[發明專利]一種用于串聯IGBT的均壓保護電路

有效

• 申請號: 201611027624.8
• 申請日: 2016-11-17
• 公開（公告）號: CN106788366B
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: 張明;王棟煜
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H03K17/567
• 分類號: H03K17/567
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

本發明公開了一種用于串聯IGBT的均壓保護電路，包括電壓采集模塊、第i比較器、控制模塊以及柵極電阻模塊；其中，i為1～N的任意整數，N為自然數；所述電壓采集模塊的第i輸出端連接第i比較器，所述第i比較器的第一輸出端連接柵極電阻模塊的第i輸入端，第一比較器的第二輸出端連接控制模塊的輸入端，所述控制模塊的輸出端連接柵極電阻模塊的第N+1輸入端，所述柵極電阻模塊的輸出端作為所述均壓保護電路的輸出端。本發明利用設定閾值，并根據集射極電壓信號來獲取方波信號，從而更改柵極電阻的大小，可以調整集射極電壓的上升速率，減少了峰值電壓，同時抑制了因信號傳遞線路雜散參數不同帶來的過壓影響，可以避免IGBT在串聯工作當前關斷階段與整個工作周期中的過壓損壞風險。

技術領域

本發明屬于電力電子領域，更具體地，涉及一種用于串聯IGBT的均壓保護電路。

背景技術

由絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)組成的固態電力電子開關具有開關速度快，可控性強，壽命長的特點，同時為了應用于高電壓領域，須將多個IGBT相互串聯使用以達到較高的電壓等級，該方案效果好同時成本低，故得到了廣泛的關注與應用。

在IGBT串聯使用時，由于各個半導體器件之間的細微差異以及線路的寄生電感等影響，會導致開關過程中各器件承壓不均衡，極大的影響了開關的使用壽命和工作效率，甚至會造成器件擊穿損壞。保證半導體器件在開關過程中的電壓分布均衡是實現高壓固態電力電子開關的關鍵。

對此現有技術有多種解決方法：第一種方法是在驅動端采用反饋控制實現較為精確的器件電壓動態調整，使各個IGBT的集射極電壓趨于一致，然而該電路的結構復雜，若其中某路控制器出現故障則該路IGBT必然損壞，隨著器件串聯數目增多，控制復雜度也大幅提升；第二種方法是在功率端并聯動態緩沖電路、靜態均壓電路，來吸收線路中存在的電感能量以避免過電壓，通過靜態均壓電路來減緩半導體器件因漏電流不同而導致的靜態電壓不均衡問題，該方案隨著串聯器件數目增多，會增加整個裝置的體積；同時，由于動態緩沖電路均為無源器件，只能較為粗略的降低器件峰值電壓，并且在整個工作周期中都會動作從而帶來較大的損耗。

因此，當前高壓固態開關領域內通過兩種方案的結合解決串聯半導體電壓不均衡問題，如非專利文獻《IEEE Transactions on Power Electronics》,2015,30(8):4165-4174中公開了一種利用反饋控制實現串聯IGBT的有源電壓平衡的方法。利用該方法，動態緩沖電路采用電阻-電容方案，靜態均壓電路采用電阻方案，驅動反饋控制采用串聯瞬態箝位二極管(TVS)，由于瞬態箝位二極管會在一定電壓下擊穿，當IGBT關斷時，通過檢測瞬態箝位二極管中的電流，可以判斷串聯時各個IGBT升壓至某設定集射極電壓的時間，將該信息通過光纖傳送至控制器從而在下一周期調整各路IGBT開關信號的相對延遲時間。

其一、在該方案中，相同規格的瞬態箝位二極管，其動作電壓存在較大差異，另外，同一個瞬態箝位二極管，其動作電壓也會隨其溫度變化，因此使用瞬態箝位二極管會帶來極大的反饋誤差，而一般高壓IGBT關斷時間在1us～2us左右，該誤差會極大的影響控制效果甚至反而造成IGBT過壓損壞；其二、為避免瞬態箝位二極管因頻繁擊穿而損壞，一般均設置動作電壓為IGBT實際工作電壓的115％～120％，那么就會存在某些IGBT的瞬態箝位二極管因電壓分布不勻而并不擊穿的情況，也會造成反饋誤差。其三、在該方案中，使用瞬態箝位二極管來投切電容、電阻，其饋入IGBT控制端的電流較小使作用效果存在較大延時，并且也存在前述的動作電壓不穩問題。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種用于串聯IGBT的均壓保護電路，旨在解決現有技術中IGBT在串聯工作時均壓與過壓保護問題。

本發明提供了一種用于串聯IGBT的均壓保護電路，包括電壓采集模塊、N個比較器、控制模塊以及柵極電阻模塊；所述N個比較器分別為第一比較器、第二比較器、…至第N比較器，N為自然數；