[发明专利]带有过流保护功能的自适应IGBT串联均压电路

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及IGBT的控制与保护电路，更具体地说是一种适用于基于IGBT串联的柔性直流输电、电力电子变压器、高压变频器等高压场合的IGBT控制与保护电路。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor---IGBT)因其具有较高的额定电压和额定电流、开关速度快、易于驱动等优点，目前已成为大功率电能变换应用中的最佳选择,得到了广泛的应用。目前IGBT单管的耐压值还非常有限，远不能满足高电压场合的应用。尽管国内外有许多厂家正在研制大容量IGBT器件，但目前尚无可以直接应用于10kv及以上的场合的商用化产品；因而对IGBT进行串联使用，提高其耐压值，使之适用于柔性直流输电、电力电子变压器、高压变频器等高压场合，具有十分重要的意义。

实现IGBT串联需解决的关键问题在于如何确保各串联器件的动、静态电压均衡，尤其是动态电压均衡，以防止器件因过电压而损坏。

引起串联器件动、静态电压不均衡的主要原因有：

l、IGBT关断阻抗的不一致(静态均压)——IGBT关断后，串联器件中流过的漏电流是相同的，因此不同的关断阻抗会造成IGBT的静态电压不均衡，此外器件的结温差异同样会影响静态均压。

2、驱动信号的不一致和驱动电路参数的差异——驱动信号的不一致和驱动电路参数的差异，将导致IGBT栅极驱动信号的延迟，从而极大地影响了IGBT集电极．发射极电压的均衡。关断时，先关断的器件会产生很高的过电压，同理，开通时滞后导通的器件也会承受较高过电压。

3、IGBT本身寄生参数的离散性——器件寄生电感、寄生电容等特性不一致(尤其是寄生电容)，会导致不同的开关特性和电压尖峰。串联IGBT在关断过程中，关断速度较快的器件要承受很高的过电压，开通过程中导通较慢的器件也会承受较高过电压。

4、反向二极管恢复特性的差异——在感性负载情况下，IGBT开通时与续流二极管之间存在一个换流过程，由于二极管的反向恢复问题，在IGBT开通瞬间，会在续流二极管两端产生过电压。在桥式电路中IGBT通常与二极管反向并联，二极管两端的过电压即为IGBT的过电压。

串联IGBT的均压控制方法可以分为无源缓冲法、驱动耦合平衡法、有源电压钳位法和栅极主动控制法等四类。

无源缓冲法就是在每个IGBT上并联电容、电阻、电抗器、半导体二极管或者它们所组合成的电路，以此来改善IGBT开关瞬间电压、电流的特性，达到平衡电压的目的。这种缓冲电路结构简单，设计也相对容易，但由于其直接与高电压大电流设备相连接，器件需要有很高的功率等级，使用成本比较高。此外，缓冲电路是在开关动作瞬间进行工作，势必会降低电路的工作频率。因此，这种均压方法仅适应于工作频率和功率等级不高的场合。

驱动耦合平衡法是将串联IGBT的每一路驱动信号通过变压器耦合在一起，如果其中一路驱动信号发生了延时，由于耦合变压器的存在，驱动电流仍然一致。这样保证了串联IGBT栅-射极电容电压同步增加，从而实现动态均压。但这种均压方法对由驱动信号的不一致产生的电压不均衡有较好的抑制效果，但对因器件参数的分散性引起的电压不均衡没有控制效果。

有源电压钳位法通过控制栅极电压或注入到栅极的电流来保证串联IGBT的端电压小于一个限定值。这种方法会产生三个问题：电压比较电路带来驱动信号的延时，在反馈和控制回路中使用太多的运算放大器会造成系统的不稳定，栅极电压有可能会过调节，从而导致串联上下桥臂的直通短路。

栅极主动控制法是通过反馈回路将IGBT端电压反馈至控制电路，与设定的标准开关曲线比较，根据比较结果对IGBT栅极电压进行相应的调整，使端电压跟踪设定的标准曲线。此方法的控制电路由参考电压发生电路、反馈回路等部分组成，控制电路复杂，可靠性较差且难以实现。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术存在的不足之处，提供一种串联IGBT的均压、保护电路，从而全方位解决IGBT串联均压难题。本发明通过自适应均压电路检测IGBT端电压，并在过压时自动调控栅极电压，有效实现串联运行的IGBT的动态均压；同时可在IGBT过流运行时，通过过流保护电路检测端电压过限，自动调节栅极，促使IGBT暂时或完全截止，防止回路出现短路故障。

本发明在解决技术问题时采用如下技术方案：

本发明——带有过流保护功能的自适应IGBT串联均压电路的结构特点是通过自适应均压电路对串联IGBT进行动、静态均压，并通过过流保护电路防止回路出现短路故障。