本發明屬于電力電子領域，尤其是一種柵極側和負載側控制的igbt串聯復合均壓電路。
背景技術：
絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)器件具有耐壓高、開關速度快、易驅動等優點，在脈沖功率領域應用廣泛。目前單個igbt器件的耐電壓等級(最高約6.5kv)與容量不能滿足高壓大功率開關的需求。應用igbt串聯技術是提升半導體固態開關電壓等級與功率的一種有效方法，通過各串聯igbt均分高電壓，使固態開關達到耐高電壓的目的。
igbt串聯技術的難點在于：由于igbt驅動信號不嚴格同步、igbt本身或驅動電路器件性能的差異、電路引線分布電感和吸收電路特性不一致等原因，在igbt串聯電路工作過程中，會有個別igbt延時導通或提早關斷，導致igbt集射極兩端被施加非常高的電壓，使igbt發生過壓擊穿。因此需要一種方法使各igbt在工作過程中實現靜態和動態均壓。
目前現有的解決上述均壓問題的各個方法可以分為負載側和柵極側均壓控制兩大類。負載側控制是指在igbt分壓不均勻時，通過并聯在igbt集電極和發射極的緩沖電路進行控制調節。單純的在負載側通過緩沖電路控制會使開關的關斷時間延長，由于緩沖電路吸收的能量直接消耗在電阻上，會使igbt開關的功耗增加，因此僅適應于工作頻率和功率等級不高的場合，另外緩沖電路能有效避免對于由器件參數差異引起的igbt電壓分布不均問題，但是對于由各igbt柵極驅動信號不同步引起的動態不均壓幾乎沒有效果；柵極側均壓主要指當發生電壓分配不均勻時，通過對igbt的柵極電壓進行調節，主動使igbt開通關斷，從而避免電壓分配不均勻，但該策略只對由于驅動信號不同步導致的igbt不均壓有效。典型的柵極控制均壓方法為驅動電壓主動控制，通過互感器采集電壓，經過比較器后對igbt柵極電壓進行主動調節，電路復雜高，在高壓高頻的脈沖功率系統中可靠性難以保證。
基于以上情況，開發一種igbt串聯均壓電路，能夠同時解決串聯器件特性差異以及驅動信號不同步導致的不均壓問題是很有必要的。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供igbt串聯電路中的均壓電路。針對現有技術的不足，提供一種包括負載側和柵極側的均壓電路，實現對igbt串聯電路的復合動靜態均壓。
為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：
本發明包括至少兩個串聯的igbt(絕緣柵雙極型晶體管)，每個igbt經電阻rg與柵極驅動電路連接，每個igbt與一個均壓電路相連，均壓電路包括負載均壓控制電路和柵極鉗位電路，負載均壓控制電路并聯在igbt的集電極和發射極，柵極鉗位電路并聯在igbt的集電極和柵極。
所述的負載均壓控制電路包括電容c1、二極管vd1以及電阻r1和電阻r2，二極管vd1和電阻r1并聯后通過電容c1串聯連接到igbt的集電極和發射極，電阻r2連接在igbt的集電極和發射極。
所述的柵極鉗位電路主要由穩壓管z1～zn、二極管vd2、電容c2以及電阻r3、r4構成；穩壓管z1～zn依次串聯，第一個穩壓管z1的陽極和igbt的柵極相連接，同時最后一個穩壓管zn并聯有電容c2和電阻r4，最后一個穩壓管zn的陰極經限流電阻r3與二極管vd2的陰極串聯，二極管vd2的陽極和igbt的集電極相連接。
在igbt串聯電路負載側，如果igbt串聯電路在運行過程中某個igbt出現由于延時導通或提早關斷導致的過壓，通過緩沖電路減小負載側電壓的變化率，吸收抑制電壓尖峰，使個串聯器件之間的動態電壓趨于一致。
同時在柵極，柵極鉗位電路起到減小集射極電壓變化率的作用，同時使集射極電壓鉗位在擊穿電壓以下，從而防止igbt被擊穿。復合均壓電路柵極側和負載側均壓電路互相配合，同時實現彌補因開關信號不同步或器件自身原因造成的igbt開關不同步。
所述的負載均壓控制電路中，所述二極管采用快速恢復二極管，所述電容采用緩沖電容器，所述電阻均采用無感電阻。
本發明采用緩沖電容器相比于普通電容器，能夠承受更大的高能脈沖和峰值電流，另外緩沖電容器的寄生電阻和引線電感小，可有效減少電壓和電流尖峰；同時采用無感電阻而非普通金屬膜電阻，能夠防止由于電阻寄生電感導致的充放電對igbt的破壞；同時采用快速恢復二極管能保證在工作頻率較高的情況下，負載側均壓電離仍然能夠正常工作。
綜上，本發明能發揮其良好的高頻特性以適應開關頻率更高的工況。
所述的柵極鉗位電路中，所示二極管快速恢復二極管，所述電阻均為無感電阻。
本發明采用無感電阻而非普通金屬膜電阻，能夠防止由于電阻寄生電感導致的充放電影響igbt正常關斷；同時采用快速恢復二極管能保證在工作頻率較高的工況下，能及時響應。
與現有技術，本發明具有的有益效果有：
本發明能夠同時解決igbt串聯電路中igbt開通和關斷過程中以及關斷后，由于串聯在一起的igbt器件特性差異以及驅動信號不同步導致的igbt器件不均壓問題，確保igbt串聯電路工作穩定性；均使用無源器件，電路簡單，可靠性好，利于集成和批量生產。
附圖說明
圖1是本發明的igbt串聯復合均壓電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本發明進行進一步的描述。
如圖1所示，本發明包含至少兩個串聯的igbt，各igbt均連接一個均壓電路；
如圖1所示，本發明包括負載均壓控制電路a和柵極鉗位電路b，負載均壓控制電路a并聯在各個igbt的集電極和發射極，柵極鉗位電路b并聯在各個igbt的集電極和柵極。
如圖1所示，負載均壓控制電路a由電容c1、二極管vd1以及電阻r1和r2組成，二極管vd1和電阻r1并聯后通過電容c1連接到igbt的發射極，電阻r2并聯在igbt的集電極和發射極。
如圖1所示，柵極鉗位電路b由穩壓管z1～zn、二極管vd2、電容c2以及電阻r3、r4構成；穩壓管z1～zn依次串聯，穩壓管z1的陽極和igbt的柵極相連接，同時穩壓管zn與電容c2和電阻r4并聯，穩壓管zn的陰極和限流電阻r3以及二極管vd2的陰極串聯，vd2的陽極和igbt的集電極相連接。
本發明的igbt串聯均壓電路的工作過程如下：
負載均壓控制電路的實質是通過緩沖電路和電阻，分別實現igbt的動態和靜態均壓。
在igbt串聯電路開關過程中，緩沖電容c1起到減小電壓變化率的作用，使個串聯器件之間的動態電壓趨于一致，防止集射極電壓在短時間內達到最大值。無感電阻r1起到限制充電電流的作用，同時還可以防止引線電感和電容c1發生高頻振蕩。vd1的作用是在c1充電的短時間內呈現短路狀態而把r1旁路，使動態均壓效果更好；
電阻r2是靜態均壓電阻，跨接在igbt的集電極和發射極兩端，在igbt關斷后起到靜態均壓的作用，使關斷后igbt兩端電壓保持。
柵極鉗位電路主要在igbt關斷階段起作用，在igbt關斷過程中，對igbt集射極電壓vce變化率控制和幅值鉗位。將關斷過程分為三個階段。
階段1：igbt集射極電壓vce低于z1～zn-1的啟動電壓總和，在這個階段箝位支路并未開始工作，齊納二極管只有很小的漏電流流過，vce以較快的變化率上升，ic減小。
階段2：vce上升至高于z1～zn-1的啟動電壓總和時，z1～zn-1導通，igbt集電極電壓通過r3、z1～zn-1、vd2對電容c2充電，從而降低了vce上升率。在此階段，箝位支路的作用相當于在igbt的集電極和柵極之間并聯電容，增強了igbt的密勒效應，使先關斷器件的電壓上升率降低，動態減小串聯器件的電壓不平衡度。
階段3：vce上升至高于z1～zn的啟動電壓總和，vce被箝位在略高于z1～zn的啟動電壓總和(考慮電阻r2上的壓降)，對集-射極電壓峰值較高的igbt進行峰值電壓鉗位在擊穿電壓以下，迫使其他igbt所承擔的電壓快速上升，從而使得所有串聯igbt的電壓互相趨近，直到儲存在換流回路雜散電感中的能量全部消耗之后，關斷過程結束。
以上實施例也適用于兩個以上igbt串聯電路中的均壓。實際應用中根據所選igbt特性，通過設置穩壓管z1～zn的數量來調節集射極的鉗位電壓。
由此可見，針對現有技術中igbt的型號和工藝問題導致的特性差異問題和驅動信號不同步導致的不均壓問題，本發明能夠很好地解決，能夠同時解決igbt串聯電路中igbt開通和關斷過程中以及關斷后，由于器件特性差異以及驅動信號不同步導致的器件不均壓問題，確保igbt串聯電路工作穩定性。