[发明专利]一种IGBT串联阀段的主动均压控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种IGBT串联阀段的主动均压控制方法。

背景技术

随着电力系统对电力电子技术的需求，高压大功率电力电子技术的研究成为当今电力系统研究中一个重要分支。目前由于电力电子器件的单管耐压低、容量小很难直接应用于电力系统中，因此高压大功率电力电子装置往往采用以下三种拓扑：

(1)基于IGBT器件直接串联的电压源换流器；

(2)基于换流单元串联的模块化多电平电压源换流器；

(3)前二者相结合的串联模块化电压源换流器。

基于IGBT器件串联与换流单元串联相结合的电压源换流器是目前高压大容量换流器发展的方向，很好的解决了高压环境下，IGBT器件串联数增大带来的应力高、均压难及子单元串联数量大、控制复杂的问题，比较适合500kV、1000MW级以上的超特高压应用场合。

串联模块化电压源换流器(ABB称为级联两电平换流器，即CTL换流器)能够实现与系统功率交换且具有完整结构的三相电压源换流器，其由三个相同结构的相单元构成，每个相单元由两个相同结构的换流阀构成。如电压源换流器包含六个换流桥臂，各桥臂由一定数量的具有相同结构的子单元和一个桥臂电抗器L串联构成，各相上下桥臂构成一个相单元。根据交流电压幅值、换流阀臂电流方向控制子单元输出电压状态，实现电压源换流器与交流系统能量交换。通过改变子单元数量，可以灵活改变电压源换流器的输出电压等级。

串联模块化子单元是换流器的最小功率单元，一个标准的子单元结构如图1所示，其中，T1～T4为内部集成有反并联二级管的IGBT功率器件，GU1～GU4相对应的驱动板卡，PW为与直流电容并联的取能电路，SMC为子单元控制器，TP为旁路用晶闸管，K为旁路快速机械开关。

图1中可见，器件串联构成的IGBT串联阀段是子单元基本特征之一。器件直接串联结构简单，控制相对容易，但对器件及驱动信号的一致性要求较高，IGBT电压平衡控制则显得十分重要。

为了实现IGBT在10kV及更高电压等级的更大应用，IGBT器件直接串联技术一直是电力电子领域研究热点之一。影响IGBT串联效率和可靠性的机理主要有：静态电压不平衡机理和开关过程中动态电压不平衡机理。

(1)IGBT串联静态电压不平衡机理

静态电压不平衡主要是由于IGBT器件制造时的个体差异性。这种器件个体差异性主要是各个器件的PN结特性不一致，即断态时各个器件的等效电阻不同。此外，温度对IGBT及反并联二极管(FWD)静态电压不平衡也有较大影响。随着温度的上升，IGBT及FWD漏电流及其分散性均会显著增加，从而导致静态电压分布的不平衡度加大。

(2)IGBT串联动态电压不平衡的产生机理

产生开关过程中的动态电压不平衡的主要原因有三：其一，器件特性参数的个体差异性，例如栅极等效电阻、栅射极等效电容、栅集极等效电容、集射级等效电容等；其二，主回路杂散参数和缓冲回路参数的个体差异性；其三，驱动信号的非同步性(幅值和角度)。这种非同步性可能是上级单元信号的延迟、栅极电路与驱动电路元器件的差异等原因造成的。

在实际应用中，IGBT开关速度往往要求达到千赫兹水平。在如此快速的开关动态过程中，器件上会经历急剧的电压、电流变化，给器件造成了很大的应力，其动态电压不平衡问题也更加严重和难以解决，因此对其控制也更加困难。

抑制IGBT串联时的电压不平衡的措施主要采用无源缓冲电路、有源缓冲电路、有源箝位电路、主从控制技术、主动均压控制等。

(1)无源缓冲电路

如图2所示，无源缓冲电路主要是并联一个电阻Roff来静态均压，并联一个电阻-电容(RC)或电阻-电容-二极管(RCD)来动态均压。大功率IGBT都有较明显的拖尾电流现象。拖尾电流是一个幅值通常约为通态电流百分之几的、具有较大的时间常数的呈指数性衰减的相对较小的电流。而且每个器件的拖尾电流都不相同。拖尾电流在关断后的很长时间内都能影响不同串联器件间的电压分配。无源缓冲电路可以补偿各器件上的电流，减小由拖尾电流差异导致的稳态电压差异。

无源缓冲电路设计和使用都较容易，结构简单，可靠性也较高。但是，器件要承受较大的电压和电流，尺寸较大，所占空间和成本也较高，而且电容上的能量都要通过电阻放电，电路功耗较大。

2、有源缓冲电路