102208800SQ20111015245
公開日2011年10月5日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權日2011年6月9日
發(fā)明者侯凱, 劉驥, 盧文兵, 姚建國, 楊勝春, 范鎮(zhèn)淇, 董長城, 趙曉冬, 黃福祥 申請人:國網電力科學研究院