一种压接型igbt串联应用模式下的自取能直流变换电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种变换电路，具体涉及一种压接型IGBT串联应用模式下的自取能 直流变换电路。
【背景技术】
[0002] 压接型IGBT串联两电平主电路拓扑具有结构简单、器件使用数量少、控制简单、 可靠性高等特点。因此压接型IGBT成为未来电网柔性直流输电、灵活交流输电、定制电力 和新能源并网等领域的核心器件。压接型IGBT串联应用的难点是驱动保护控制技术，而高 电位自取能技术是实现驱动保护控制的先决条件。虽然国外有研究机构进行IGBT串联技 术的研究，但鲜见报道。直到现在，真正实现商业应用的只有ABB公司。基于上述技术难度， 国际上相继提出了压接型IGBT串联阀和模块化多电平拓扑相结合的第三代换流器拓扑， 以避免过多的压接型IGBT直接串联。
[0003] 众所周知，驱动保护是IGBT控制保护的核心技术，而且IGBT的驱动保护控制电路 必须跟随IGBT构成整体一次设备，那末驱动保护控制电路的供电就成为了需要解决的关 键技术之一了。目前有两种取能解决方案，其一，高频送能。由高频电源、送能电缆以及送 能磁环构成隔离供电系统为驱动保护控制电路供电。其二，高电位自取能。顾名思义就是 直接通过一次高电压主回路上获取电能，在高压压接型IGBT源漏极之间，通过高压隔离直 流变换器转换为低压电源给驱动保护电路供电。
[0004] 根据基本的电工原理，我们知道在串联的应用中要解决均压问题，而在并联的应 用条件下必须要解决均流问题。由压接型IGBT直接串联构成的高压阀体的静、动态均压与 高电位取能问题是串联IGBT驱动保护控制技术的技术关键点，而高电位自取能、静态均压 以及相互之间的制约关系是先决条件。
[0005] 大量的研究主要针对IGBT串联动态均压问题进行原理性的分析或者是提出各种 主动均压的控制策略，均未涉及高压IGBT串联阀体的静态均压问题以及高、低实验方法研 究。对比高压晶闸管串联阀体的过电压保护以及高、低压实验方法研究，二者之间存在以下 共性：其一，都是压接型封装；其二，都是串联方式；其三，都需要高电位自取能方式来为驱 动电路提供电能。借鉴以上三点共性可知，确定压接型IGBT串联高电位自取能方案以及根 据高、低压实验要求所要满足的技术指标是十分必要的。
[0006] 高压IGBT串联应用的难点是主动均压控制技术，而高电位自取能技术是实现主 动均压控制的先决条件。IGBT在SPWM工作模式下源漏极电压Vce的动态变换范围通常为 0-2000V，由此带来强电磁干扰；IGBT串联应用模式下的最主要的技术难点是电压均衡问 题，无论是在从直流母线从0V逐渐升至额定直流工况电压的工程中，串联IGBT阀体工作在 静态闭锁情况下还是在SPWM斩波工作模式下，均要求串联IGBT阀体中所有IGBT源漏极电 压Vce之间具有一定的平衡度要求。而高电位取能DC-DC变换器作为IGBT源漏极电压Vce 的负载，在IGBT阀体静态闭锁及SPWM斩波两种工作模式下，都参与到串联IGBT的阀端电 压均衡控制当中。
[0007] 由串联压接型IGBT构成的典型半桥平台组成框架如图1所示，图1中，IGBT_h等 效上桥臂，IGBT_1等效下桥臂，IGBTJ^臂串联IGBT，Dn续流二极管，R3静态均压电阻，R,动 态吸收电阻，Cd动态吸收电容，Vn取能二极管，Cs取能电容，GU驱动保护电路，DC-DC自取 能直流变换器。由高压IGBTl-IGBTn串联构成一次换流器桥臂，在每只高压IGBT源漏极之 间并联接入高电位取能前馈回路，此电路由续流二极管Dn、静态均压电阻Rsn，动态吸收回 路Rdn和Cdn、取能二极管Vn以及取能电容Csn组成。在取能电容Csn两端并联直流变换 器DC-DCn。在直流变换器DC-DCn的输出端并联接入IGBT的驱动保护电路⑶。上桥臂与 下桥臂结构原理相同，自取能回路及IGBT驱动保护电路关系框图如图2所示，高电位自取 能直流变换器直接并联在高压IGBT源漏极之间，并将动态变化的高电压直流转换为低电 压稳定的电源向驱动保护电路提供电能。恒功率负载作为高电位自取能电路的一个组成部 分也是直接并联在高压IGBT的源漏极之间。静态均压电阻以及短路电流检测电路均通过 光电隔离进入驱动保护控制电路。驱动保护控制电路主要包括：回报信号编码单元、状态检 测单元、光电隔离单元、故障处理单元以及自适应调节单元。驱动保护对上与IGBT高压串 联阀控制单元通过光纤编码进行实时通讯；对下通过功率放大器驱动高压IGBT的门极。只 有了解清楚驱动保护电路与高电位自取能直流变换器之间的关系，才能更好的设计直流变 换器打下坚实的基础。
【发明内容】
[0008] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种压接型IGBT串联应用模式下的 自取能直流变换电路，实现压接型IGBT串联应用模式下完成从IGBT源漏极之间直接取得 电能供IGBT驱动电路的高电位自取能，并解决自取能直流变换电路对IGBT串联静态均压 的影响。
[0009] 为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
[0010] 本发明提供一种压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路，所述自取 能直流变换电路包括第一级电压变换模块、第二级电压变换模块和模拟电阻负载模块；
[0011] 所述第一级电压变换模块的输入端和模拟电阻负载模块均并联在取能电容Cs两 端，第二级电压变换模块的输入端并联在第一级电压变换模块的输出端。
[0012] 所述第一级电压变换模块采用电压电流双闭环非线性控制的BUCK电路；所述 BUCK电路包括第一输入电压检测电路、快速启动及切换电路、逻辑控制电路、隔离驱动电 路、电流检测电路、输出电压检测电路以及BUCK主回路。
[0013] 所述第一级电压变换模块的输入正电压端经第一M0SFET、储能电感L和储能电容 C1回流至第一级电压变换模块的输入负电压端，在储能电感L的输入端与第一级电压变换 模块的输入负电压端之间连接续流二极管V2,构成BUCK主回路。
[0014] 所述第一输入电压检测电路和快速启动及切换电路并联在所述第一级电压变换 模块的输入正电压端和输入负电压端之间；
[0015] 所述逻辑控制电路一端连接隔离驱动电路，用于对隔离驱动电路进行控制，其另 一端连接第一级电压变换模块的输入负电压端；
[0016] 所述隔离驱动电路一端连接第一M0SFET的栅极，其另一端连接第一级电压变换 模块的输入负电压端；
[0017] 所述第一M0SFET的漏极连接第一级电压变换模块的输入正电压端，其源极连接 储能电感L的输入端，同时连接续流二极管V2的阴极，所述续流二极管V2的阳极连接第一 级电压变换模块的输入负电压端；
[0018] 所述储能电感L的输出端连接电流检测电路，所述电流检测电路连接输出电压检 测电路的输入端所述输出电压检测电路的输出端连接电流检测电路，同时连接逻辑控制电 路，实现对电流检测电路和逻辑控制电路的控制；
[0019] 所述电流检测电路同时连接储能电容C1的一端，所述储能电容C1的另一端连接 第一级电压变换模块的输入负电压端。
[0020] 所述第二级电压变换模块采用18-72V输入、± 15V输出的DC-DC变换器。
[0021] 所述模拟电阻负载模块包括第二M0SFET、第二输入电压检测电路和栅极电压控制 电路；第二M0SFET与第二输入电压检测电路均并联在所述第一级电压变换模块的输入正 电压端和输入负电压端之间，所述栅极电压控制电路与第二M0SFET的栅极连接。
[0022] 设模拟电阻负载模块的工作电压为UR，其满足：
[0023] 5%XUe^UR^ 50%XUe (1)
[0024] 其中，比表示自取能直流变换电路的输入电压值。
[0025] 所述自取能直流变换电路直接并联在IGBT源极和漏极之间，IGBT、取能二极管VI 和取能电容Cs构成取能充电回路，用于给储能电容充电。
[0026] 设压接型IGBT串联数目为n，第i只IGBT的静态工作电压为Upi= 1，2,…，n; 满足：
[0027] (n-l)XAUqdnKaVCES (2)
[0028] 其中，AUqd _表示压接型IGBT源极和漏极之间电压最大差值，Ka表示压接型 IGBT源极和漏极之间电压裕度，VeES表示压接型IGBT源极和漏极之间电压最大值。
[0029] 于是，自取能直流变换电路的工作电压U表示为：
[0030]
(3 )
[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0032] 1.本发明实现压接型IGBT串联应用模式下完成从IGBT源漏极之间直接取得电能 供IGBT驱动电路的高电位自取能，并解决自取能直流变换电路对IGBT串联静态均压的影 响；
[0033] 2.本发明提供的自取能直流变换电路结构简洁，将取能回路面积降到最小，从而 具有良好的电磁兼容性能；
[0034] 3.能够最优满足IGBT串联均压所要满足的约束条件。
【附图说明】
[0035] 图1是现有技术中由串联压接型IGBT构成的典型半桥平台框架图；
[0036] 图2是现有技术中单只IGBT取能及驱动关系框图；
[0037] 图3是本发明实施例中压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路结构 图；
[0038] 图4是本发明实施例中快速启动及切换电路原理图；
[0039] 图5是本发明实施例中第二M0SFET的负载曲线图；
[0040] 图6是本发明实施例中第二M0SFET栅极电压与源漏极电压线性关系图；
[0041] 图7是本发明实施例中模拟电阻负载模块原理图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0043] 本发明提供一种压接型IGBT串联应用模式下的自取能直流变换电路，如图3,所 述自取能直流变换电路包括第一级电压变换模块、第二级电压变换模块和模拟电阻负载模 块；
[0044] 所述第一级电压变换模块的输入端和模拟电阻负载模块均并联在取能电容Cs两 端，