CN103633820B - 一种igbt并联均流电路 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供的一种IGBT并联均流电路，克服了IGBT并联电路因驱动信号不同步造成均流不均衡的问题，其主要技术方案为一种IGBT并联均流电路，包括N个并联的IGBT模块、RCD吸收电路与负载，其中RCD吸收电路并接于IGBT模块两端，电源通过负载与IGBT模块连接；所述并联的IGBT模块中各IGBT栅极短接，所述RCD吸收电路由二极管、电阻、电容构成，电阻并接于二极管两端，电容串接于二极管负极，电容两端还并接电容放电回路。该电路实现了IGBT并联电路的均流，提高了IGBT模块的工作可靠性，避免器件损坏；同时，实现了对IGBT并联均流电路的软开关，降低了开关过程中的功率损耗，防止IGBT过热，有效保护IGBT器件及电路；并且电路结构简单、工作稳定性高、制造成本低。

Description

一种IGBT并联均流电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种IGBT（绝缘栅双极型晶体管）并联均流电路。

背景技术

随着工业化的深入发展，对功率开关的要求也越来越高，尤其随着轨道交通行业和感应加热行业对兆瓦级大功率器件的需求与日俱增，对IGBT的电流、电压及功耗等级提出了更高的要求。为满足大功率电路设计的需求，通常直接采用大功率等级的IGBT，或者采用功率等级较小的IGBT通过串并联使用；前者将大大增加产品成本和驱动电路的复杂性，后者因其市场货源充足、驱动功率低且驱动线路简单而受到广泛研究。因此，采用IGBT并联提高电流以满足工业要求，具有很大的实际应用价值。然而，在IGBT器件并联使用时，IGBT器件参数不一致、驱动信号不同步、电路布局不对称等因素都会造成流过并联IGBT器件的电流分配不均衡。均流不佳导致部分IGBT器件工作时过电流不足、而部分IGBT器件过载，大大降低IGBT器件的可靠性，导致设备输出效果不理想，甚至造成IGBT器件和装置损坏。

目前，常用的IGBT并联电路结构框图如图1所示，包括N个并联的IGBT模块、N为整数、N≥2，RCD吸收电路与负载，其中RCD吸收电路与IGBT模块并联，电源Vcc通过负载与IGBT模块连接。IGBT模块栅极加载驱动信号，驱动信号不同步则会造成并联IGBT器件间均流不均衡，大大降低IGBT可靠性，甚至造成IGBT和装置损坏。并且当IGBT器件工作在较高频率时，IGBT的硬开关功耗也是一个不得不考虑的问题，尤其是开通和关断的瞬间将承受很大的浪涌电流和尖峰电压，使得IGBT模块过热，严重的时候会使得器件失效甚至损坏主电路。因此，IGBT并联均流技术和软开关技术成为了我们研究重点。

发明内容

本发明目的在于提供IGBT并联均流电路，解决了现有IGBT并联电路因驱动信号不同步造成均流不均衡，导致IGBT可靠性降低、甚至损坏IGBT器件的问题，同时采用软开关技术有效减小开关过程中的功率损耗，防止IGBT过热，保护器件及电路。

本发明的技术方案为：一种IGBT并联均流电路，包括N个并联的IGBT模块、N为整数、N≥2，RCD吸收电路与负载，其中RCD吸收电路并接于IGBT模块两端，电源通过负载与IGBT模块连接；其特征在于，所述并联的IGBT模块中各IGBT栅极短接，所述RCD吸收电路由二极管、电阻、电容构成，电阻并接于二极管两端，电容串接于二极管负极，电容两端还并接电容放电回路。

进一步的，所述电容放电回路由MOSFET开关管与三个并联的放电电阻构成，并联后放电电阻一端与电容共接信号地，另一端接MOSFET开关管源级，MOSFET开关管漏极接电容另一端；控制信号加载于MOSFET开关管栅极。

进一步的，所述IGBT模块由IGBT、栅极电阻、防误导通电阻构成；防误导通电阻接于IGBT栅极与源极之间，用于防止IGBT在工作中因外界电磁干扰出现误导通；IGBT栅极通过栅极电阻接驱动信号，漏极通过负载接电源，源极接信号地。优选的，防误导通电阻阻值为10KΩ。

本发明提供的IGBT并联均流电路，采用IGBT栅极短接设计，克服了因驱动信号不同步造成均流不均衡的问题，实现了IGBT并联电路的均流，特别适用于IGBT数量很大的IGBT并联电路，提高了IGBT模块的工作可靠性，避免器件损坏。同时，采用在RCD吸收电路中的电容上并接电容放电回路的设计，实现了对IGBT并联均流电路的软开关，降低了开关过程中的功率损耗，防止IGBT过热，有效保护IGBT器件及电路。本发明提供的IGBT并联均流电路电路结构简单、工作稳定性高、制造成本低。

附图说明

图1为常用IGBT并联电路结构框图。

图2为本发明IGBT并联均流电路结构框图。

图3为本发明实施例1中IGBT并联均流电路图。

图4为常用IGBT并联电路中IGBT电流仿真波形图，其中IGBT模块数为3，I1，I2和I3分别表示3个IGBT的电流波形。

图5为本发明实施例1中IGBT并联均流电路的3个IGBT电流仿真波形图。

图6为常用IGBT并联电路中IGBT栅极电压仿真波形图，其中IGBT模块数为3，V1，V2和V3分别表示3个IGBT的栅极电压波形。

图7为本发明实施例1中IGBT并联均流电路的3个IGBT栅极电压仿真波形图。

图8为常用IGBT并联电路中IGBT电压电流波形图，其中实线为IGBT电压波形，虚线为IGBT电流波形。

图9为本发明实施例1中IGBT并联均流电路的IGBT电压电流波形图，其中实线为IGBT电压波形，虚线为IGBT电流波形。

图10、图11为图9局部放大图，其中图10表示IGBT开通时刻电压电流波形、图11表示IGBT关断时刻电压电流波形，实线为IGBT电压波形，虚线为IGBT电流波形。

具体实施方式

以下结合具体实施例与附图，对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

本实施例中IGBT并联均流电路由3个IGBT模块（D1、D2、D3）、RCD吸收电路、感性负载、电容放电回路及直流电源构成。所述直流电源Vcc作为供电电源、正极接感性负载，负极接信号地。所述感性负载由寄生电感LP、感性负载Lload、阻性负载RL、2个续流二极管构成；寄生电感LP一端接直流电源、另一端依次串接感性负载Lload与阻性负载RL，第一续流二极管VD1反向并接于感性负载Lload两端，第二续流二极管VD2反向并接于感性负载Lload与阻性负载RL两端。所述IGBT模块D1、D2、D3并联后IGBT漏极共接于阻性负载RL另一端，源极共接信号地；驱动信号Sig1、Sig2、Sig3分别对应加载于D1、D2、D3栅极；并3个IGBT栅极短接。所述RCD吸收电路由二极管VDs、电阻Rs、电容Cs构成，二极管VDs正极接于IGBT漏极，二极管VDs负极串接电容Cs，电容Cs一端接信号地，电阻Rs并接于二极管VDs两端。所述电容放电回路由MOSFET开关管M1与三个并联的放电电阻（Rm1、Rm2、Rm3）构成，放电电阻并联后一端接MOSFET开关管源级，另一端与电容Cs共接信号地，MOSFET开关管漏极接电容Cs另一端；控制信号Sig0加载于MOSFET开关管栅极，即电容放电回路并接于RCD吸收电路中电容Cs两端。

本实施例中IGBT并联均流电路将3个IGBT的栅极短接，设定IGBT的开启电压为V₀，电路中所给的IGBT驱动导通电压为1.2V₀，关断电压为-1.2V₀。当D1驱动导通信号到来的时候，D2、D3的栅极还处在-1.2V₀关断反压状态，由于D1、D2、D3的栅极短接在一起，那么每个IGBT栅极上的电压为V=（1.2V₀-1.2V₀-1.2V₀）/3=-0.4V₀，因此达不到开启电压而无法开启；当D2驱动导通信号也到来时候，则每个IGBT栅极上的电压为V=（1.2V₀+1.2V₀-1.2V₀）/3=0.4V₀，仍然达不到开启电压而无法开启，当D3驱动导通信号也到来时候，每个IGBT栅极上的电压为V=（1.2V₀+1.2V₀+1.2V₀）/3=1.2V₀，达到开启电压而使3个IGBT同步开启。同理，当D1驱动关断信号到来的时候，其D2、D3的栅极还处在+1.2V₀导通状态，那么每个IGBT栅极上的电压为V=（1.2V₀+1.2V₀-1.2V₀）/3=0.4V₀，小于开启电压，因而三个全部关断，由此可见本发明实现并联IGBT的开关状态的同步。

采用pspice软件对常用IGBT并联电路与本实施例IGBT并联均流电路分别进行仿真。其IGBT仿真电流波形分别如图4、图5所示，图4表示常用IGBT并联电路中3个IGBT导通期间电流波形，可以看到由于驱动信号不同步，造成其导通关断状态不一致，先导通或者后关断的IGBT则会承受过大的电流；图5表示本实施例IGBT并联均流电路中3个IGBT电流波形，可以看出3个IGBT的电流几乎相同，没有出现过流现象。仿真电路中IGBT驱动信号的电压波形分别如图6、图7所示，对比可以看出，本实施例IGBT并联均流电路中3个IGBT的栅极电压信号相互关联，如果D1栅极电压信号上升沿如果先于D2栅极电压信号上升沿和D3栅极电压信号上升沿之前到来，由于D1、D2、D3栅极短接，因此D1栅极电压信号上升沿会被减缓上升速率，D1栅极电压信号上升沿在D2、D3栅极电压信号上升沿没到来之前无法达到最大值，只有当D1、D2、D3三个栅极驱动信号全部为高电平时，三个IGBT才能导通，从而实现3个IGBT同步开通；而当D1栅极电压信号下升沿到来的时候会导致3个IGBT栅极电压信号同步下降，实现3个IGBT同步关断。综上所述，本实施例能够克服驱动信号不同步对IGBT并联电路造成均流不均衡的缺陷，实现了IGBT并联电路的均流。

常用IGBT并联电路在工作过程中可分为IGBT关断状态与IGBT闭合状态。在电路运行过程中，电路有两个电流通路，第一个是Vcc、负载、VDs和Cs构成回路1，此时，Vcc通过VDs向Cs充电，Cs储存电能；第二个是Vcc、负载、D1、D2、D3、Cs、和Rs构成的回路2。在IGBT关断状态时，由于回路1的存在，Vcc通过VDs向Cs充电，Cs储存电能，Cs上有电压，因此在IGBT关断状态切换到开通状态的瞬间会导致IGBT开通时出现明显的硬开通效应。在IGBT闭合状态时，Vcc通过IGBT构成工作回路，同时Cs通过Rs和并联的IGBT也构成放电回路，也即是回路2，此时电容Cs在IGBT关断状态储存的能量会通过IGBT形成续流回路，与Vcc的放电回路叠加在一起，此时IGBT闭合状态切换到关断状态的瞬间，会导致IGBT开关出现明显的硬关断效应。而本实施例IGBT并联均流电路中，采用电容放电回路并接于电容Cs的设计；在电路运行过程中，电路有四个电流通路，第一个是Vcc、负载、VDs和Cs构成回路1，此时，Vcc通过VDs向Cs充电，Cs储存电能；第二个是VCC、负载、VDs、M1和放电电阻（Rm）构成的回路2；第三个是Cs、M1和Rm构成的回路3，当回路3导通时，Cs储存电能的大部分电能会释放到回路3中的电阻上；第四个是VCC、负载、D1、D2、D3、Cs、和Rs构成的回路4，在IGBT由导通状态切换到关断状态的很短时间里，打开放电回路，那么在这很短的时间内电路中将出现回路1和回路2共存的状态，由于回路2的存在，此时Vcc向Cs储存电能的速率很慢，Cs电压极低，此时IGBT关断就实现了软关断；同理在IGBT由关断状态向闭合状态切换的时刻的很短时间里，打开放电回路，那么在这很短的时间内电路中将出现回路3和回路4共存的状态，由于回路3的存在，Cs储存的绝大部分电能通过放电回路释放掉，极少部分电能和Vcc的放电回路叠加在一起，从而IGBT的开通时刻就实现了软开通。综上所述即实现了对IGBT并联均流电路的软开关。

分别对常用IGBT并联电路与本实施例IGBT并联均流电路中IGBT的开通和关断的电流电压进行仿真，其结果分别如图8、图9所示。如图8所示可以看到IGBT开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；IGBT关断时，电压上升和电流下降同时进行，存在明显的电压、电流波形交叠，即产生开关损耗，称之为硬开关。如图9所示，IGBT开通时，开关器件的电流上升和电压下降并没有同时进行；IGBT关断时，电压上升和电流下降也没有同时进行。图10、图11分别为IGBT开通和关断状态的电流电压波形图，如图10和图11所示，可以明显的看出电压、电流波形的交叠面积极小，即实现了软开关。综上所述，本实施例中采用在RCD吸收电路中的电容上并接放电回路的设计，实现了对IGBT并联均流电路的软开关，降低了开关过程中的功率损耗，防止IGBT过热，有效保护IGBT器件及电路。

综上，本发明提供的IGBT并联均流电路，克服了因驱动信号不同步造成均流不均衡的问题，实现了IGBT并联电路的均流，同时，实现了对IGBT并联均流电路的软开关，且该IGBT并联均流电路电路结构简单、工作稳定性高、制造成本低。本发明并不局限于本实施例，特别适用于IGBT数量很大的IGBT并联电路。

Claims (2)

1.一种IGBT并联均流电路，包括N个并联的IGBT模块、N为整数、N>2，RCD吸收电路与负载，其中RCD吸收电路并接于IGBT模块两端，电源通过负载与IGBT模块连接；其特征在于，所述并联的IGBT模块中各IGBT栅极短接，所述RCD吸收电路由二极管、电阻、电容构成，电阻并接于二极管两端，电容串接于二极管负极，电容两端还并接电容放电回路；所述电容放电回路由MOSFET开关管与三个并联的放电电阻构成，并联后放电电阻一端与电容共接信号地，另一端接MOSFET开关管源极，MOSFET开关管漏极接电容另一端；控制信号加载于MOSFET开关管栅极。

2.按权利要求1所述一种IGBT并联均流电路，其特征在于，所述IGBT模块由IGBT、栅极电阻、防误导通电阻构成；防误导通电阻接于IGBT栅极与源极之间，用于防止IGBT在工作中因外界电磁干扰出现误导通；IGBT栅极通过栅极电阻接驱动信号，漏极通过负载接电源，源极接信号地。