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CN108736868A - 一种基于磁开关延时同步的igbt串联电路 - Google Patents

一种基于磁开关延时同步的igbt串联电路 Download PDF

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CN108736868A
CN108736868A CN201810380925.1A CN201810380925A CN108736868A CN 108736868 A CN108736868 A CN 108736868A CN 201810380925 A CN201810380925 A CN 201810380925A CN 108736868 A CN108736868 A CN 108736868A
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CN
China
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igbt
magnetic switch
magnetic
winding
igbt module
Prior art date
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Pending
Application number
CN201810380925.1A
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English (en)
Inventor
翟小社
王建华
姚晓飞
张伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
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Publication date
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
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    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/08116—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit in composite switches
    • H—ELECTRICITY
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    • H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT

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Abstract

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。

Description

一种基于磁开关延时同步的IGBT串联电路
技术领域
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。
发明内容
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。

Claims (5)

1.一种基于磁开关延时同步的IGBT串联电路，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的基于磁开关延时同步的IGBT串联电路，其特征在于，各IGBT模块(7)均并联有RC动态均压支路。
3.根据权利要求2所述的基于磁开关延时同步的IGBT串联电路，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的基于磁开关延时同步的IGBT串联电路，其特征在于，磁芯(4)所用材料的磁化曲线为矩形曲线。
5.根据权利要求1所述的基于磁开关延时同步的IGBT串联电路，其特征在于，磁芯(4)所用材料为金属磁化玻璃材料。
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Inventor after: Wang Jianhua

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RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

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