一種igbt並聯均流電路的製作方法
2023-05-14 07:27:11 2
一種igbt並聯均流電路的製作方法
【專利摘要】本發明的目的在於提供的一種IGBT並聯均流電路，克服了IGBT並聯電路因驅動信號不同步造成均流不均衡的問題，其主要技術方案為一種IGBT並聯均流電路，包括N個並聯的IGBT模塊、RCD吸收電路與負載，其中RCD吸收電路並接於IGBT模塊兩端，電源通過負載與IGBT模塊連接；所述並聯的IGBT模塊中各IGBT柵極短接，所述RCD吸收電路由二極體、電阻、電容構成，電阻並接於二極體兩端，電容串接於二極體負極，電容兩端還並接電容放電迴路。該電路實現了IGBT並聯電路的均流，提高了IGBT模塊的工作可靠性，避免器件損壞；同時，實現了對IGBT並聯均流電路的軟開關，降低了開關過程中的功率損耗，防止IGBT過熱，有效保護IGBT器件及電路；並且電路結構簡單、工作穩定性高、製造成本低。
【專利說明】—種IGBT並聯均流電路
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力電子【技術領域】，具體涉及一種IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)並聯均流電路。
【背景技術】
[0002]隨著工業化的深入發展，對功率開關的要求也越來越高，尤其隨著軌道交通行業和感應加熱行業對兆瓦級大功率器件的需求與日俱增，對IGBT的電流、電壓及功耗等級提出了更高的要求。為滿足大功率電路設計的需求，通常直接採用大功率等級的IGBT，或者採用功率等級較小的IGBT通過串並聯使用；前者將大大增加產品成本和驅動電路的複雜性，後者因其市場貨源充足、驅動功率低且驅動線路簡單而受到廣泛研究。因此，採用IGBT並聯提高電流以滿足工業要求，具有很大的實際應用價值。然而，在IGBT器件並聯使用時，IGBT器件參數不一致、驅動信號不同步、電路布局不對稱等因素都會造成流過並聯IGBT器件的電流分配不均衡。均流不佳導致部分IGBT器件工作時過電流不足、而部分IGBT器件過載，大大降低IGBT器件的可靠性，導致設備輸出效果不理想，甚至造成IGBT器件和裝置損壞。
[0003]目前，常用的IGBT並聯電路結構框圖如圖1所示，包括N個並聯的IGBT模塊、N為整數、N≥2，RCD吸收電路與負載，其中RCD吸收電路與IGBT模塊並聯，電源Vcc通過負載與IGBT模塊連接。IGBT模塊柵極加載驅動信號，驅動信號不同步則會造成並聯IGBT器件間均流不均衡，大大降低IGBT可靠性，甚至造成IGBT和裝置損壞。並且當IGBT器件工作在較高頻率時，IGBT的硬開關功耗也是一個不得不考慮的問題，尤其是開通和關斷的瞬間將承受很大的浪湧電流和尖峰電壓，使得IGBT模塊過熱，嚴重的時候會使得器件失效甚至損壞主電路。因此，IGBT並聯均流技術和軟開關技術成為了我們研究重點。
【發明內容】
[0004]本發明目的在於提供IGBT並聯均流電路，解決了現有IGBT並聯電路因驅動信號不同步造成均流不均衡，導致IGBT可靠性降低、甚至損壞IGBT器件的問題，同時採用軟開關技術有效減小開關過程中的功率損耗，防止IGBT過熱，保護器件及電路。
[0005]本發明的技術方案為:一種IGBT並聯均流電路，包括N個並聯的IGBT模塊、N為整數、N≥2，RCD吸收電路與負載，其中RCD吸收電路並接於IGBT模塊兩端，電源通過負載與IGBT模塊連接；其特徵在於，所述並聯的IGBT模塊中各IGBT柵極短接，所述RCD吸收電路由二極體、電阻、電容構成，電阻並接於二極體兩端，電容串接於二極體負極，電容兩端還並接電容放電迴路。
[0006]進一步的，所述電容放電迴路由MOSFET開關管與三個並聯的放電電阻構成，並聯後放電電阻一端與電容共接信號地，另一端接MOSFET開關管源級，MOSFET開關管漏極接電容另一端；控制信號加載於MOSFET開關管柵極。
[0007]進一步的，所述IGBT模塊由IGBT、柵極電阻、防誤導通電阻構成；防誤導通電阻接於IGBT柵極與源極之間，用於防止IGBT在工作中因外界電磁幹擾出現誤導通；IGBT柵極通過柵極電阻接驅動信號，漏極通過負載接電源，源極接信號地。優選的，防誤導通電阻阻值為IOK Ω。
[0008]本發明提供的IGBT並聯均流電路，採用IGBT柵極短接設計，克服了因驅動信號不同步造成均流不均衡的問題，實現了 IGBT並聯電路的均流，特別適用於IGBT數量很大的IGBT並聯電路，提高了 IGBT模塊的工作可靠性，避免器件損壞。同時，採用在RCD吸收電路中的電容上並接電容放電迴路的設計，實現了對IGBT並聯均流電路的軟開關，降低了開關過程中的功率損耗，防止IGBT過熱，有效保護IGBT器件及電路。本發明提供的IGBT並聯均流電路電路結構簡單、工作穩定性高、製造成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為常用IGBT並聯電路結構框圖。
[0010]圖2為本發明IGBT並聯均流電路結構框圖。
[0011]圖3為本發明實施例1中IGBT並聯均流電路圖。
[0012]圖4為常用IGBT並聯電路中IGBT電流仿真波形圖，其中IGBT模塊數為3，II，12和13分別表示3個IGBT的電流波形。
[0013]圖5為本發明實施例1中IGBT並聯均流電路的3個IGBT電流仿真波形圖。
[0014]圖6為常用IGBT並聯電路中IGBT柵極電壓仿真波形圖，其中IGBT模塊數為3，VI，V2和V3分別表示3個IGBT的柵極電壓波形。
[0015]圖7為本發明實施例1中IGBT並聯均流電路的3個IGBT柵極電壓仿真波形圖。
[0016]圖8為常用IGBT並聯電路中IGBT電壓電流波形圖，其中實線為IGBT電壓波形，虛線為IGBT電流波形。
[0017]圖9為本發明實施例1中IGBT並聯均流電路的IGBT電壓電流波形圖，其中實線為IGBT電壓波形，虛線為IGBT電流波形。
[0018]圖10、圖11為圖9局部放大圖，其中圖10表示IGBT開通時刻電壓電流波形、圖11表示IGBT關斷時刻電壓電流波形，實線為IGBT電壓波形，虛線為IGBT電流波形。
【具體實施方式】
[0019]以下結合具體實施例與附圖，對本發明做進一步的詳細說明。
[0020]實施例1
[0021]本實施例中IGBT並聯均流電路由3個IGBT模塊(D1、D2、D3)、RCD吸收電路、感性負載、電容放電迴路及直流電源構成。所述直流電源Vcc作為供電電源、正極接感性負載，負極接信號地。所述感性負載由寄生電感LP、感性負載Lload、阻性負載RL、2個續流二極體構成；寄生電感LP —端接直流電源、另一端依次串接感性負載Lload與阻性負載RL，第一續流二極體VDl反向並接於感性負載Lload兩端，第二續流二極體VD2反向並接於感性負載Lload與阻性負載RL兩端。所述IGBT模塊Dl、D2、D3並聯後IGBT漏極共接於阻性負載RL另一端，源極共接信號地；驅動信號Sigl、Sig2、Sig3分別對應加載於D1、D2、D3柵極；並3個IGBT柵極短接。所述RCD吸收電路由二極體VDs、電阻Rs、電容Cs構成，二極體VDs正極接於IGBT漏極，二極體VDs負極串接電容Cs，電容Cs —端接信號地，電阻Rs並接於二極體VDs兩端。所述電容放電迴路由MOSFET開關管Ml與三個並聯的放電電阻(Rml、Rm2、Rm3)構成，放電電阻並聯後一端接MOSFET開關管源級，另一端與電容Cs共接信號地，MOSFET開關管漏極接電容Cs另一端；控制信號SigO加載於MOSFET開關管柵極，即電容放電迴路並接於RCD吸收電路中電容Cs兩端。
[0022]本實施例中IGBT並聯均流電路將3個IGBT的柵極短接，設定IGBT的開啟電壓為V0,電路中所給的IGBT驅動導通電壓為1.2V。，關斷電壓為-1.2V00當Dl驅動導通信號到來的時候，D2、D3的柵極還處在-1.2V。關斷反壓狀態，由於D1、D2、D3的柵極短接在一起，那麼每個IGBT柵極上的電壓為V= (1.2V0-1.2V0-1.2V0)/3=-0.4V0,因此達不到開啟電壓而無法開啟；當02驅動導通信號也到來時候，則每個IGBT柵極上的電壓為V=( 1.2V0+1.2V0-1.2V0)/3=0.4V0,仍然達不到開啟電壓而無法開啟，當D3驅動導通信號也到來時候，每個IGBT柵極上的電壓為V= (1.2V0+1.2V0+1.2 V0) /3=1.2 V0,達到開啟電壓而使3個IGBT同步開啟。同理，當Dl驅動關斷信號到來的時候，其D2、D3的柵極還處在+1.2V0導通狀態，那麼每個IGBT柵極上的電壓為V=( 1.2V0+1.2V0-1.2V0)/3=0.4V0,小於開啟電壓，因而三個全部關斷，由此可見本發明實現並聯IGBT的開關狀態的同步。
[0023]採用pspice軟體對常用IGBT並聯電路與本實施例1GBT並聯均流電路分別進行仿真。其IGBT仿真電流波形分別如圖4、圖5所示，圖4表示常用IGBT並聯電路中3個IGBT導通期間電流波形，可以看到由於驅動信號不同步，造成其導通關斷狀態不一致，先導通或者後關斷的IGBT則會承受過大的電流；圖5表示本實施例1GBT並聯均流電路中3個IGBT電流波形，可以看出3個IGBT的電流幾乎相同，沒有出現過流現象。仿真電路中IGBT驅動信號的電壓波形分別如圖6、圖7所示，對比可以看出，本實施例1GBT並聯均流電路中3個IGBT的柵極電壓信號相互關聯，如果Dl柵極電壓信號上升沿如果先於D2柵極電壓信號上升沿和D3柵極電壓信號上升沿之前到來，由於Dl、D2、D3柵極短接，因此Dl柵極電壓信號上升沿會被減緩上升速率，Dl柵極電壓信號上升沿在D2、D3柵極電壓信號上升沿沒到來之前無法達到最大值，只有當D1、D2、D3三個柵極驅動信號全部為高電平時，三個IGBT才能導通，從而實現3個IGBT同步開通；而當Dl柵極電壓信號下升沿到來的時候會導致3個IGBT柵極電壓信號同步下降，實現3個IGBT同步關斷。綜上所述，本實施例能夠克服驅動信號不同步對IGBT並聯電路造成均流不均衡的缺陷，實現了 IGBT並聯電路的均流。
[0024]常用IGBT並聯電路在工作過程中可分為IGBT關斷狀態與IGBT閉合狀態。在電路運行過程中，電路有兩個電流通路，第一個是Vcc、負載、VDs和Cs構成迴路1，此時，Vcc通過VDs向Cs充電，Cs儲存電能；第二個是Vcc、負載、Dl、D2、D3、Cs、和Rs構成的迴路2。在IGBT關斷狀態時，由於迴路I的存在，Vcc通過VDs向Cs充電，Cs儲存電能，Cs上有電壓，因此在IGBT關斷狀態切換到開通狀態的瞬間會導致IGBT開通時出現明顯的硬開通效應。在IGBT閉合狀態時，Vcc通過IGBT構成工作迴路，同時Cs通過Rs和並聯的IGBT也構成放電迴路，也即是迴路2，此時電容Cs在IGBT關斷狀態儲存的能量會通過IGBT形成續流迴路，與Vcc的放電迴路疊加在一起，此時IGBT閉合狀態切換到關斷狀態的瞬間，會導致IGBT開關出現明顯的硬關斷效應。而本實施例1GBT並聯均流電路中，採用電容放電迴路並接於電容Cs的設計；在電路運行過程中，電路有四個電流通路，第一個是Vcc、負載、VDs和Cs構成迴路I，此時，Vcc通過VDs向Cs充電，Cs儲存電能；第二個是VCC、負載、VDs、Ml和放電電阻(Rm)構成的迴路2 ;第三個是Cs、Ml和Rm構成的迴路3，當迴路3導通時，Cs儲存電能的大部分電能會釋放到迴路3中的電阻上；第四個是VCC、負載、Dl、D2、D3、Cs、和Rs構成的迴路4，在IGBT由導通狀態切換到關斷狀態的很短時間裡，打開放電迴路，那麼在這很短的時間內電路中將出現迴路I和迴路2共存的狀態，由於迴路2的存在，此時Vcc向Cs儲存電能的速率很慢，Cs電壓極低，此時IGBT關斷就實現了軟關斷；同理在IGBT由關斷狀態向閉合狀態切換的時刻的很短時間裡，打開放電迴路，那麼在這很短的時間內電路中將出現迴路3和迴路4共存的狀態，由於迴路3的存在，Cs儲存的絕大部分電能通過放電迴路釋放掉，極少部分電能和Vcc的放電迴路疊加在一起，從而IGBT的開通時刻就實現了軟開通。綜上所述即實現了對IGBT並聯均流電路的軟開關。
[0025]分別對常用IGBT並聯電路與本實施例1GBT並聯均流電路中IGBT的開通和關斷的電流電壓進行仿真，其結果分別如圖8、圖9所示。如圖8所示可以看到IGBT開通時，開關器件的電流上升和電壓下降同時進行；IGBT關斷時，電壓上升和電流下降同時進行，存在明顯的電壓、電流波形交疊，即產生開關損耗，稱之為硬開關。如圖9所示，IGBT開通時，開關器件的電流上升和電壓下降並沒有同時進行；IGBT關斷時，電壓上升和電流下降也沒有同時進行。圖10、圖11分別為IGBT開通和關斷狀態的電流電壓波形圖，如圖10和圖11所示，可以明顯的看出電壓、電流波形的交疊面積極小，即實現了軟開關。綜上所述，本實施例中採用在RCD吸收電路中的電容上並接放電迴路的設計，實現了對IGBT並聯均流電路的軟開關，降低了開關過程中的功率損耗，防止IGBT過熱，有效保護IGBT器件及電路。
[0026]綜上，本發明提供的IGBT並聯均流電路，克服了因驅動信號不同步造成均流不均衡的問題，實現了 IGBT並聯電路的均流，同時，實現了對IGBT並聯均流電路的軟開關，且該IGBT並聯均流電路電路結構簡單、工作穩定性高、製造成本低。本發明並不局限於本實施例，特別適用於IGBT數量很大的IGBT並聯電路。
【權利要求】
1.一種IGBT並聯均流電路，包括N個並聯的IGBT模塊、N為整數、N≥2，RCD吸收電路與負載，其中RCD吸收電路並接於IGBT模塊兩端，電源通過負載與IGBT模塊連接；其特徵在於，所述並聯的IGBT模塊中各IGBT柵極短接，所述RCD吸收電路由二極體、電阻、電容構成，電阻並接於二極體兩端，電容串接於二極體負極，電容兩端還並接電容放電迴路。
2.按權利要求1所述一種IGBT並聯均流電路，其特徵在於，所述電容放電迴路由MOSFET開關管與三個並聯的放電電阻構成，並聯後放電電阻一端與電容共接信號地，另一端接MOSFET開關管源極，MOSFET開關管漏極接電容另一端；控制信號加載於MOSFET開關管柵極。
3.按權利要求1所述一種IGBT並聯均流電路，其特徵在於，所述IGBT模塊由IGBT、柵極電阻、防誤導通電阻構成；防誤導通電阻接於IGBT柵極與源極之間，用於防止IGBT在工作中因外界電磁幹擾出現誤導通；IGBT柵極通過柵極電阻接驅動信號，漏極通過負載接電源，源極接信 號地。
【文檔編號】H02M1/00GK103633820SQ201310627544
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2013年11月28日
【發明者】畢闖, 侯鵬, 向勇, 盧華 申請人:電子科技大學