CN112636567A - 一种igbt均压电路及变频器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种IGBT均压电路及变频器，涉及变频器均压技术领域。IGBT均压电路包括IGBT、栅极箝位单元、电阻串联组件、第一电流灌入单元以及第二电流灌入单元，电阻串联组件包括第一电阻以及第二电阻；栅极箝位单元分别与IGBT的栅极、第一电阻以及第二电阻连接；第一电阻与第二电阻串联在IGBT的集电极与IGBT的发射极之间；第一电流灌入单元与第一电阻并联，第二电流灌入单元与第二电阻并联；第一电流灌入单元与第二电流灌入单元均设有箝位电压；第一电流灌入单元与第二电流灌入单元均用于在电压高于自身的箝位电压时向IGBT的栅极灌入电流。通过向IGBT的栅极灌入电流能够强化栅极对IGBT的有源控制效果，从而提升均压效果。

Description

一种IGBT均压电路及变频器

技术领域

本发明涉及变频器均压技术领域，尤其涉及一种IGBT均压电路及变频器。

背景技术

IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)是中高压传动领域常用的功率半导体器件，以及调制和控制算法的执行单元，其耐压等级很大程度上影响了变频器功率拓扑选型、控制算法复杂度、整机成本体积以及运行效率等关键指标。近年来，中高压变频器朝着节能环保、国产化替代以及高可靠性的趋势快速发展。应用IGBT串联技术可以有效拓展变频器电压等级、取代国产率较低的高压IGBT器件、降低器件开关损耗、提升变频器载波频率、降低半导体器件成本占比和供货期等显著优势。此外，采用IGBT串联技术还可以简化中高压变频器的拓扑结构，调制和控制算法得以简化，变频器可靠性得到提升。

应用IGBT串联技术的中高压变频器包含1个直流母线电容、三相(u，v，w)逆变桥臂和三相输出电抗器(Lu，Lv，Lw)。其中，每相桥臂由上下开关单元构成，每个开关单元由N个IGBT(N为≥2的整数)的集电极和发射极首尾串联组成。每个IGBT通过一个或多个均压电路确保每个IGBT在截止时分得母线电压的1/N、在开关瞬态时电压均衡分配。根据均压电路与IGBT的连接关系不同，均压电路包含连接在集电极和发射极之间的被动均压方案和连接在集电极和栅极之间的主动均压方案。然而，现有均压电路存在均压过程有源控制效果差的问题。

发明内容

本发明实施例提出一种IGBT均压电路及变频器，旨在解决现有均压电路均压过程有源控制效果差的问题。

为了解决上述问题，第一方面，本发明实施例提出一种IGBT均压电路，所述IGBT均压电路包括IGBT、栅极箝位单元、电阻串联组件、第一电流灌入单元以及第二电流灌入单元，所述电阻串联组件包括第一电阻以及第二电阻；所述栅极箝位单元分别与所述IGBT的栅极、所述第一电阻以及所述第二电阻连接；所述第一电阻与所述第二电阻串联在所述IGBT的集电极与所述IGBT的发射极之间；所述第一电流灌入单元与所述第一电阻并联，所述第二电流灌入单元与所述第二电阻并联；所述第一电流灌入单元与所述第二电流灌入单元均设有箝位电压；所述第一电流灌入单元与所述第二电流灌入单元均用于在电压高于自身的箝位电压时向所述IGBT的栅极灌入电流。

其进一步的技术方案为，所述第一电流灌入单元包括第一箝位二极管以及第一电容，所述第一箝位二极管的负极与所述IGBT的集电极连接，所述第一箝位二极管的正极与所述第一电容连接，所述第一电容与所述第一电阻连接。

其进一步的技术方案为，所述第二电流灌入单元包括第二箝位二极管以及第二电容，所述第二箝位二极管的负极与所述第二电容连接，所述第二箝位二极管的正极与所述第二电阻连接，所述第二电容与所述第一电容连接。

其进一步的技术方案为，所述第二电流灌入单元包括第二箝位二极管以及第二电容，所述第二箝位二极管与所述第二电阻并联，所述第二电容与所述第二箝位二极管并联。

其进一步的技术方案为，所述IGBT均压电路还包括第三电流灌入单元，所述第三电流灌入单元与所述第一箝位二极管并联。

其进一步的技术方案为，所述第三电流灌入单元包括第三电阻以及第三电容，所述第三电阻与所述IGBT的集电极以及所述第三电容连接，所述第三电容与所述第一箝位二极管的正极连接。

其进一步的技术方案为，所述IGBT均压电路还包括拖尾均压单元，所述拖尾均压单元包括拖尾箝位二极管以及拖尾电阻，所述拖尾箝位二极管的负极与第一电容连接，所述拖尾箝位二极管的正极与拖尾电阻连接，所述拖尾电阻与所述第二电容连接。

其进一步的技术方案为，所述IGBT均压电路还包括拖尾均压单元，所述拖尾均压单元包括拖尾箝位二极管以及拖尾电阻，所述拖尾箝位二极管的负极与第一电容连接，所述拖尾箝位二极管的正极与拖尾电阻连接，所述拖尾电阻与所述第一电容连接。

其进一步的技术方案为，所述栅极箝位单元包括限流电阻、二极管以及栅极箝位二极管；限流电阻分别与第一电阻、第二电阻以及二极管的正极连接；二极管的负极与栅极箝位二极管的负极连接；栅极箝位二极管的正极与所述IGBT的栅极连接。

第二方面，本发明实施例提出一种变频器，所述变频器包括如第一方面所述的IGBT均压电路。

本发明实施例提出的IGBT均压电路包括第一电流灌入单元以及第二电流灌入单元，在IGBT的集电极与发射极之间的电压上升到第一电流灌入单元的箝位电压后，第一电流灌入单元往IGBT的栅极灌入电流，当电压进一步上升到第二电流灌入单元的箝位电压后，第二电流灌入单元往IGBT的栅极灌入电流，使得灌入IGBT的栅极的电流进一步增加，通过向IGBT的栅极灌入电流能够强化栅极对IGBT的有源控制效果，从而提升均压效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提出的一种IGBT均压电路的电路图；

图2为本发明另一实施例提出的一种IGBT均压电路的电路图；

图3为本发明实施例提出的一种变频器的单相逆变器的电路图。

附图标记

IGBT10、栅极箝位单元20、电阻串联组件30、第一电流灌入单元40、第二电流灌入单元50、第三电流灌入单元60、拖尾均压单元70、IGBT均压电路100。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

参见图1，本发明实施例提出一种IGBT均压电路，由图可知，所述IGBT均压电路包括IGBT、栅极箝位单元20、电阻串联组件30、第一电流灌入单元40以及第二电流灌入单元50，所述电阻串联组件30包括第一电阻R1以及第二电阻R2。该IGBT均压电路具体的连接方式如下：

所述栅极箝位单元20分别与所述IGBT的栅极G、所述第一电阻R1以及所述第二电阻R2连接。所述第一电阻R1与所述第二电阻R2串联在所述IGBT的集电极C与所述IGBT的发射极E之间。电阻串联组件30一方面作为静态均压电阻，另一方面确保器件截止时，第二电阻R2上的分压不足以击穿栅极箝位单元20，从而保证器件的可靠关断。

所述第一电流灌入单元40与所述第一电阻R1并联，所述第二电流灌入单元50与所述第二电阻R2并联。所述第一电流灌入单元40与所述第二电流灌入单元50均设有箝位电压；所述第一电流灌入单元40与所述第二电流灌入单元50均用于在电压高于自身的箝位电压时向所述IGBT的栅极G灌入电流。

具体地，在IGBT的集电极C与发射极E之间的电压上升到第一电流灌入单元40的箝位电压后，第一电流灌入单元40往IGBT的栅极G灌入电流，当电压进一步上升到第二电流灌入单元50的箝位电压后，第二电流灌入单元50往IGBT的栅极G灌入电流，使得灌入IGBT的栅极G的电流进一步增加，从而强化栅极G对IGBT的有源控制效果，提升了均压效果。

继续参见图1，在本实施例中，所述第一电流灌入单元40包括第一箝位二极管T1以及第一电容C1，所述第一箝位二极管T1的负极与所述IGBT的集电极C连接，所述第一箝位二极管T1的正极与所述第一电容C1连接，所述第一电容C1与所述第一电阻R1连接。可以理解地，所述第一电流灌入单元40的箝位电压由第一箝位二极管T1确定。

本实施例中，通过将第一箝位二极管T1和第一电容C1串联，能够有效降低缓冲电容(即第一电容C1)的容值、电压应力和充放电范围，从而降低了均压电路的损耗。

进一步地，所述第二电流灌入单元50包括第二箝位二极管T2以及第二电容C2，所述第二箝位二极管T2的负极与所述第二电容C2连接，所述第二箝位二极管T2的正极与所述第二电阻R2连接，所述第二电容C2与所述第一电容C1连接。可以理解地，所述第二电流灌入单元50的箝位电压由第二箝位二极管T2确定。

本实施例中，通过将第二箝位二极管T2和第二电容C2串联，能够有效降低缓冲电容(即第二电容C2)的容值、电压应力和充放电范围，从而降低了均压电路的损耗。

进一步地，所述IGBT均压电路还包括第三电流灌入单元60，所述第三电流灌入单元60与所述第一箝位二极管T1并联。

具体地，所述第三电流灌入单元60包括第三电阻R0以及第三电容C0，所述第三电阻R0与所述IGBT的集电极C以及所述第三电容C0连接，所述第三电容C0与所述第一箝位二极管T1的正极连接。

本实施例中，通过在第一箝位二极管T1两端并联第三电流灌入单元60，提供额外的栅极G灌入电流通路。当集电极C电压超过栅极箝位单元20的箝位电压，但未达到在第一电流灌入单元40的箝位电压时，第三电流灌入单元60可向IGBT的栅极G灌入微弱的调整电流，从而增强灌入电流对IGBT开关轨迹的控制力，提升有源控制效果。

进一步地，所述IGBT均压电路还包括拖尾均压单元70，所述拖尾均压单元70与所述第一电容C1和第二电容C2并联。

具体地，所述拖尾均压单元70包括拖尾箝位二极管Ttail以及拖尾电阻Rtail，所述拖尾箝位二极管Ttail的负极与第一电容C1连接，所述拖尾箝位二极管Ttail的正极与拖尾电阻Rtail连接，所述拖尾电阻Rtail与所述第二电容C2连接。

当IGBT进入电流拖尾阶段，由于IGBT自身差异和触发信号延迟，拖尾电流存在差异，IGBT的分压会缓慢失衡，拖尾电流最小的IGBT可能最终分得全部母线电压。因此本发明嵌套了拖尾阶段均压电路，以限制第一电容C1和第二电容C2两端的最大分压。当拖尾均压单元70的拖尾箝位二极管Ttail被击穿之后，IGBT集电极和发射极两端的等效阻抗快速下降，其两端电压将快速下降，串联器件之间电压恢复均衡。

进一步地，所述栅极箝位单元20包括限流电阻Rg、二极管Gg以及栅极G箝位二极管Tg；限流电阻Rg分别与第一电阻R1、第二电阻R2以及二极管Gg的正极连接；二极管Gg的负极与栅极G箝位二极管Tg的负极连接；栅极G箝位二极管Tg的正极与所述IGBT的栅极G连接。

可以理解的，栅极箝位单元20的箝位电压由栅极G箝位二极管Tg确定。二极管Dg确保了电流单向流动。

本发明实施例中，图1所示的IGBT均压电路的工作过程如下：

在IGBT开通瞬间，由于集电极-发射极电压Vce急速下降，第二电容C2被反向充电，因此，在IGBT关断瞬间，集电极-发射极电压Vce上升时，第二箝位二极管T2提前被击穿。集电极-发射极间产生补偿电流，依次流过第三电阻R0、第三电容C0、第一电容C1、第二箝位二极管T2、第二电容C2减缓电压变化率。

当第三电阻R0、第三电容C0的电压上升到第一箝位二极管T1击穿电压后，第三电阻R0、第三电容C0被短路，补偿电流进一步增大，第二电容C2继续正向充电，第二电阻R2两端电位持续上升。

当第二电阻R2两端电压达到栅极箝位二极管Tg的击穿电压后，均压电路开始通过第一箝位二极管T1、第一电容C1、限流电阻Rg、二极管Dg以及栅极箝位二极管Tg向IGBT的栅极灌入电流，调整IGBT在有源区的关断轨迹，限制串联分压失衡的恶化，实现动态电压均衡。

当IGBT电压到达尖峰附近，随着第二电容C2两端电压上升，第二箝位二极管T2恢复到截止状态。

在IGBT关断过程的尾声，器件电流幅值以及变化率同时降低。由于器件参数差异和触发信号延迟，串联器件的电流大小存在差异，导致其反并联二极管的结电容被强迫充放电，造成器件分压再次失衡。与关断初期电压快速上升的电压失衡不同的是，关断尾声电压失衡速度较慢，但程度更深。当电压失衡度达到预设拖尾电压值时，拖尾均压单元投入工作，箝位第一电容C1两端电压，逐渐平衡串联器件的分压。

参见图2，本发明提供另一个实施例，该实施例与上述实施例的区别如下：

所述第二电流灌入单元50包括第二箝位二极管T2以及第二电容C2，所述第二箝位二极管T2与所述第二电阻R2并联，所述第二电容C2与所述第二箝位二极管T2并联。与上述实施例不同的是，在本实施例中，第二电容C2更早地承受电压，在第二箝位二极管T2被击穿后，IGBT的集电极C-发射极E阻抗急剧下降，可以有效限制灌入栅极G的电流，达到保护栅极G的作用，还可以快速补偿IGBT集电极C电流的差异，限制器件集电极C-发射极E电压的失衡度。

本实施例中，通过将第二箝位二极管T2和第二电容C2并联，能够有效降低缓冲电容(即第二电容C2)的容值、电压应力和充放电范围，从而降低了均压电路损耗。

进一步地，所述IGBT均压电路还包括拖尾均压单元70，拖尾均压单元70与第一电容C1并联。

具体地，所述拖尾均压单元70包括拖尾箝位二极管Ttail以及拖尾电阻Rtail，所述拖尾箝位二极管Ttail的负极与第一电容C1连接，所述拖尾箝位二极管Ttail的正极与拖尾电阻Rtail连接，所述拖尾电阻Rtail与所述第一电容C1连接。

本发明实施例中，图2所示的IGBT均压电路的工作过程如下：

在IGBT关断瞬态，第三电容C0、第一电容C1、第二电容C2串联充当功率侧缓冲吸收电容，IGBT的集电极-发射极电压Vce开始上升时，首先击穿栅极箝位二极管Tg，电流依次流过第三电阻R0、第三电容C0、第一电容C1、限流电阻Rg、二极管Dg以及栅极箝位二极管Tg灌入栅极，其中限流电阻R0和栅极箝位二极管Rg共同限制了灌入电流的幅值，对动态电压均衡作用有限，主要增强栅极对器件开关轨迹的控制。

随着集电极-发射极电压Vce进一步上升，第一箝位二极管T1被击穿，第三电阻R0以及第三电容C0被短路后使得灌入栅极的电流进一步增大，调整IGBT在有源区的关断轨迹，实现动态电压均衡。同时仅剩第一电容C1以及第二电容C2串联充当缓冲电容，缓冲吸收作用增强。

集电极-发射极电压Vce继续上升，第二电容C2两端电压随着增大直到击穿第二箝位二极管T2。第二箝位二极管T2被击穿后，灌入栅极的电流达到饱和，一方面起到保护栅极的作用，另一方面提供了阻抗更低的集电极-发射极电流支路，补偿IGBT内部电流差异，同时箝位集电极-发射极电压Vce。在IGBT电流拖尾阶段，当电压失衡达到预设拖尾电压值时，拖尾均压单元投入工作，大幅降低集电极-栅极两端等效阻抗，实现拖尾阶段分压均衡。

本发明实施例提出一种变频器，所述变频器包括上述任一实施例所述的IGBT均压电路。

具体地，参见图3，在一实施例中，所述变频器的单相逆变器包括母线电容Ct单相桥臂以及输出电抗器Lu。单相桥臂由上下两个开关单元构成，每个开关单元包含两个正向串联的IGBT10(第一个IGBT10的发射极与第二个IGBT10的集电极相连)。在每个IGBT10的集电极、栅极以及发射极之间连接如图1或者图2所示的IGBT均压电路100。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚且本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种IGBT均压电路，其特征在于，包括IGBT、栅极箝位单元、电阻串联组件、第一电流灌入单元以及第二电流灌入单元，所述电阻串联组件包括第一电阻以及第二电阻；所述栅极箝位单元分别与所述IGBT的栅极、所述第一电阻以及所述第二电阻连接；所述第一电阻与所述第二电阻串联在所述IGBT的集电极与所述IGBT的发射极之间；所述第一电流灌入单元与所述第一电阻并联，所述第二电流灌入单元与所述第二电阻并联；所述第一电流灌入单元与所述第二电流灌入单元均设有箝位电压；所述第一电流灌入单元与所述第二电流灌入单元均用于在电压高于自身的箝位电压时向所述IGBT的栅极灌入电流。

2.根据权利要求1所述的IGBT均压电路，其特征在于，所述第一电流灌入单元包括第一箝位二极管以及第一电容，所述第一箝位二极管的负极与所述IGBT的集电极连接，所述第一箝位二极管的正极与所述第一电容连接，所述第一电容与所述第一电阻连接。

3.根据权利要求2所述的IGBT均压电路，其特征在于，所述第二电流灌入单元包括第二箝位二极管以及第二电容，所述第二箝位二极管的负极与所述第二电容连接，所述第二箝位二极管的正极与所述第二电阻连接，所述第二电容与所述第一电容连接。

4.根据权利要求2所述的IGBT均压电路，其特征在于，所述第二电流灌入单元包括第二箝位二极管以及第二电容，所述第二箝位二极管与所述第二电阻并联，所述第二电容与所述第二箝位二极管并联。

5.根据权利要求2所述的IGBT均压电路，其特征在于，所述IGBT均压电路还包括第三电流灌入单元，所述第三电流灌入单元与所述第一箝位二极管并联。

6.根据权利要求5所述的IGBT均压电路，其特征在于，所述第三电流灌入单元包括第三电阻以及第三电容，所述第三电阻与所述IGBT的集电极以及所述第三电容连接，所述第三电容与所述第一箝位二极管的正极连接。

7.根据权利要求3所述的IGBT均压电路，其特征在于，所述IGBT均压电路还包括拖尾均压单元，所述拖尾均压单元包括拖尾箝位二极管以及拖尾电阻，所述拖尾箝位二极管的负极与第一电容连接，所述拖尾箝位二极管的正极与拖尾电阻连接，所述拖尾电阻与所述第二电容连接。

8.根据权利要求4所述的IGBT均压电路，其特征在于，所述IGBT均压电路还包括拖尾均压单元，所述拖尾均压单元包括拖尾箝位二极管以及拖尾电阻，所述拖尾箝位二极管的负极与第一电容连接，所述拖尾箝位二极管的正极与拖尾电阻连接，所述拖尾电阻与所述第一电容连接。

9.根据权利要求1所述的IGBT均压电路，其特征在于，所述栅极箝位单元包括限流电阻、二极管以及栅极箝位二极管；限流电阻分别与第一电阻、第二电阻以及二极管的正极连接；二极管的负极与栅极箝位二极管的负极连接；栅极箝位二极管的正极与所述IGBT的栅极连接。

10.一种变频器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的IGBT均压电路。

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