一種用于串聯igbt動態均壓控制的取能電路的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于串聯IGBT動態均壓控制的取能電路，包括從與IGBT并聯的RCD緩沖電路中電容上取能的RCD緩沖電路取能電路，以及從與IGBT并聯的靜態電阻中取能的靜態電阻取能電路，RCD緩沖電路取能電路和靜態電阻取能電路分別經過輸出二極管匯集輸出。將IGBT的開關損耗轉化為各種控制系統所必需的電能。本電路不僅能提供穩定的直流電源，降低了控制電路的復雜程度和成本，提高了系統穩定性；同時，減小了過電壓、大電流對器件的沖擊，減少了器件的開關損耗，提高了串聯IGBT緩沖電路的緩沖效果；并減少了器件的開關損耗與溫升，提高了系統效率。
【專利說明】—種用于串聯IGBT動態均壓控制的取能電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種能量轉換技術，特別涉及一種用于串聯IGBT動態均壓控制的取能電路。
【背景技術】
[0002]在大量應用電力電子技術系統的高電壓裝置中，單個IGBT無法滿足要求，必須用多個IGBT串聯組成。例如大容量柔性直流輸電系統，其電壓往往達到幾百千伏，其中換流閥就是由大功率的IGBT串聯組成，其閥段器件串聯數量根據輸送電壓由不同容量的IGBT串聯而成。大容量逆變器，動態無功補償電路也經常會使用IGBT串聯結構。
[0003]但是IGBT串聯時，由于器件在半導體工藝上造成的靜態參數不同，電路拓撲上造成的動態參數不同，以及柵極驅動信號的不同步，均造成了串聯器件的電壓不平衡。尤其在動態時問題會更加嚴重，有時甚至造成器件因過電壓而損壞。因此必須對動態電壓進行控制，這就是動態均壓技術。
[0004]動態均壓控制電路中有運算放大器芯片、FPGA芯片以及其它器件。每一個IGBT需要一個控制電路，也需要一個以IGBT的E端為公共段的固定電源。如果采用專用電源，由于IGBT本身的高電壓，直流電源會出現電氣隔離、位置、線路等一系列問題，增加了控制系統的成本、復雜程度和不穩定性。
[0005]綜上，大功率的IGBT的串并需要動態均壓的控制系統來確保電路拓撲的穩定、和器件的安全。這一系統的各個IGBT的動態均壓控制都需要一個穩定的低壓直流電源。
【發明內容】
[0006]本發明是針對串聯IGBT動態電壓不平衡的動態均壓控制問題，提出了一種用于串聯IGBT動態均壓控制的取能電路，利用緩沖電路中的電容，將IGBT中的開關損耗轉換成動態均壓控制所需要的低壓直流電源，同時降低了 IGBT的開關損耗，改善了 IGBT開關過程中的電壓電流沖擊，提高系統效率。
[0007]本發明的技術方案為:一種用于串聯IGBT動態均壓控制的取能電路，包括從與IGBT并聯的RCD緩沖電路中電容上取能的RCD緩沖電路取能電路，以及從與IGBT并聯的靜態電阻中取能的靜態電阻取能電路，RCD緩沖電路取能電路和靜態電阻取能電路分別經過輸出二極管匯集輸出。
[0008]所述RCD緩沖電路取能電路構成:
第一電容、輔助開關器件、續流二極管串聯后并聯在IGBT的RCD緩沖電路中的電容兩端，其中輔助開關器件和續流二極管反向串聯，第一隔離變壓器一次側并聯在續流二極管兩端，第一隔離變壓器二次側輸出經過整流橋整流后，經過并聯的濾波電容和儲能電容，最后再經過輸出二極管輸出。
[0009]所述輔助開關器件的基極驅動信號和IGBT柵極驅動信號頻率、占空比相同，同時開通或關斷。
[0010]所述靜態電阻取能電路構成:
第三電容并聯在在靜態均壓電阻兩端，兩個二極管分別與兩個開關器件串聯后并聯在第三電容兩端，其中一個二極管的陰極接第二變壓器一次側一端，另一個二極管的陽極接第二變壓器的一次側另一端；第二變壓器的二次側兩端分別經過另兩個二極管陽極連接，它們的陰極都接電感一端，電感另一端接靜態電阻取能電路輸出二極管，第二變壓器的二次側一端與電感另一端輸出端之間接第四電容。。
[0011]本發明的有益效果在于:本發明用于串聯IGBT動態均壓控制的取能電路，將IGBT的開關損耗轉化為各種控制系統所必需的電能。本電路不僅能提供穩定的直流電源，降低了控制電路的復雜程度和成本，提高了系統穩定性；同時，減小了過電壓、大電流對器件的沖擊，減少了器件的開關損耗，提高了串聯IGBT緩沖電路的緩沖效果；并減少了器件的開關損耗與溫升，提高了系統效率。可以廣泛的應用于為高壓直流輸電、高壓變流器中串聯IGBT的有源電壓控制系統提供所需的電能，同時也可以將電能儲存起來供給監測、傳感器等使用，提高了免維護性、可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明從IGBT開關損耗中取能并實現高效緩沖的電路圖；
圖2為本發明RCD緩沖電路取能電路圖；
圖3為本發明安裝RCD緩沖電路取能電路前后的器件開關損耗對比圖；
圖4為本發明靜態均壓電阻取能電路圖。
【具體實施方式】
[0013]如圖1所不從IGBT開關損耗中取能并實現聞效緩沖的電路圖,本取能電路包含從與IGBT并聯的RCD緩沖電路中的電容，以及與IGBT并聯的靜態電阻中取得電能，靜態電阻取能電路取能端并聯在靜態均壓電阻Rs2兩端，靜態電阻取能電路輸出端經二極管D2輸出；RCD緩沖電路取能電路取能端并聯在RCD緩沖電路中的電容上，RCD緩沖電路取能電路輸出端經二極管D3輸出，兩部分輸出匯集后一起作為整個取能電路輸出。
[0014]如圖2所示RCD緩沖電路取能電路圖，電容Cl、輔助開關器件Q、續流二極管D4串聯后并聯在IGBT的RCD緩沖電路中的電容C兩端，其中輔助開關器件Q和續流二極管D4反向串聯，隔離變壓器Tl 一次側并聯在二極管D4兩端，隔離變壓器Tl 二次側輸出經過整流橋D5整流后，經過并聯的濾波電容C2和儲能電容Cout，再經過輸出二極管D3輸出。IGBT柵極驅動信號與輔助開關器件Q的基極驅動信號頻率、占空比相同，同時開通或關斷。
[0015]RCD緩沖電路取能電路工作原理為，當IGBT關斷時，緩沖電容C被充電，電容C儲能。當IGBT觸發導通時，輔助開關器件Q亦被觸發導通。這時，緩沖電容C和Cl與變壓器一次側電感形成CL諧振電路，電能通過變壓器耦合到二次側，整流電路將IGBT開關時的損耗吸收并轉化為電能。由于CL諧振電路有較小的交流阻抗，緩沖電容C中的電能主要通過CL諧振電路向變壓器轉換，緩沖電容C中的電流基本不通過IGBT放電，降低了 IGBT開通時的電流沖擊和開關損耗，理論上可以實現零電流開通。RCD緩沖電路取能電路在開關過程中取能。同時實現了 IGBT過整流、直流電壓轉換，將電能儲存起來。取能電路同時加強了對IGBT上大電流、過電壓的緩沖能力，減低了串聯IGBT的開關損耗。如圖3為安裝RCD緩沖電路取能電路前后的器件開關損耗對比圖。
[0016]如圖4所示靜態均壓電阻取能電路圖，電容C3并聯在在靜態均壓電阻Rs2兩端，二極管D6、D7同向分別與開關器件SW1、SW2串聯后并聯在電容C3兩端，二極管D6陽極、D7的陰極分別接變壓器T2的一次側，變壓器T2的二次側兩輸出端分別與二極管D8、D9陽極連接，它們的陰極接電感LI 一端，電感LI另一端輸出端接靜態電阻取能電路輸出二極管D2，變壓器T2的二次側一端與電感LI另一端輸出端之間接電容C4。
[0017]靜態均壓電阻取能電路工作原理為，在靜態情況下，靜態電阻中取能電路從靜態電阻上取得電能，其工作原理與隔離型直流變換電路相同。當開關器件還未工作時，RCD緩沖電路取能電路是無法取能的。在IGBT—直關斷時，靜態均壓電阻取能，也就是在啟動狀態下控制電路所需電能有靜態電阻中取能電路提供。
[0018]RCD緩沖電路取能電路和靜態取能電路分別通過各自的輸出二極管D2，D3并聯。有控制電路控制停止靜態取能電路工作，以提高系統效率。
[0019]本發明將IGBT的開關損耗轉化為轉換可利用的電能，并能顯著地降低其工作過程中的開關損耗，減輕開關過程中過大的電流和電壓上升率，提高變流裝置的效率。本取能電路取得的電能，可以為各種控制系統和其他設備直接提供電能，簡化了額外的電源及其隔離電路。特別是可以為直流輸電閥段中串聯的大容量IGBT的動態均壓控制電路提供電倉泛。
[0020]本發明可以廣泛的應用于為高壓直流輸電、高壓變流器中串聯IGBT的有源電壓控制系統提供所需的電能，同時也可以將電能儲存起來供給監測、傳感器等使用，提高了免維護性、可靠性。因此本發明有廣泛的應用前景。
【權利要求】
1.一種用于串聯IGBT動態均壓控制的取能電路，其特征在于，包括從與IGBT并聯的RCD緩沖電路中電容上取能的RCD緩沖電路取能電路，以及從與IGBT并聯的靜態電阻中取能的靜態電阻取能電路，RCD緩沖電路取能電路和靜態電阻取能電路分別經過輸出二極管匯集輸出。
2.根據權利要求1所述用于串聯IGBT動態均壓控制的取能電路，其特征在于，所述RCD緩沖電路取能電路構成: 第一電容、輔助開關器件、續流二極管串聯后并聯在IGBT的RCD緩沖電路中的電容兩端，其中輔助開關器件和續流二極管反向串聯，第一隔離變壓器一次側并聯在續流二極管兩端，第一隔離變壓器二次側輸出經過整流橋整流后，經過并聯的濾波電容和儲能電容，最后再經過輸出二極管輸出。
3.根據權利要求2所述用于串聯IGBT動態均壓控制的取能電路，其特征在于，所述輔助開關器件的基極驅動信號和IGBT柵極驅動信號頻率、占空比相同，同時開通或關斷。
4.根據權利要求1所述用于串聯IGBT動態均壓控制的取能電路，其特征在于，所述靜態電阻取能電路構成: 第三電容并聯在在靜態均壓電阻兩端，兩個二極管分別與兩個開關器件串聯后并聯在第三電容兩端，其中一個二極管的陰極接第二變壓器一次側一端，另一個二極管的陽極接第二變壓器的一次側另一端；第二變壓器的二次側兩端分別經過另兩個二極管陽極連接，它們的陰極都接電感一端，電感另一端接靜態電阻取能電路輸出二極管，第二變壓器的二次側一端與電感另一端輸出端之間接第四電容。
【文檔編號】H02M1/088GK104135141SQ201410401656
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】楊迪瑞, 楊文煥, 王朝立 申請人:上海理工大學