[发明专利]功率开关管串联运行门极电压幅值补偿均压方法和电路

说明书

本发明公开了一种功率开关管串联运行门极电压幅值补偿均压方法和电路，其利用功率开关管电压受门极电压幅值控制以及不均衡电压差转换为缓冲电流的不均衡电流差采样原理，实现串联功率开关管的动态均压。本发明属于有差控制，且只在串联功率开关管电压动态变化过程中起作用，不影响功率开关管正常工况下的工作；采用无源器件，电路结构简单，易于集成到器件驱动板上，能够实现失衡电压快速响应追踪与串联功率开关管电压均衡，提高了均压控制的快速性与稳定性。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种功率开关管串联运行门极电压幅值补偿均压方法和电路。

背景技术

由于单个功率开关管耐压能力有限，大功率应用场合通常采用多个功率开关管串联的方式实现中压应用。实现器件可靠串联，首先要确保各串联器件间的电压均衡。

引起串联器件电压不均衡的主要原因有：①器件自身参数差异，主要有门极阈值电压、结电容与跨导差异等；②外电路参数差异，主要有缓冲电路参数和驱动参数差异，其中，缓冲电路参数差异主要有缓冲电阻、缓冲电容差异等，驱动参数差异主要有驱动信号延迟、驱动电压与驱动电阻差异等。

器件串联均压方法主要有三种：①无源缓冲电路，通过在每个串联器件两端并联由电容、电阻、半导体二极管或其组合成的电路，以此改善功率开关管动态过程电压、电流特性，达到平衡电压的目的，该电路实现简单，能够实现对失衡电压的粗调；②门极信号延迟均压方法，通过控制驱动信号开关边沿延迟来实现均压，该方法效果好但需要引入漏-源极电压采样电路和驱动延迟调节电路，成本较高，控制复杂；③门极电压幅值补偿方法，通过反馈回路将失衡电压反馈至门极驱动信号，调节门极电压幅值实现均压，该方法效果较好但需要引入不均衡电压差采样电路和功率开关管门极电压幅值补偿电路。

以上三种器件串联均压方法中，门极电压幅值补偿方法效果最优，其次是门极信号延迟均压方法，无源缓冲电路效果有限。传统门极电压幅值补偿方法采用三极管、运放等组成的有源电路实现电压反馈与幅值补偿，功率开关管的开关速度对有源电路闭环响应速度提出了新的挑战。此外，为了提升电路可靠性和降低成本，器件串联均压电路要求结构简单，易于实现，同时附加电路要求不能影响功率开关管正常工况下的工作。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种功率开关管串联运行门极电压幅值补偿均压方法和电路。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

功率开关管串联运行门极电压幅值补偿均压方法，包括如下步骤：

1)将串联运行的N个功率开关管开关动态过程中的电压转化为与各个功率开关管并联的RC缓冲电路的电流，N为大于等于2的自然数；

2)采样获得所有RC缓冲电路的电流值，通过将任一功率开关管对应的RC缓冲电路的电流与其余RC缓冲电路的电流平均值作差，获得正比于该功率开关管不均衡电压差变化率的电流信号；

3)将不均衡电压差采样单元输出的信号进行转换、隔离，添加到对应功率开关管门极电压中，实时补偿不均衡电压。

本发明还公开了一种功率开关管串联运行门极电压幅值补偿均压电路，其包括：串联运行的N个功率开关管、N个不均衡电压差采样单元、N个门极电压幅值补偿单元、N个门极驱动回路，N为大于等于2的自然数；所述每个功率开关管均并联一个电阻-电容缓冲电路，即RC缓冲电路；每个功率开关管对应一个不均衡电压差采样单元、一个门极电压幅值补偿单元和一个门极驱动回路；每个不均衡电压差采样单元均采样所有RC缓冲电路的电流值，门极电压幅值补偿单元与其所对应的不均衡电压差采样单元相连获取采样信号，得到正比于其所应对功率开关管的不均衡电压差的电流信号；并输出给其对应的门极驱动回路，门极驱动回路将补偿电压添加到门极电压中，门极驱动回路输出门极电压给其所对应的功率开关管。