[發明專利]基于主電路脈沖的高壓IGBT串聯主動均壓裝置

有效

• 申請號: 201210466965.0
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN102931822A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 魯挺;趙爭鳴;姬世奇;于華龍;袁立強;賀凡波;孫曉瑛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

技術領域

本發明屬于電力電子應用技術領域，尤其涉及一種基于主電路脈沖的高壓IGBT串聯主動均壓裝置。

背景技術

近年來，節能、環保和可持續發展成為世界性的話題，各類大容量電力電子變換裝置在節能控制和新能源利用方面發揮著越來越重要的作用。同時，大容量電力電子變換裝置也越來越多地在冶金軋鋼、交通、國防等重要領域得到應用。

隨著大容量電力電子變換器應用范圍的不斷推廣和擴展，對其電壓、電流和功率等級要求也日益提高。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT：Insulated?Gate?Bipolar?Transistor）具有開關速度快、開關損耗小、易于驅動等優勢，因而在大容量電力電子裝置中得到廣泛應用。近年來，IGBT所能達到的額定電壓不斷提升，但仍難以滿足大容量電力電子裝置不斷增長的電壓要求。高壓IGBT通常是指耐壓3300V及以上電壓等級的IGBT器件。在我國的供電電壓等級下，若變換器采用常規的兩電平拓撲，即便使用現有最高耐壓等級的6500V高壓IGBT，仍無法與6kV及以上等級的供電系統或負載直接連接。

在現有器件電壓水平下，提高電力電子裝置的額定電壓的措施主要包括三類：增加變壓器、采用多電平拓撲、功率半導體器件串聯運行。變壓器的引入會大幅度增加裝置的成本和體積，采用三電平以上的多電平拓撲則會使變換器的結構和控制非常復雜。相比之下，功率半導體器件串聯運行相當于利用多個開關器件組成更高額定電壓的器件，在理論上是最為直接、易行、低成本的提高電力電子裝置電壓等級的方法。

IGBT串聯運行的關鍵是確保各IGBT在關斷穩定工作狀態及開關過程中，其承受電壓的均衡，分別稱為靜態均壓和動態均壓。

IGBT串聯靜態電壓不均衡主要是由于IGBT漏電流的不一致造成的。在IGBT的集電極C和發射極E之間并聯均壓電阻，可以很好地實現關斷穩態過程中的靜態均壓。

動態不均壓的因素則比較復雜，主要包括IGBT參數不一致、換流回路參數不一致、驅動電路參數不一致、驅動控制信號不一致等，但動態不均壓的物理本質均可以歸結為開關電磁暫態過程中各串聯器件等效電容中瞬態能量的不平衡。以往出現的IGBT串聯均壓裝置主要針對于低壓IGBT（耐壓1700V及以下）串聯電路，按照均壓裝置中動態均壓電路的連接位置，可以分為負載側均壓裝置和門極側均壓裝置兩大類。負載側均壓裝置的原理是將開關過程中各串聯IGBT之間不平衡的瞬態能量吸收并消耗在IGBT外電路中，如果應用在高壓IGBT串聯電路中，由于高壓IGBT器件承受的電壓高、電流大，因此在高壓IGBT串聯電路長期運行時負載側均壓裝置的損耗非常大，造成系統效率大幅度降低和散熱困難。門極側均壓裝置的原理是在開關過程中增長串聯電路中承受較高電壓的IGBT工作在放大區的時間，將各串聯IGBT之間不平衡的瞬態能量消耗在IGBT中，門極側均壓裝置自身的損耗很小，但如果應用在高壓IGBT串聯電路中，長期運行時高壓IGBT工作在放大區產生的高開關損耗將難以承受，造成器件損壞和系統故障，此外門極側均壓裝置會增長開關時間，使串聯電路開關頻率降低，限制系統的控制性能。

可見，以往的IGBT串聯均壓裝置，包括負載側均壓裝置和門極側均壓裝置，都是在電壓不均衡產生之后，將不平衡瞬態能量吸收和消耗在系統中，因此可以總結為被動均壓裝置。被動均壓裝置無法避免或抑制IGBT串聯電路中不平衡瞬態能量的產生，不適用于高壓IGBT串聯電路的均壓。

主動均壓裝置是相對于被動均壓裝置而言的，能夠主動調節串聯電路中各IGBT的門極信號，從而抑制串聯電路中各IGBT之間不平衡瞬態能量的產生，可以在實現均壓的同時，避免IGBT及其外電路的過高損耗，因此主動均壓裝置更適用于高壓IGBT串聯電路。

發明內容

針對背景技術中提到的高壓絕緣柵雙極型晶體管IGBT串聯電路中各高壓絕緣柵雙極型晶體管IGBT器件的電壓均衡問題，本發明提出了一種基于主電路脈沖的高壓IGBT串聯主動均壓裝置。

其技術方案是，一種基于主電路脈沖的高壓IGBT串聯主動均壓裝置，其特征在于，所述裝置包括狀態反饋電路、門極驅動電路、靜態均壓電路和控制芯片；

其中，所述狀態反饋電路的強電正端子與高壓絕緣柵雙極型晶體管IGBT的集電極連接，狀態反饋電路的強電負端子與高壓絕緣柵雙極型晶體管IGBT的門極連接，狀態反饋電路的弱電輸出端子與控制芯片的輸入引腳連接；所述狀態反饋電路用于采樣高壓絕緣柵雙極型晶體管IGBT承受的主電路脈沖，并將采集到的主電路脈沖發送送至控制芯片；