一種基于反饋控制的igbt串聯(lián)均壓裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置，該裝置包括狀態(tài)反饋電路及雙閉環(huán)控制電路、IGBT門極驅動電路、靜態(tài)均壓電路和IGBT控制器。本發(fā)明采用有源電壓控制方法，通過對各IGBT集電極和發(fā)射極兩端電壓和門極電壓進行采樣，引入多重閉環(huán)反饋，閉環(huán)負反饋控制使Vce始終無差跟隨設定值，從而實現IGBT直接串聯(lián)中的電壓平衡與過壓抑制。本發(fā)明解決了IGBT器件串聯(lián)應用中各IGBT所承受的電壓不均衡問題，尤其是動態(tài)均壓問題，防止IGBT功率器件工作過程中承受超過其耐壓水平的過電壓而損壞，同時減小了IGBT開通和關斷過程所需要的時間和開關損耗，降低了電力電子裝置的損耗，提高了裝置的可靠性。
【專利說明】—種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子【技術領域】領域,涉及一種基于反饋控制的IGBTQnsulat1ngate bipolar transistor, IGBT)串聯(lián)均壓裝置。

【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率半導體器件在電力系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，尤其是在高壓變頻、直流輸電、電氣牽引、分布式發(fā)電并網以及能源轉換等場合正得到越來越廣泛的應用。而這些換流器大都使用絕緣柵雙極晶體管(insulat1n gate bipolartransistor, IGBT)作為開關器件。
[0003]隨著大功率電力電子裝置的應用范圍不斷的推廣和擴展，對其電壓、電流和功率等級的要求也不斷的提高，由于IGBT器件的容量限制，在進行較大功率變換的場合，如高壓變頻、直流輸電等，尤其是基于電壓源換流器的直流輸電系統(tǒng)。由于目前最高電壓等級的商用IGBT器件只有6500V，在此情況下，如果變流器采用常規(guī)的兩電平拓撲結構，即便使用現有最高耐壓等級的6500V高壓IGBT，仍然無法滿足與6kV及以上等級的供電系統(tǒng)或負載直接連接。
[0004]在現有器件耐壓水平下，提高電力電子裝置額定電壓的主要措施主要包括四類:電力電子變換器串聯(lián)變壓器、采用多電平拓撲結構、電力電子變換器級聯(lián)、功率器件串聯(lián)。弓I入變壓器會大幅度增加整個裝置的成本和體積，采用多電平拓撲電力電子裝置使得裝置的結構和控制算法變得非常復雜，采用變化器級聯(lián)需要引入移相變壓器并且結構也非常復雜。相比之下功率器件直接串聯(lián)相當于提高了器件耐壓水平，理論上是最直接易行的方法，同時不會增加控制算法的難度。
[0005]大功率串聯(lián)IGBT運彳丁中，最關鍵的是串聯(lián)IGBT關斷穩(wěn)態(tài)和開關過程中的電壓均衡問題，分別稱為靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓。
[0006]IGBT串聯(lián)靜態(tài)電壓不均衡主要是由于IGBT漏電流不一致造成。在IGBT的集電極和發(fā)射極之間并聯(lián)均壓電阻，可以很好的解決IGBT串聯(lián)靜態(tài)電壓不均衡問題。IGBT串聯(lián)動態(tài)電壓不均衡產生的原因非常復雜，影響因素也很多，主要包括IGBT自身參數不一致、變流器換流回路參數不一致、驅動電路以及控制信號脈沖的延時等。解決IGBT串聯(lián)動態(tài)均要的方法主要分成兩大部分:利用RCD吸收回路和通過有源的方式調整門極驅動信號的。利用RCD吸收回路方式的主要原理是將不均衡的的瞬態(tài)能量吸收并消耗在IGBT的外電路上，如果這種方式應用在高壓IGBT串聯(lián)電路中，由于高壓IGBT承受的電壓高電流大，使得系統(tǒng)的損耗非常大，造成系統(tǒng)效率低下并且散熱困難。因此亟需一種適合于高壓IGBT串聯(lián)均壓
>j-U ρ?α裝直。


【發(fā)明內容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置，該裝置通過調整門極驅動信號抑制串聯(lián)電路中IGBT之間不平衡的瞬態(tài)能量，可以實現均壓，同時避免了 IGBT及其外電路的過高損耗。
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
[0009]一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置，包括狀態(tài)反饋電路及雙閉環(huán)控制電路、IGBT門極驅動電路、靜態(tài)均壓電路和IGBT控制器；
[0010]所述狀態(tài)反饋電路的第一輸入正極連接IGBT的集電極，狀態(tài)反饋電路的輸入負極連接IGBT的發(fā)射極，狀態(tài)反饋電路的第二輸入正極連接IGBT門極；狀態(tài)反饋電路負責對IGBT的集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce以及IGBT門極電壓Vg進行采樣，經過狀態(tài)反饋電路之后IGBT端電壓實現從強電到弱電的轉換，將狀態(tài)反饋電路采集到的Vce弱電輸出端與控制器輸出的電壓參考值構成雙閉環(huán)控制回路的外環(huán)，將狀態(tài)反饋電路采集到的Vg弱電輸出端與外環(huán)的輸出構成雙閉環(huán)控制回路的內環(huán)，通過內環(huán)控制提高驅動電路的動態(tài)特性；
[0011]所述IGBT門極驅動電路的正極連接IGBT的門極，門極驅動電路的負極連接IGBT的發(fā)射極，IGBT故障信號輸出端連接IGBT控制器的輸入端；IGBT門極驅動電路負責將雙閉環(huán)控制電路輸出的控制信號轉換成IGBT門極驅動電壓，施加在IGBT的門極和發(fā)射極之間，控制IGBT的開通和關斷，IGBT門極驅動電路還可以產生IGBT故障信號；
[0012]所述靜態(tài)均壓電路的正極連接IGBT的集電極，靜態(tài)均壓電路的負極連接IGBT的發(fā)射極；靜態(tài)均壓電路的作用主要是當IGBT處于關斷穩(wěn)定狀態(tài)時平衡串聯(lián)IGBT所承受的電壓；
[0013]所述IGBT控制器的輸出端與狀態(tài)反饋電路外環(huán)電壓參考信號相連接，控制器的輸入端與IGBT驅動電路中IGBT故障狀態(tài)信號端子相連接；IGBT控制器負責輸出狀態(tài)反饋雙閉環(huán)控制的外環(huán)電壓參考值和接受IGBT故障信號。
[0014]進一步，所述狀態(tài)反饋電路包括IGBT集電極和發(fā)射極電壓Vce反饋電路、IGBT門極電壓Vg反饋電路。
[0015]進一步，所述雙閉環(huán)控制回路由若干個校正網絡串聯(lián)而成。
[0016]進一步，所述IGBT門極驅動電路包括功率放大電路、過流保護電路、短路保護電路、有源箝位電路。
[0017]進一步，所述靜態(tài)均壓電路由均壓電阻組成。
[0018]進一步，所述IGBT集電極和發(fā)射極電壓Vce反饋電路主要包括第一分壓電阻、第一濾波環(huán)節(jié)、二極管和第一采樣電阻；
[0019]其中第一分壓電阻一端作為狀態(tài)反饋電路的第一輸入正極，另一端與第一濾波環(huán)節(jié)輸入端連接；第一濾波環(huán)節(jié)輸入端連接第一分壓電阻，第一濾波環(huán)節(jié)輸出端連接二極管的陽極；二極管的陰極與第一采樣電阻相連接，第一采樣電阻的另一端作為狀態(tài)反饋電路的輸入負極。
[0020]進一步，所述IGBT門極電壓Vg反饋電路主要包括第二分壓電阻、第二濾波環(huán)節(jié)和第二采樣電阻。
[0021]其中第二分壓電阻一端作為狀態(tài)反饋電路的第二輸入正極，另一端與第二濾波環(huán)節(jié)輸入端連接；第二濾波環(huán)節(jié)輸入端連接第二分壓電阻，第二濾波環(huán)節(jié)輸出端與第二采樣電阻相連接，第二采樣電阻的另一端作為狀態(tài)反饋電路的輸入負極。
[0022]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明解決了 IGBT器件串聯(lián)應用中各IGBT所承受的電壓不均衡問題，尤其是動態(tài)均壓問題，防止IGBT功率器件工作過程中承受超過其耐壓水平的過電壓而損壞，同時減小了 IGBT開通和關斷過程所需要的時間和開關損耗，降低了電力電子裝置的損耗，提高了裝置的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明:
[0024]圖1為本發(fā)明的原理圖；
[0025]圖2為狀態(tài)反饋電路原理圖；
[0026]圖3為雙閉環(huán)控制電路框圖；
[0027]圖4為靜態(tài)均要電路原理圖。

【具體實施方式】
[0028]下面將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0029]圖1是一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置的原理圖，該裝置包括IGBT均壓電路包括狀態(tài)反饋電路及雙閉環(huán)控制電路、IGBT門極驅動電路、靜態(tài)均壓電路、IGBT控制器；
[0030]其中，狀態(tài)反饋電路的第一輸入正極連接IGBT的集電極，狀態(tài)反饋電路的輸入負極連接IGBT的發(fā)射極，狀態(tài)反饋電路的第二輸入正極連接IGBT門極；狀態(tài)反饋電路主要負責對IGBT的集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce以及IGBT門極電壓Vg進行采樣，經過狀態(tài)反饋電路之后IGBT端電壓實現從強電到弱電的轉換，將狀態(tài)反饋電路采集到的Vce弱電輸出端與控制器輸出的電壓參考值構成雙閉環(huán)控制回路的外環(huán)，將狀態(tài)反饋電路采集到的Vg弱電輸出端與外環(huán)的輸出構成雙閉環(huán)控制回路的內環(huán)，通過內環(huán)控制提高驅動電路的動態(tài)特性。
[0031 ] IGBT門極驅動電路的正極連接IGBT的門極，門極驅動電路的負極連接IGBT的發(fā)射極，IGBT故障信號輸出端連接IGBT控制器的輸入端；IGBT門極驅動電路負責將雙閉環(huán)控制電路輸出的控制信號轉換成IGBT門極驅動電壓，施加在IGBT的門極和發(fā)射極之間，控制IGBT的開通和關斷，IGBT門極驅動電路還可以產生IGBT故障信號。
[0032]靜態(tài)均壓電路的正極連接IGBT的集電極，靜態(tài)均壓電路的負極連接IGBT的發(fā)射極；靜態(tài)均壓電路的作用主要是當IGBT處于關斷穩(wěn)定狀態(tài)時平衡串聯(lián)IGBT所承受的電壓。
[0033]IGBT控制器的輸入端與IGBT驅動電路中IGBT故障狀態(tài)信號端子相連接；控制器的輸出端與狀態(tài)反饋電路外環(huán)電壓參考信號相連接；IGBT控制器主要輸出狀態(tài)反饋雙閉環(huán)控制的外環(huán)電壓參考值和接受IGBT故障信號。
[0034]圖2是狀態(tài)反饋電路原理圖，狀態(tài)反饋電路包括兩部分:IGBT集電極和發(fā)射極電壓Vce反饋電路、IGBT門極電壓Vg反饋電路。其中IGBT集電極和發(fā)射極電壓Vce反饋電路主要包括第一分壓電阻、第一濾波環(huán)節(jié)、二極管和第一采樣電阻；門極電壓Vg反饋電路主要包括第二分壓電阻、第二濾波環(huán)節(jié)和第二采樣電阻。
[0035]其中，第一分壓電阻一端作為狀態(tài)反饋電路的第一輸入正極，另一端與第一濾波環(huán)節(jié)輸入端連接；第一濾波環(huán)節(jié)輸入端連接第一分壓電阻，第一濾波環(huán)節(jié)輸出端連接二極管的陽極；二極管的陰極與第一采樣電阻相連接，第一采樣電阻的另一端作為狀態(tài)反饋電路的輸入負極。
[0036]第二分壓電阻一端作為狀態(tài)反饋電路的第二輸入正極，另一端與第二濾波環(huán)節(jié)輸入端連接；第二濾波環(huán)節(jié)輸入端連接第二分壓電阻，第二濾波環(huán)節(jié)輸出端與第二采樣電阻相連接，第二采樣電阻的另一端作為狀態(tài)反饋電路的輸入負極。
[0037]圖3是雙閉環(huán)控制框圖，雙閉環(huán)控制回路主要由若干個校正網絡串聯(lián)而成；
[0038]其中IGBT門極驅動電路主要由功率放大電路、過流保護電路、短路保護電路、有源箝位電路等組成。
[0039]圖4是IGBT串聯(lián)靜態(tài)均壓電路原理圖，靜態(tài)均壓電路由均壓電阻組成。
[0040]本發(fā)明利用調整門極驅動信號的方式通過調整串聯(lián)電路中各個IGBT的門極電壓，從而抑制串聯(lián)電路中IGBT之間不平衡的瞬態(tài)能量，可以實現均壓，同時避免了 IGBT及其外電路的過高損耗，因此這種方式更加適合于高壓IGBT串聯(lián)電路。
[0041]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
1.一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置，其特征在于:包括狀態(tài)反饋電路及雙閉環(huán)控制電路、IGBT門極驅動電路、靜態(tài)均壓電路和IGBT控制器； 所述狀態(tài)反饋電路的第一輸入正極連接IGBT的集電極，狀態(tài)反饋電路的輸入負極連接IGBT的發(fā)射極，狀態(tài)反饋電路的第二輸入正極連接IGBT門極；所述狀態(tài)反饋電路對IGBT的集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce以及IGBT門極電壓Vg進行采樣，經過狀態(tài)反饋電路之后IGBT端電壓實現從強電到弱電的轉換，狀態(tài)反饋電路采集到的Vce弱電輸出端與控制器輸出的電壓參考值構成雙閉環(huán)控制回路的外環(huán)，狀態(tài)反饋電路采集到的Vg弱電輸出端與外環(huán)的輸出構成雙閉環(huán)控制回路的內環(huán)，通過內環(huán)控制提高驅動電路的動態(tài)特性； 所述IGBT門極驅動電路的正極連接IGBT的門極，門極驅動電路的負極連接IGBT的發(fā)射極，IGBT故障信號輸出端連接IGBT控制器的輸入端；所述IGBT門極驅動電路將雙閉環(huán)控制電路輸出的控制信號轉換成IGBT門極驅動電壓，施加在IGBT的門極和發(fā)射極之間，控制IGBT的開通和關斷，所述IGBT門極驅動電路可以產生IGBT故障信號； 所述靜態(tài)均壓電路的正極連接IGBT的集電極，靜態(tài)均壓電路的負極連接IGBT的發(fā)射極； 所述靜態(tài)均壓電路的作用主要是當IGBT處于關斷穩(wěn)定狀態(tài)時平衡串聯(lián)IGBT所承受的電壓； 所述IGBT控制器的輸出端與狀態(tài)反饋電路外環(huán)電壓參考信號相連接，控制器的輸入端與IGBT驅動電路中IGBT故障狀態(tài)信號端子相連接；所述IGBT控制器負責輸出狀態(tài)反饋雙閉環(huán)控制的外環(huán)電壓參考值和接受IGBT故障信號。
2.根據權利要求1所述的一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置，其特征在于:所述狀態(tài)反饋電路包括IGBT集電極和發(fā)射極電壓Vce反饋電路、IGBT門極電壓Vg反饋電路。
3.根據權利要求1所述的一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置，其特征在于:所述雙閉環(huán)控制回路由若干個校正網絡串聯(lián)而成。
4.根據權利要求1所述的一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置，其特征在于:所述IGBT門極驅動電路包括功率放大電路、過流保護電路、短路保護電路、有源箝位電路。
5.根據權利要求1所述的一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置，其特征在于:所述靜態(tài)均壓電路由均壓電阻組成。
6.根據權利要求2所述的一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置，其特征在于:所述IGBT集電極和發(fā)射極電壓Vce反饋電路主要包括第一分壓電阻、第一濾波環(huán)節(jié)、二極管和第一米樣電阻； 所述第一分壓電阻一端作為狀態(tài)反饋電路的第一輸入正極，另一端與第一濾波環(huán)節(jié)輸入端連接；第一濾波環(huán)節(jié)輸入端連接第一分壓電阻，第一濾波環(huán)節(jié)輸出端連接二極管的陽極；二極管的陰極與第一采樣電阻相連接，第一采樣電阻的另一端作為狀態(tài)反饋電路的輸入負極。
7.根據權利要求2所述的一種基于反饋控制的IGBT串聯(lián)均壓裝置，其特征在于:所述IGBT門極電壓Vg反饋電路主要包括第二分壓電阻、第二濾波環(huán)節(jié)和第二采樣電阻； 所述第二分壓電阻一端作為狀態(tài)反饋電路的第二輸入正極，另一端與第二濾波環(huán)節(jié)輸入端連接；第二濾波環(huán)節(jié)輸入端連接第二分壓電阻，第二濾波環(huán)節(jié)輸出端與第二采樣電阻相連接，第二采樣電阻的另一端作為狀態(tài)反饋電路的輸入負極。
【文檔編號】H02M1/088GK104242614SQ201410491889
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權日:2014年9月24日
【發(fā)明者】童高, 干永革, 繩偉輝, 郝亞川 申請人:中冶賽迪電氣技術有限公司