一种用于串联IGBT的均压保护电路的制作方法

本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种用于串联IGBT的均压保护电路。

背景技术：

由绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)组成的固态电力电子开关具有开关速度快，可控性强，寿命长的特点，同时为了应用于高电压领域，须将多个IGBT相互串联使用以达到较高的电压等级，该方案效果好同时成本低，故得到了广泛的关注与应用。

在IGBT串联使用时，由于各个半导体器件之间的细微差异以及线路的寄生电感等影响，会导致开关过程中各器件承压不均衡，极大的影响了开关的使用寿命和工作效率，甚至会造成器件击穿损坏。保证半导体器件在开关过程中的电压分布均衡是实现高压固态电力电子开关的关键。

对此现有技术有多种解决方法：第一种方法是在驱动端采用反馈控制实现较为精确的器件电压动态调整，使各个IGBT的集射极电压趋于一致，然而该电路的结构复杂，若其中某路控制器出现故障则该路IGBT必然损坏，随着器件串联数目增多，控制复杂度也大幅提升；第二种方法是在功率端并联动态缓冲电路、静态均压电路，来吸收线路中存在的电感能量以避免过电压，通过静态均压电路来减缓半导体器件因漏电流不同而导致的静态电压不均衡问题，该方案随着串联器件数目增多，会增加整个装置的体积；同时，由于动态缓冲电路均为无源器件，只能较为粗略的降低器件峰值电压，并且在整个工作周期中都会动作从而带来较大的损耗。

因此，当前高压固态开关领域内通过两种方案的结合解决串联半导体电压不均衡问题，如非专利文献《IEEE Transactions on Power Electronics》,2015,30(8):4165-4174中公开了一种利用反馈控制实现串联IGBT的有源电压平衡的方法。利用该方法，动态缓冲电路采用电阻-电容方案，静态均压电路采用电阻方案，驱动反馈控制采用串联瞬态箝位二极管(TVS)，由于瞬态箝位二极管会在一定电压下击穿，当IGBT关断时，通过检测瞬态箝位二极管中的电流，可以判断串联时各个IGBT升压至某设定集射极电压的时间，将该信息通过光纤传送至控制器从而在下一周期调整各路IGBT开关信号的相对延迟时间。

其一、在该方案中，相同规格的瞬态箝位二极管，其动作电压存在较大差异，另外，同一个瞬态箝位二极管，其动作电压也会随其温度变化，因此使用瞬态箝位二极管会带来极大的反馈误差，而一般高压IGBT关断时间在1us～2us左右，该误差会极大的影响控制效果甚至反而造成IGBT过压损坏；其二、为避免瞬态箝位二极管因频繁击穿而损坏，一般均设置动作电压为IGBT实际工作电压的115％～120％，那么就会存在某些IGBT的瞬态箝位二极管因电压分布不匀而并不击穿的情况，也会造成反馈误差。其三、在该方案中，使用瞬态箝位二极管来投切电容、电阻，其馈入IGBT控制端的电流较小使作用效果存在较大延时，并且也存在前述的动作电压不稳问题。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于串联IGBT的均压保护电路，旨在解决现有技术中IGBT在串联工作时均压与过压保护问题。

本发明提供了一种用于串联IGBT的均压保护电路，包括电压采集模块、N个比较器、控制模块以及栅极电阻模块；所述N个比较器分别为第一比较器、第二比较器、…至第N比较器，N为自然数；

所述电压采集模块的第i输出端连接第i比较器，所述第i比较器的第一输出端连接栅极电阻模块的第i输入端，第一比较器的第二输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端连接栅极电阻模块的第N+1输入端，所述栅极电阻模块的输出端作为所述均压保护电路的输出端，i为1～N的整数；

所述电压采集模块用于获取与集射极电压信号对应的低电压信号；

所述第i比较器用于通过将所述低电压信号与第i阈值进行比较，将所述低电压信号转换为第i方波信号，所述第i阈值小于所述低电压信号的峰值；

所述控制模块用于根据第一方波信号，发出驱动信号；

所述栅极电阻模块用于根据所述第i控制信号以及驱动信号，改变整体阻值，并获得IGBT的栅射集电压信号。

优选地，所述第i比较器的延时小于20ns。

优选地，所述第i阈值的纹波幅度低于100mv。

优选地，N≥2，且第一阈值至第N阈值依次递增。

作为进一步优选地，N＝2，所述第一阈值为低电压信号的峰值的1/3～2/5，所述第二阈值为低电压信号的峰值的2/3～4/5。

优选的，所述控制模块包括控制单元、隔离单元以及驱动单元，所述隔离单元的输入端作为所述控制模块的输入端，交互端连接控制单元的交互端，输出端连接驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端作为所述控制模块的输出端；

所述控制单元用于根据第一方波信号，发出单极性、低幅值的驱动信号，所述隔离单元用于隔离控制单元与第一比较器，以及用于隔离控制单元与驱动模块，所述驱动模块用于根据所述单极性、低幅值的驱动信号，获取双极性、高幅值的驱动信号。

作为进一步优选地，所述隔离单元包括以光纤连接的第一光纤收发模块以及第二光纤收发模块，所述第一光纤收发模块的输入端作为所述隔离单元的输入端，输出端作为所述隔离单元的输出端，所述第二光纤收发模块的交互端作为所述隔离单元的交互端。

优选地，所述电压采集模块包括均压电阻、采样电阻以及电压采集单元，所述均压电阻的第一端用于连接IGBT的第一端，第二端连接所述采样电阻的第一端以及电压采集模块的第一输入端，所述采样电阻的第二端连接电压采集模块的第二输入端，并用于连接IGBT的第二端；

所述均压电阻用于调整IGBT的静态电压，所述采样电阻用于获取集射极电压信号，所述电压采集单元用于将集射极电压信号转换为低电压信号。

作为进一步优选地，所述电压采集单元的延时小于150ns。

作为进一步优选地，所述均压电阻和采样电阻的温度漂移小于150ppm/℃。

优选地，所述集射极电压信号的峰值小于10V，所述低电压信号的峰值为5V。

优选地，所述栅极电阻模块包括基础电阻、N个驱动器、N个电阻以及N个半导体开关，所述N个驱动器分别为第一驱动器、第二驱动器、…至第N驱动器，所述N个电阻分别为第一电阻、第二电阻、…至第N电阻，所述N个半导体开关分别为第一半导体开关、第二半导体开关、…至第N半导体开关，所述第i电阻与第i半导体开关串联形成第i串联电路，所述第i串联电路与基础电阻并联；所述第i电阻的阻值小于基础电阻；所述第i驱动器的输入端作为所述栅极电阻模块的第i输入端，输出端连接第i半导体开关的控制端，所述基础电阻的输入端作为所述栅极电阻模块的第N+1输入端，输出端作为所述栅极电阻模块的输出端；

所述第i驱动器用于根据第i方波信号，获得第i控制信号，所述第i半导体开关用于根据所述第i控制信号，导通或分断第i串联电路，从而改变所述栅极电阻模块的整体阻值。

作为进一步优选地，所述第i驱动器的延时小于20ns。

作为进一步优选地，N≥2，且第一电阻至第N电阻的阻值依次递增。

作为更进一步优选地，N＝2，所述第一电阻的阻值为第二电阻的1/4～1/2，所述第二电阻的阻值为基础电阻的1/6～1/3。

本发明提出的方案具有以下有益效果：

1、本发明利用设定的第i阈值，并根据集射极电压信号来获取方波信号，从而更改栅极电阻的大小，可以增加或减缓集射极电压的上升速率，同时减少了集射极电压的峰值，抑制了因集射极电压信号的传递线路杂散参数不同带来的过压影响，可以避免串联IGBT在工作当前关断阶段与整个工作周期中的过压损坏风险；

2、由于电压采集模块的低电压信号与IGBT的集射极电压对应，而第i比较器的动作电压相当于第i阈值÷低电压信号的峰值×设定串联IGBT的峰值电压，而IGBT的峰值电压通常设定为其实际工作电压的110％～140％；经验证，通过设置比较器的阈值电压，可以使其动作电压在小于低电压信号的峰值范围内变化，将比较器的动作电压调整为串联IGBT的工作电压的24％～115％，范围极宽且调整方便；

3、在栅极电阻模块中，选用半导体开关来投切第i电阻，从而保证快速改变栅极电阻模块的整体阻值；

4、在电压采集模块中，均压电阻能起到调整静态电压的作用，而采样电阻可以作为集射极电压信号的采集点，均压电阻与采样电阻相串联后再与IGBT并联，从而作为IGBT的静态均压电路方案，元件数量少，节省了器件安装的空间；

5、采样电阻获得的集射极电压信号，与集射极电压的实际值成正比；而通过选择温度漂移小于150ppm/℃的均压电阻和采样电阻串联作为静态均压电阻，可减少温度对采样结果的影响，提高集射极电压信号采集的精确度；通过选择纹波幅度低于100mv的第i阈值作为第i比较器的基准电压，可提高比较器动作电压的精确度；因此综上，精确的采样电压及精准的阈值能够获得稳定准确的集射极电压信号；

6、电压采集单元、比较器以及驱动器分别选用延时小于150ns和20ns的高速器件，能快速降低串联IGBT的峰值电压。

附图说明

图1是本发明均压保护电路结构示意图；

图2是本发明栅极电阻模块结构示意图；

图3是本发明实施例1均压保护电路结构示意图；

图4是本发明实施例1电路原理图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-驱动电路，2-控制电路，Q1-串联IGBT，R4-均压电阻，R3-采样电阻，U1-电压采集模块，U2-比较模块，U3-驱动模块，U6-控制模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于串联IGBT的均压保护电路，用于根据集射极电压信号获得栅射集电压信号，如图1所示，包括电压采集模块、N个比较器、隔离单元、控制单元、驱动单元以及栅极电阻模块，所述N个比较器分别为第一比较器、第二比较器、…至第N比较器，N为自然数，优选为1～3，如图1所示；所述电压采集模块的输出端连接第i比较器，所述第i比较器的第一输出端连接栅极电阻模块的第i输入端，第一比较器的第二输出端连接隔离单元的输入端，所述隔离单元的交互端连接控制单元的交互端，输出端连接驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端连接栅极电阻模块的第N+1输入端，所述栅极电阻模块的输出端作为所述均压保护电路的输出端，i为1～N的任意整数；

所述电压采集模块用于获取与集射极电压信号对应的低电压信号，所述集射极电压信号的峰值小于10V，所述低电压信号的峰值为5V；

所述第i比较器用于通过将所述低电压信号与第i阈值进行比较，将所述低电压信号转换为第i方波信号，所述第i阈值小于所述低电压信号的峰值，当低电压信号大于第i阈值时，则转换为第i方波信号中的高电平，否则转换为第i方波信号中的低电平；当N≥2时，第一阈值至第N阈值依次递增；

所述隔离单元包括以光纤相连的第一光纤收发器以及第二光纤收发器，所述第一光纤收发器的输入端作为隔离单元的输入端，输出端作为隔离单元的输出端，所述第二光纤收发器的第二交互端作为所述隔离单元的交互端；所述隔离单元用于将控制单元与第一比较器以及驱动单元隔离；

所述控制单元用于根据第一方波信号，发出单极性、低幅值的驱动信号，通常该驱动信号的低电平为0V，高电平为3.3V或5V；

所述驱动单元将单极性、低幅值的驱动信号转换为双极性、高幅值的驱动信号，通常该驱动信号的低电平为－10V，高电平为15V，所述驱动单元同时还用于隔离栅极电阻模块以及隔离单元；

所述电压采集模块由均压电阻、采样电阻以及电压采集单元组成；所述均压电阻的第一端用于连接IGBT的第一端，所述采样电阻的第二端用于连接IGBT的第二端；所述均压电阻的第二端连接所述采样电阻的第一端以及电压采集模块的第一端，所述采样电阻的第二端连接电压采集单元的第二端；所述均压电阻用于调整IGBT的集射极电压，所述采样电阻用于获取与集射极电压对应的集射极电压信号，所述电压采集单元用于将所述集射极电压信号转换为低电压信号，所述均压电阻以及采样电阻的温度漂移小于150ppm/℃，以保证在较高的集射极电压下，温度仍不会影响采样结果；

所述栅极电阻模块用于根据驱动信号以及第i方波信号发出栅射极电压信号，所述栅极电阻模块包括基础电阻、N个驱动器、N个电阻以及N个半导体开关，所述N个驱动器分别为第一驱动器、第二驱动器、…至第N驱动器，所述N个电阻分别为第一电阻、第二电阻、…至第N电阻，所述N个半导体开关分别为第一半导体开关、第二半导体开关、…至第N半导体开关；所述第i驱动器的输入端作为所述栅极电阻模块的第i输入端，输出端连接第i半导体开关的控制端，所述基础电阻的输入端作为所述栅极电阻模块的第N+1输入端，输出端作为所述栅极电阻模块的输出端，所述第i电阻与第i半导体开关串联形成第i串联电路，所述第i串联电路与基础电路并联形成栅极电阻；

所述第i驱动器用于根据第i方波信号，获得第i控制信号，所述第i半导体开关用于根据所述第i控制信号，导通或分断第i串联电路，从而改变所述栅极电阻模块中栅极电阻的整体阻值，继而改变栅射极电压信号；

所述第i电阻的阻值小于基础电阻，且当N≥2时，第一电阻至第N电阻的阻值依次增加；例如，当N＝2时，可将第一阈值设置为所述低电压信号的峰值的1/3～2/5，第二阈值设置为所述低电压信号的峰值的2/3～4/5，将第一电阻的阻值设置为第二电阻的1/4倍～1/2倍，将第二电阻的阻值设置为基础电阻的1/6倍～1/3倍；这样，当低电压信号的实时值大于第二阈值时，则第一半导体开关与第二半导体开关同时分断，栅极电阻的整体阻值为基础电阻的阻值，从而栅极电阻模块输出具有相对较弱驱动能力的栅极电压信号；当低电压信号的实时值位于第一阈值与第二阈值之间时，第二半导体开关导通，第一开关半导体分断，栅极电阻模块的整体阻值为基础电阻阻值的1/7～1/4；当低电压信号的实时值小于第一阈值时，第一半导体开关与第二半导体开关导通，栅极电阻的整体阻值为基础电阻阻值的1/31～1/10，从而栅极电阻模块输出具有较强驱动能力的栅极电压信号，如图2所示。

其中，电压采集单元选用延时小于150ns的高速器件，第i比较器以及第i驱动器选用延时小于20ns的高速器件，以保证均压保护电路的整体延时小于200ns。

实施例1

图3是应用该原理制作的均压保护电路示意图，该电路包括静态均压电阻、驱动电路1以及控制电路2；驱动电路1包括电压采集模块U1、比较模块U2、第一光纤收发模块、驱动模块U3、栅极电阻控制模块；所述控制电路2包括第二光纤收发模块以及控制模块U6。

图4为本实施例的电路图，该均压保护中联入的串联IGBT Q1为FZ800R33KF2C；其额定电压为3300V，额定电流为800A，阻断电阻为660KΩ，实际工作电压为1250V，设定峰值电压为1500V；

静态均压电阻与串联IGBT Q1并联，静态均压电阻包括串联的均压电阻R4以及采样电阻R3，均压电阻R4为固定电阻器RPH100V02502JB，阻值为25KΩ，温度漂移为150ppm/℃，采样电阻为固定电阻器BSI06380R00DR19，阻值为80Ω，温度漂移为100ppm/℃，采样电阻与电压采集模块U1并联。

电压采集模块U1采用高速电流差分放大器AD8216，将采样电阻R3获得的集射极电压信号转换为0～5V的低电压信号，而后传输至比较模块U2，该集射极电压信号的峰值小于10V。

比较模块U2采用高速双通道比较器MAX962，包括第一比较器B以及第二比较器A，第一比较器B所用的第一阈值电压的阈值电压为2V，则比较器动作电压为2/5×1500＝600V，为串联IGBT的实际工作电压的48％，输出幅值为5V的第一方波信号传至栅极电阻控制模块的高速驱动器U4的第一输入端以及第一光纤收发模块的接收端。第二比较器A所用的第二阈值电压为4V，则比较器动作电压为4/5×1500＝1200V，为串联IGBT的实际工作电压的96％，输出幅值为5V的第二方波信号传至栅极电阻控制模块的高速驱动器U4的第二输入端。

比较模块的阈值电压可根据实际需求调整，例如在本实施例中，当阈值电压为1V时，比较器动作电压为1/5×1500＝300V，实际工作电压的20％，则当阈值电压为4.8V时，比较器动作电压为4.8/5×1500＝1440V，为实际工作电压的115.2％。

第一光纤收发模块的接收端采用高速光纤接收器HFBR-2526(C1)，通过光纤连接控制电路2的第二光纤收发模块的输出端HFBR-1527(T1)，用以传送第一方波信号开关信号；光纤收发模块的输出端采用高速光纤发送器HFBR-1527(T2)，通过光纤连接控制电路2的光纤收发模块的接收端HFBR-2526(C2)，用于获得IGBT开关信号。由于光纤收发模块的接收端与发送端之间通过光进行隔离，因此其绝缘电压与供电电源的隔离电压相等，本方案采用100KV隔离电压的开关电源，因此可应用在100KV场景中。若采用其他其他光耦、电位平移电路，因其本身器件隔离电压最高仅为6.5KV，限制了在高压环境中的使用。

控制模块U6采用DSP 28335，与第二光纤收发模块的输出端相连，输出单极性，低幅值，无隔离的IGBT开关信号，其低电平为0V，高电平5V。

驱动模块U3采用1SC2060P，用以将接收的单极性，低幅值，无隔离的IGBT开关信号进行转换，获得双极性，高幅值，高隔离的IGBT开关信号，其低电平为-10V，高电平为15V。

栅极电阻控制模块包括5欧姆电阻R1、10欧姆电阻R2、40欧姆电阻R0、双路高速MOSFET开关CSD88539ND(U4)及双路高速驱动器UCC27523D(U5)，10欧姆电阻与MOSFET的A路的漏极串联，5欧姆电阻与MOSFET的B路的漏极串联，然后再共同与40欧姆电阻并联，并联后共同形成栅极电阻。栅极电阻的输入端连接驱动模块U3的输出端，输出端连接至串联IGBT(Q1)的控制端；同时高速驱动器的A路的输出端连接MOSFET的A路的栅极，B路MOSFET的栅极连接B路高速驱动器的输出，用以改变开关过程时的栅极电阻控制模块的整体阻值大小，从而获得与IGBT开关信号对应的栅射集电压信号。因此，当电压采集模块输出的低电压信号的实时值低于第一阈值时，双路高速MOSFET开关处于导通状态，栅极电阻模块的实际电阻约为3.08Ω；当电压采集模块输出的低电压信号的实时值高于第一阈值而小于第二阈值时，MOSFET开关的B路分断，A路保持导通，此时栅极电阻的实际阻值为8Ω；当低电压信号的实时值高于第二阈值时，高速MOSFET开关的双路均处于分断状态，栅极电阻模块的实际阻值为40Ω。

由于本实施例中选取的高速电流差分放大器AD8216的传播延时为120ns(±8ns)，高速双通道比较器MAX962传播延时为6.9ns(±2ns)，双路高速驱动器UCC27523D(U5)传播延时为10ns(±2ns)，因此该均压保护电路的整体延时在150ns以内；而本实施例的串联IGBT的工作电压为1250V，其关断时间为1.5μs，通过精确采样集射极电压，动态更改串联IGBT关断时的栅极电阻控制模块的整体阻值，可有效控制栅射集电压信号的波形，降低过压峰值，同时利用开关时序调整技术能方便的降低整个工作周期中的过压损坏风险。通过光纤收发模块传输方波信号以及IGBT开关信号，拓宽了IGBT的工作电压范围，能够应用在百千伏场景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。