一种基于磁开关延时同步的IGBT串联电路的制作方法

本发明属于电力电子应用技术领域，涉及一种基于磁开关延时同步的igbt串联电路。

背景技术：

由于固态绝缘栅双极性晶体管(igbt)具有长寿命、高重频等优点，在脉冲功率技术中得到了广泛应用。实际应用中通常采用igbt串连使用方式以提高其工作电压，而串联使用时，由于各级驱动电路以及igbt的特性差异，各级开关的导通时间存在着一定的不同期性，带来了开通过程的动态均压问题。为满足动态均压的需要，在其不同期的时间窗口内，igbt的并联均压支路应满足钳位充电电压的需要，因此需要降额使用igbt的工作电压。

依据上述技术方案，如需提高igbt串连组件的电压安全裕量，就需要进一步降低各级igbt的工作电压，并提高各级并联均压支路的rc参数，增加串联级数。这些无疑会影响到igbt的技术参数，并增加其内部损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于磁开关延时同步的igbt串联电路，该电路中各级igbt模块的导通损耗较低。

为达到上述目的，本发明所述的基于磁开关延时同步的igbt串联电路包括触发控制单元、磁开关、复位电源、电源及半导体开关，所述半导体开关由若干igbt模块组成，其中，磁开关包括磁芯以及缠绕于磁芯上的复位绕组及磁开关绕组，其中，复位绕组的两端分别与复位电源的正负极相连接，磁开关绕组的一端与电源的正极相连接，磁开关绕组的另一端与第一个igbt模块的集电极相连接，前一个igbt模块的发射极与后一个igbt模块的集电极相连接，最后一个igbt模块的发射极与电源的负极相连接，各igbt模块的门极分别与触发控制单元相连接。

各igbt模块均并联有rc动态均压支路。

rc动态均压支路包括缓冲电阻及缓冲电容，其中，缓冲电阻的一端与缓冲电容的一端相连接，缓冲电阻的另一端与对应igbt模块的集电极相连接，缓冲电容的另一端与对应ibgt模块的发射极相连接。

磁芯所用材料的磁化曲线为矩形曲线。

磁芯所用材料为金属磁化玻璃材料。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于磁开关延时同步的igbt串联电路在工作时，在负载状况快速发生变化时，磁开关的输入与输出之间被瞬时阻挡，在阻挡期间只有微弱电流流向半导体开关，半导体开关在该阻挡期间内全部完成安全可靠导通，从而有效的降低各级igbt模块导通的损耗，改善系统的动态均压效果，提高igbt模块钳位电压的安全裕量，加快所控线路中导通电流的上升速度，以获得更窄的电流及电压输出波形。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明工作过程中半导体开关两端电压、电流及开通损耗的对比图。

其中，1为磁开关、2为半导体开关、3为复位绕组、4为磁芯、5为磁开关绕组、6为触发控制单元、7为igbt模块、8为缓冲电阻、9为缓冲电容。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的基于磁开关延时同步的igbt串联电路包括触发控制单元6、磁开关1、复位电源、电源及半导体开关2，所述半导体开关2由若干igbt模块7组成，其中，磁开关1包括磁芯4以及缠绕于磁芯4上的复位绕组3及磁开关绕组5，其中，复位绕组3的两端分别与复位电源的正负极相连接，磁开关绕组5的一端与电源的正极相连接，磁开关绕组5的另一端与第一个igbt模块7的集电极相连接，前一个igbt模块7的发射极与后一个igbt模块7的集电极相连接，最后一个igbt模块7的发射极与电源的负极相连接，各igbt模块7的门极分别与触发控制单元6相连接。

各igbt模块7均并联有rc动态均压支路，rc动态均压支路包括缓冲电阻8及缓冲电容9，其中，缓冲电阻8的一端与缓冲电容9的一端相连接，缓冲电阻8的另一端与对应igbt模块7的集电极相连接，缓冲电容9的另一端与对应ibgt模块的发射极相连接。

磁开关1的伏秒积参数能够使得各级igbt模块7可靠导通，在各级igbt模块7开通过程中，集电极和发射极的电压由高压向低压转换，此时，电源电流由于磁开关1的阻挡而截止，在各级igbt模块7良好导通后磁开关1趋于饱和，从而使大电流通过igbt模块7。

磁芯4所用材料的磁化曲线为矩形曲线，例如，磁芯4所用材料为金属磁化玻璃材料，以便于磁开关1获得更为理想的开关特性及更为明快的开关节奏，即，磁开关1在非饱和阻挡期间内，磁开关1所通过的电流接近于0，而饱和开通后磁开关1的电感量近似为0；磁开关1的作用时间一般为纳秒级，在纳秒级或亚微秒级的脉冲功率应用中，可利用该磁压缩效应调节输出电流及电压波形，以获取更快的脉冲前沿及更窄的输出波形。

本发明的工作过程为：

复位线圈3正常工作后，等待触发控制单元6发出导通信号，触发控制单元6控制各igbt模块7导通，由于igbt模块7出厂的寄生参数及外部电路参数的差异，多级igbt模块7之间的开关时间将会有所差异。在现有技术中，半导体开关2工作时多级igbt模块7之间的开关时间不一致，造成后导通的开关承受全部电源能量，因此在长期运行过程中串联开关易损毁，并且单级损毁后系统能量越大故障扩大的速度将会越快。在本发明中由于磁开关1的作用，在负载状况快速发生变化时，磁开关1的输入与输出之间将会进行瞬时阻挡，在阻挡期间，磁开关1只有微弱漏电流流向半导体开关2，即在igbt模块7开通过程中，在磁开关1的阻挡作用下，使得微弱电流的流向缓冲电容9及缓冲电阻8。

由于导通初期不同步期间的电流受限，因此大大减小了外部缓冲电路中缓冲电容9及缓冲电阻8的参数值。而随着缓冲电容9及缓冲电阻8数值的减小，在半导体开关2导通瞬间，缓冲电容9通过缓冲电阻8及igbt模块7放电所产生的电路损耗将大幅减小，再在动态均压电路的配合下，半导体开关2将在磁开关1阻挡时间内完成全部安全可靠导通，以实现igbt模块7的同步开关，降低回路的动态均压电路损耗。

参考图2，从半导体开关2开始导通时刻t1至半导体开关2全部导通时刻t2，半导体开关2两端的电压由系统电压降低至半导体开关2导通压降最低电压，通过调整磁开关1的伏秒积参数，使半导体开关2在半导体开关2的两端电压降低至接近为0时磁开关1仍进行阻挡。由于磁开关1的阻挡，半导体开关2在导通过程中，其电压降落和大电流增加不发生在同一时间窗口内，因此大规模应用中的高频开关导通损耗大大降低。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于磁开关延时同步的IGBT串联电路，包括触发控制单元、磁开关、复位电源、电源及半导体开关，所述半导体开关由若干IGBT模块组成，其中，磁开关包括磁芯以及缠绕于磁芯上的复位绕组及磁开关绕组，其中，复位绕组的两端分别与复位电源的正负极相连接，磁开关绕组的一端与电源的正极相连接，磁开关绕组的另一端与第一个IGBT模块的集电极相连接，前一个IGBT模块的发射极与后一个IGBT模块的集电极相连接，最后一个IGBT模块的发射极与电源的负极相连接，各IGBT模块的门极分别与触发控制单元相连接，该电路能够降低各级IGBT模块的导通损耗。

技术研发人员：翟小社;王建华;姚晓飞;张伟
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2018.04.25
技术公布日：2018.11.02