一种用于串联igbt动态均压控制的取能电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于串联IGBT动态均压控制的取能电路，包括从与IGBT并联的RCD缓冲电路中电容上取能的RCD缓冲电路取能电路，以及从与IGBT并联的静态电阻中取能的静态电阻取能电路，RCD缓冲电路取能电路和静态电阻取能电路分别经过输出二极管汇集输出。将IGBT的开关损耗转化为各种控制系统所必需的电能。本电路不仅能提供稳定的直流电源，降低了控制电路的复杂程度和成本，提高了系统稳定性；同时，减小了过电压、大电流对器件的冲击，减少了器件的开关损耗，提高了串联IGBT缓冲电路的缓冲效果；并减少了器件的开关损耗与温升，提高了系统效率。
【专利说明】—种用于串联IGBT动态均压控制的取能电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能量转换技术，特别涉及一种用于串联IGBT动态均压控制的取能电路。
【背景技术】
[0002]在大量应用电力电子技术系统的高电压装置中，单个IGBT无法满足要求，必须用多个IGBT串联组成。例如大容量柔性直流输电系统，其电压往往达到几百千伏，其中换流阀就是由大功率的IGBT串联组成，其阀段器件串联数量根据输送电压由不同容量的IGBT串联而成。大容量逆变器，动态无功补偿电路也经常会使用IGBT串联结构。
[0003]但是IGBT串联时，由于器件在半导体工艺上造成的静态参数不同，电路拓扑上造成的动态参数不同，以及栅极驱动信号的不同步，均造成了串联器件的电压不平衡。尤其在动态时问题会更加严重，有时甚至造成器件因过电压而损坏。因此必须对动态电压进行控制，这就是动态均压技术。
[0004]动态均压控制电路中有运算放大器芯片、FPGA芯片以及其它器件。每一个IGBT需要一个控制电路，也需要一个以IGBT的E端为公共段的固定电源。如果采用专用电源，由于IGBT本身的高电压，直流电源会出现电气隔离、位置、线路等一系列问题，增加了控制系统的成本、复杂程度和不稳定性。
[0005]综上，大功率的IGBT的串并需要动态均压的控制系统来确保电路拓扑的稳定、和器件的安全。这一系统的各个IGBT的动态均压控制都需要一个稳定的低压直流电源。
【发明内容】
[0006]本发明是针对串联IGBT动态电压不平衡的动态均压控制问题，提出了一种用于串联IGBT动态均压控制的取能电路，利用缓冲电路中的电容，将IGBT中的开关损耗转换成动态均压控制所需要的低压直流电源，同时降低了 IGBT的开关损耗，改善了 IGBT开关过程中的电压电流冲击，提高系统效率。
[0007]本发明的技术方案为:一种用于串联IGBT动态均压控制的取能电路，包括从与IGBT并联的RCD缓冲电路中电容上取能的RCD缓冲电路取能电路，以及从与IGBT并联的静态电阻中取能的静态电阻取能电路，RCD缓冲电路取能电路和静态电阻取能电路分别经过输出二极管汇集输出。
[0008]所述RCD缓冲电路取能电路构成:
第一电容、辅助开关器件、续流二极管串联后并联在IGBT的RCD缓冲电路中的电容两端，其中辅助开关器件和续流二极管反向串联，第一隔离变压器一次侧并联在续流二极管两端，第一隔离变压器二次侧输出经过整流桥整流后，经过并联的滤波电容和储能电容，最后再经过输出二极管输出。
[0009]所述辅助开关器件的基极驱动信号和IGBT栅极驱动信号频率、占空比相同，同时开通或关断。
[0010]所述静态电阻取能电路构成:
第三电容并联在在静态均压电阻两端，两个二极管分别与两个开关器件串联后并联在第三电容两端，其中一个二极管的阴极接第二变压器一次侧一端，另一个二极管的阳极接第二变压器的一次侧另一端；第二变压器的二次侧两端分别经过另两个二极管阳极连接，它们的阴极都接电感一端，电感另一端接静态电阻取能电路输出二极管，第二变压器的二次侧一端与电感另一端输出端之间接第四电容。。
[0011]本发明的有益效果在于:本发明用于串联IGBT动态均压控制的取能电路，将IGBT的开关损耗转化为各种控制系统所必需的电能。本电路不仅能提供稳定的直流电源，降低了控制电路的复杂程度和成本，提高了系统稳定性；同时，减小了过电压、大电流对器件的冲击，减少了器件的开关损耗，提高了串联IGBT缓冲电路的缓冲效果；并减少了器件的开关损耗与温升，提高了系统效率。可以广泛的应用于为高压直流输电、高压变流器中串联IGBT的有源电压控制系统提供所需的电能，同时也可以将电能储存起来供给监测、传感器等使用，提高了免维护性、可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明从IGBT开关损耗中取能并实现高效缓冲的电路图；
图2为本发明RCD缓冲电路取能电路图；
图3为本发明安装RCD缓冲电路取能电路前后的器件开关损耗对比图；
图4为本发明静态均压电阻取能电路图。
【具体实施方式】
[0013]如图1所不从IGBT开关损耗中取能并实现闻效缓冲的电路图,本取能电路包含从与IGBT并联的RCD缓冲电路中的电容，以及与IGBT并联的静态电阻中取得电能，静态电阻取能电路取能端并联在静态均压电阻Rs2两端，静态电阻取能电路输出端经二极管D2输出；RCD缓冲电路取能电路取能端并联在RCD缓冲电路中的电容上，RCD缓冲电路取能电路输出端经二极管D3输出，两部分输出汇集后一起作为整个取能电路输出。
[0014]如图2所示RCD缓冲电路取能电路图，电容Cl、辅助开关器件Q、续流二极管D4串联后并联在IGBT的RCD缓冲电路中的电容C两端，其中辅助开关器件Q和续流二极管D4反向串联，隔离变压器Tl 一次侧并联在二极管D4两端，隔离变压器Tl 二次侧输出经过整流桥D5整流后，经过并联的滤波电容C2和储能电容Cout，再经过输出二极管D3输出。IGBT栅极驱动信号与辅助开关器件Q的基极驱动信号频率、占空比相同，同时开通或关断。
[0015]RCD缓冲电路取能电路工作原理为，当IGBT关断时，缓冲电容C被充电，电容C储能。当IGBT触发导通时，辅助开关器件Q亦被触发导通。这时，缓冲电容C和Cl与变压器一次侧电感形成CL谐振电路，电能通过变压器耦合到二次侧，整流电路将IGBT开关时的损耗吸收并转化为电能。由于CL谐振电路有较小的交流阻抗，缓冲电容C中的电能主要通过CL谐振电路向变压器转换，缓冲电容C中的电流基本不通过IGBT放电，降低了 IGBT开通时的电流冲击和开关损耗，理论上可以实现零电流开通。RCD缓冲电路取能电路在开关过程中取能。同时实现了 IGBT过整流、直流电压转换，将电能储存起来。取能电路同时加强了对IGBT上大电流、过电压的缓冲能力，减低了串联IGBT的开关损耗。如图3为安装RCD缓冲电路取能电路前后的器件开关损耗对比图。
[0016]如图4所示静态均压电阻取能电路图，电容C3并联在在静态均压电阻Rs2两端，二极管D6、D7同向分别与开关器件SW1、SW2串联后并联在电容C3两端，二极管D6阳极、D7的阴极分别接变压器T2的一次侧，变压器T2的二次侧两输出端分别与二极管D8、D9阳极连接，它们的阴极接电感LI 一端，电感LI另一端输出端接静态电阻取能电路输出二极管D2，变压器T2的二次侧一端与电感LI另一端输出端之间接电容C4。
[0017]静态均压电阻取能电路工作原理为，在静态情况下，静态电阻中取能电路从静态电阻上取得电能，其工作原理与隔离型直流变换电路相同。当开关器件还未工作时，RCD缓冲电路取能电路是无法取能的。在IGBT—直关断时，静态均压电阻取能，也就是在启动状态下控制电路所需电能有静态电阻中取能电路提供。
[0018]RCD缓冲电路取能电路和静态取能电路分别通过各自的输出二极管D2，D3并联。有控制电路控制停止静态取能电路工作，以提高系统效率。
[0019]本发明将IGBT的开关损耗转化为转换可利用的电能，并能显著地降低其工作过程中的开关损耗，减轻开关过程中过大的电流和电压上升率，提高变流装置的效率。本取能电路取得的电能，可以为各种控制系统和其他设备直接提供电能，简化了额外的电源及其隔离电路。特别是可以为直流输电阀段中串联的大容量IGBT的动态均压控制电路提供电倉泛。
[0020]本发明可以广泛的应用于为高压直流输电、高压变流器中串联IGBT的有源电压控制系统提供所需的电能，同时也可以将电能储存起来供给监测、传感器等使用，提高了免维护性、可靠性。因此本发明有广泛的应用前景。
【权利要求】
1.一种用于串联IGBT动态均压控制的取能电路，其特征在于，包括从与IGBT并联的RCD缓冲电路中电容上取能的RCD缓冲电路取能电路，以及从与IGBT并联的静态电阻中取能的静态电阻取能电路，RCD缓冲电路取能电路和静态电阻取能电路分别经过输出二极管汇集输出。
2.根据权利要求1所述用于串联IGBT动态均压控制的取能电路，其特征在于，所述RCD缓冲电路取能电路构成: 第一电容、辅助开关器件、续流二极管串联后并联在IGBT的RCD缓冲电路中的电容两端，其中辅助开关器件和续流二极管反向串联，第一隔离变压器一次侧并联在续流二极管两端，第一隔离变压器二次侧输出经过整流桥整流后，经过并联的滤波电容和储能电容，最后再经过输出二极管输出。
3.根据权利要求2所述用于串联IGBT动态均压控制的取能电路，其特征在于，所述辅助开关器件的基极驱动信号和IGBT栅极驱动信号频率、占空比相同，同时开通或关断。
4.根据权利要求1所述用于串联IGBT动态均压控制的取能电路，其特征在于，所述静态电阻取能电路构成: 第三电容并联在在静态均压电阻两端，两个二极管分别与两个开关器件串联后并联在第三电容两端，其中一个二极管的阴极接第二变压器一次侧一端，另一个二极管的阳极接第二变压器的一次侧另一端；第二变压器的二次侧两端分别经过另两个二极管阳极连接，它们的阴极都接电感一端，电感另一端接静态电阻取能电路输出二极管，第二变压器的二次侧一端与电感另一端输出端之间接第四电容。
【文档编号】H02M1/088GK104135141SQ201410401656
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】杨迪瑞, 杨文焕, 王朝立 申请人:上海理工大学