Способ управления параллельно соединёнными силовыми IGBT-транзисторами и устройство для его реализации Российский патент 2025 года по МПК H02M1/88 H03K17/16 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в силовых преобразователях, в которых применяется параллельное соединение двух или более IGBT-транзисторов.

Параллельное соединение полупроводников выполняется для увеличения мощности преобразовательных установок. Зачастую для параллельно включенных IGBT-транзисторов используется управление от центрального драйвера. Под управлением центральным драйвером подразумевается, что все управляющие затворы параллельно включенных IGBT-транзисторов подключены к одному драйверу управления, что обеспечивает одновременное поступление сигнала для открытия или запирания.

Одно из преимуществ IGBT-транзисторов - это высокая скоростью коммутации. Однако в крупногабаритных силовых установках ее протекание сопровождается возникновением ЭДС самоиндукции, равной произведению паразитных индуктивностей силовых цепей на скорость изменения тока, что является негативным фактором. В силовом ключе, состоящем из нескольких параллельно соединенных IGBT-транзисторов, затворы которых управляются от центрального драйвера, индуцированная в момент коммутации ЭДС от токоведущих шин, соединяющих силовые выводы эмиттеров, влияет на величину напряжения затвор-эмиттер. Результирующая величина падения напряжения затвор-эмиттер на IGBT-транзисторе может значительно отличаться от напряжения драйвера управления, приводя к аварийным режимам работы силовой установки. Так, например, в момент запирания IGBT-транзисторов, когда драйвером прикладывается отрицательный потенциал к затворам, а положительный к эмиттерам, значительная величина ЭДС самоиндукции может привести к изменению потенциальных условий и отпиранию IGBT-транзисторов, вызывая генерацию в цепи параллельно включенных IGBT-транзисторов.

Известен способ управления параллельно соединенными силовыми IGBT-транзисторами, описанный в источнике [1]. Способ заключается в подключении к каждому из параллельных IGBT-транзисторов индивидуального драйвера управления, обеспечивая количество драйверов управления равным количеству параллельно соединенных IGBT. Достоинствами данного способа является исключение токовой петли по эмиттерной цепи между соседними параллельными IGBT-транзисторами, что делает независимым потенциальные условия на затворах от паразитных параметров силовых цепей, соединяющих силовые выводы IGBT-транзисторов.

Недостатки данного способа заключаются в усложнении конструкции и снижении надежности силового ключа. Наличие индивидуального драйвера для каждого IGBT-транзистора значительно ухудшает равномерность распределения токов по параллельно включенным IGBT-транзисторам, затрудняет синхронизацию коммутации параллельно включенных IGBT-транзисторов.

Известен способ управления силовым ключом на основе IGBT-транзистора [2]. Способ заключается в использовании дополнительной схемы управления, состоящей из двухобмоточного трансформатора, однофазного мостового выпрямителя, МПД-транзистора комплементарных биполярных транзисторов, резистивных элементов и конденсатора. Дополнительная схема управления обеспечивает удержание силового ключа в закрытом состоянии при отсутствии импульсов управления на открытие за счет поддержания контура разрядки емкости затвор-эмиттер силового ключа дополнительным МПД-транзистором.

Достоинство способа заключается в исключении ложных переключений силового IGBT-транзистора при высокой скорости коммутации за счет обеспечения паузы в управляющих импульсах.

Недостаток способа заключается в управлении одним IGBT-транзистором. Не предусматривается возможность усиления мощности силового ключа путем подключения нескольких параллельных IGBT-транзисторов.

Известен способ управления параллельно соединенными силовыми IGBT-транзисторами от центрального драйвера, принятый за прототип [3]. Способ заключается в подключении центрального драйвера к управляющим выводам IGBT-транзисторов с помощью проводников с применением дифференциального дросселя со стороны затворов. Силовые выводы IGBT-транзисторов при этом соединяются соответствующими токоведущими шинами: коллекторной и эмиттерной. За счет применения дифференциальных дросселей происходит согласование импеданса проводников в цепи управления и, соответственно, величины тока в цепи управления параллельными IGBT-транзисторами в моменты коммутации.

Достоинство способа заключается в улучшении условий одновременного отпирания параллельно включенных IGBT-транзисторов, наиболее удаленных от драйвера, за счет согласования импеданса проводников цепи управления, имеющих различную длину и расположение в пространстве.

Недостаток способа заключается в том, что не обеспечивается защита в моменты коммутации от наведенной на эмиттерных токоведущих шинах ЭДС, равной произведению паразитной индуктивности токоведущей шины на скорость изменения тока и влияющей на потенциальные условия затвор-эмиттер, что приводит к генерации в цепи параллельно включенных IGBT-транзисторов.

Задачей предлагаемого способа является исключение в цепи параллельно включенных IGBT-транзисторов при управлении центральным драйвером генераций, возникающих по причине наведенной ЭДС на участках эмиттерной токоведущей шины в моменты коммутации.

Задача решается с помощью способа управления параллельно соединенными силовыми IGBT-транзисторами, включающего в себя подключение управляющих выводов параллельно включенных IGBT-транзисторов к центральному драйверу парой проводников, один из которых подключается к выводам со стороны затворов IGBT-транзисторов, а другой к управляющим выводам со стороны эмиттеров IGBT-транзисторов, образуя электрическую цепь «затвор-эмиттер», соединение силовых выводов эмиттеров параллельно включенных IGBT-транзисторов эмиттерной токоведущей шиной и подключение коллекторной токоведущей шиной силовых выводов коллекторов, при этом пару проводников и эмиттерную токоведушую шину объединяют в магнитно-связанную цепь, имитируя воздушный трансформатор с коэффициентом трансформации, равным 1, путем размещения изолированных друг от друга пары проводников внутри эмиттерной токоведущей шины, ЭДС самоиндукции в эмиттерной токоведущей шине в моменты коммутации IGBT-транзисторов и наведенная ЭДС в паре проводников направлены в электрической цепи встречно и вычитаются, что обеспечивает сохранение установленных центральным драйвером потенциальных условий на затворах и управляющих выводах со стороны эмиттеров параллельно включенных IGBT-транзисторов. При этом токоведущая шина, соединяющая силовые выводы параллельно включенных двух или более силовых IGBT-транзисторов, состоящая из одного проводника любого сечения или двух и более проводников, соединенных вместе, дополнительно внутри содержит отверстие вдоль своей длины по ходу подключения силовых выводов эмиттеров параллельно включенных IGBT-транзисторов, предназначенное для укладки изолированных друг от друга пары проводников, один из которых подключается к управляющим выводам со стороны затворов IGBT-транзисторов, а другой к управляющим выводам со стороны эмиттеров IGBT-транзисторов, при этом указанная пара проводников и эмиттерная токоведущая шина объединены магнитно-связанной цепью, имитируя воздушный трансформатор с коэффициентом трансформации, равным 1, причем ЭДС самоиндукции в моменты коммутации IGBT-транзисторов в эмиттерной токоведущей шине и наведенная ЭДС в паре проводников направлены в электрической цепи встречно и вычитаются.

Способ управления параллельно соединенными силовыми IGBT-транзисторами поясняется фигурами. На Фиг. 1 представлены способ управления параллельно соединенными силовыми IGBT-транзисторами и устройство для его реализации. На Фиг. 2 представлена упрощенная схема замещения распределения ЭДС самоиндукции и напряжений в электрической цепи «затвор-эмиттер» параллельно включенных IGBT-транзисторов в момент их запирания.

На Фиг. 1 позицией 1 обозначена токоведущая шина, соединяющая силовые выводы со стороны эмиттеров параллельно включенных IGBT-транзисторов, обозначенных позицией 2, которая может состоять из одного или более проводников любого сечения, соединенных вместе. При этом токоведущая шина содержит внутри отверстие вдоль своей длины по ходу подключения силовых выводов эмиттеров параллельно включенных IGBT-транзисторов. В отверстии токоведущей шины 1 изолированно уложены проводник 3, который подключается к выводам затворов IGBT-транзисторов 2, и проводник 4, который подключается к управляющим выводам IGBT-транзисторов 2 со стороны эмиттеров. Позицией 5 обозначен центральный драйвер, осуществляющий подачу сигнала управления u_Др на IGBT-транзисторы 2 через проводники 3 и 4. IGBT-транзисторы на Фиг. 1 имеют стандартное обозначение выводов затворов G и выводов эмиттеров Е. Взаимное расположение токоведущей шины 1 и проводников 3, 4 выбрано для объединения их в магнитно-связанную цепь, имитируя работу воздушного трансформатора с коэффициентом трансформации, равным единице. Магнитная связь М между токоведущей шиной 1 и проводниками 3, 4 обеспечивает индуцирование в проводниках 3, 4 ЭДС e₁ и е₂ соответственно, по величине равных ЭДС самоиндукции е_эш, наведенной вследствие изменения тока в токоведущей шине 1. Генерация ЭДС самоиндукции в моменты коммутации IGBT-транзисторов связана с наличием паразитной индуктивности в токоведущей шине и может быть определена как произведение паразитной индуктивности токоведущей шины L и скорости изменения тока di/dt:

Индуцированные ЭДС e₁ и е₂ в электрической цепи «затвор-эмиттер» параллельно включенных IGBT-транзисторов направлены встречно друг другу, что обеспечивает их вычитание и сохранение потенциальных условий, установленный центральным драйвером 5.

Процесс вычитания ЭДС в электрической цепи «затвор-эмиттер» параллельно включенных IGBT-транзисторов поясняется на Фиг. 2. Напряжение затвор-эмиттер IGBT-транзисторов принимается равным напряжению драйвера управления u_Др, а проводники, подключающиеся к управляющим выводам IGBT-транзисторов и эмиттерная токоведущая шина представлены в виде источников соответствующих ЭДС. ЭДС самоиндукции токоведущей шины е_эш и ЭДС е₂, индуцированная в проводнике, подключенном к управляющим выводам IGBT-транзисторов со стороны эмиттеров, подключены параллельно, не складываются. ЭДС е₁, индуцированное в проводнике, подключенном к выводам затворов IGBT-транзисторов, направлено в электрической цепи встречно к ЭДС е_эш и е₂. Для определения падения напряжения u_GЕ затвор эмиттер транзистора VT1 составим уравнение по второму закону Кирхгофа для данного участка цепи:

В полученном выражении ЭДС е₁ и е₂ имеют противоположные знаки и вычитаются. Величина падения напряжения затвор-эмиттер будет определяться напряжением, установленным драйвером управления. Обеспечивается сохранение потенциальных условий затвор-эмиттер, исключается отпирание и возникновение генерации в цепи параллельно включенных IGBT-транзисторов.

Таким образом, с помощью предложенного способа управления параллельно включенными силовыми IGBT-транзисторами при управлении центральным драйвером исключается возникновение генераций, возникающих по причине наведенной ЭДС на участках эмиттерной токоведущей шины в моменты коммутации.

Техническим результатом предлагаемых способа и устройства является повышение работоспособности высокомощных преобразовательных установок, в составе которых выполняется параллельное соединение IGBT-транзисторов.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ:

1. Хофштоттер Н., Ламп И., Колпаков А. Параллельная работа IGBT при различных способах управления затворами // Силовая электроника. 2017. Т. 4. №67. С. 12-23.

2. Патент RU 2785321 C1.

3. Патент DE 202016002337 U1.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в силовых преобразователях, в которых применяется параллельное соединение двух или более IGBT-транзисторов. Технический результат: повышение работоспособности преобразователей, в составе которых выполняется параллельное соединение IGBT-транзисторов. Для этого предложен способ управления параллельно соединенными силовыми IGBT-транзисторами, при котором эмиттерную токоведущую шину и пару проводников, подключаемых к управляющим выводам IGBT-транзисторов, объединяют в магнитно-связанную цепь, имитируя воздушный трансформатор с коэффициентом трансформации, равным 1. За счет этого обеспечивается в моменты коммутации IGBT-транзисторов индукция ЭДС в паре проводников, которая направлена встречно и вычитается с наведенной ЭДС в эмиттерной токоведущей шине, вызванной изменением тока. Устройство для реализации способа представляет токоведущую шину, которая внутри содержит отверстие вдоль своей длины для укладки изолированных друг от друга пары проводников. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления параллельно соединенными силовыми IGBT-транзисторами, включающий в себя подключение управляющих выводов параллельно включенных IGBT-транзисторов к центральному драйверу парой проводников, один из которых подключается к выводам со стороны затворов IGBT-транзисторов, а другой к управляющим выводам со стороны эмиттеров IGBT-транзисторов, образуя электрическую цепь «затвор-эмиттер», соединение силовых выводов эмиттеров параллельно включенных IGBT-транзисторов эмиттерной токоведущей шиной и подключение коллекторной токоведущей шиной силовых выводов коллекторов, отличающийся тем, что пару проводников и эмиттерную токоведущую шину объединяют в магнитно-связанную цепь, имитируя воздушный трансформатор с коэффициентом трансформации, равным 1, путем размещения изолированных друг от друга пары проводников внутри эмиттерной токоведущей шины, ЭДС самоиндукции в моменты коммутации IGBT-транзисторов в эмиттерной токоведущей шине и наведенная ЭДС в паре проводников направлены в электрической цепи встречно и вычитаются, что обеспечивает сохранение установленных центральным драйвером потенциальных условий на затворах и управляющих выводах со стороны эмиттеров параллельно включенных IGBT-транзисторов.

2. Токоведущая шина, соединяющая силовые выводы параллельно включенных двух или более силовых IGBT-транзисторов, для осуществления заявленного способа по п. 1, состоящая из одного проводника любого сечения или двух и более проводников, соединенных вместе, отличающаяся тем, что дополнительно внутри содержит отверстие вдоль своей длины по ходу подключения силовых выводов эмиттеров параллельно включенных IGBT-транзисторов, предназначенное для укладки изолированных друг от друга пары проводников, один из которых подключается к управляющим выводам со стороны затворов IGBT-транзисторов, а другой к управляющим выводам со стороны эмиттеров IGBT-транзисторов, при этом указанная пара проводников и эмиттерная токоведущая шина объединены магнитно-связанной цепью, имитируя воздушный трансформатор с коэффициентом трансформации, равным 1, причем ЭДС самоиндукции в моменты коммутации IGBT-транзисторов в эмиттерной токоведущей шине и наведенная ЭДС в паре проводников направлены в электрической цепи встречно и вычитаются.