基于峰值控制的IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)

摘要：絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)串聯(lián)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是均壓控制。峰值控制技術(shù)是保證串聯(lián)運行中每個IGBT的集射極電壓都不超過安全極限的有效技術(shù)。在介紹IGBT工作特性的基礎(chǔ)上，對串聯(lián)IGBT關(guān)斷過程不同動態(tài)時段內(nèi)的均壓控制目標進行了分析，為設(shè)計不帶RC緩沖回路的均壓方法提供了理論基礎(chǔ)。綜合各階段控制要點，采用基于穩(wěn)壓管箝位的峰值控制方法，在低壓實驗中實現(xiàn)了有效的串聯(lián)均壓，驗證了理論分析的正確性。最后，針對該方法在高壓應(yīng)用時的缺點，提出了一種新的峰值控制方法，并通過仿真驗證了該方法均壓控制的有效性。
關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管；均壓；峰值控制

1 引言
    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓大功率設(shè)備對IGBT的耐壓等級提出更高要求，故IGBT串聯(lián)技術(shù)成為研究熱點之一。IGBT串聯(lián)應(yīng)用的關(guān)鍵問題是實現(xiàn)均壓。在眾多IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)中，最簡單、可靠的方法是并聯(lián)RC緩沖回路。但在高壓場合，考慮到損耗、體積及造價等因素，無RC緩沖回路的均壓方法更實用。此外，基于電壓軌跡控制和門極信號延時調(diào)整等有源方法，因控制電路過于復(fù)雜，使用場合受到限制。故有必要基于IGBT特性及均壓控制的要點，選擇更有效的均壓方法。
    在此首先分析IGBT各階段均壓控制的目標，采用穩(wěn)壓管箝位的峰值控制技術(shù)，在低壓實驗中驗證了該均壓原理的有效性。然后針對該技術(shù)在高壓場合應(yīng)用時的缺點，提出一種新的峰值控制方法，并通過仿真驗證了該方法的有效性。

2 IGBT串聯(lián)均壓控制分析
    作為IGBT的主要特性，輸出特性描述的是以門極電壓uGE為參考變量時，集電極電流iC與集射極間電壓uCE的關(guān)系。輸出特性分為4個區(qū)域：飽和區(qū)、有源區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。IGBT的動態(tài)開關(guān)過程，主要是在截止區(qū)和飽和區(qū)間來回轉(zhuǎn)換，而在器件的轉(zhuǎn)換過程中經(jīng)過有源區(qū)。
    IGBT器件通常有4種工作狀態(tài)：關(guān)斷瞬態(tài)、關(guān)斷穩(wěn)態(tài)、開通瞬態(tài)、開通穩(wěn)態(tài)。因IGBT不均壓情況在關(guān)斷時比開通時更復(fù)雜，在此以關(guān)斷時的均壓控制為主要研究目標。

    按外電路和器件內(nèi)部參數(shù)不一致等因素對uCE不均壓的影響效果，可將串聯(lián)IGBT關(guān)斷不均壓過程分為關(guān)斷瞬間的T1(uCE上升部分)、T2(拖尾部分)和關(guān)斷穩(wěn)態(tài)(T2以后)三階段，如圖1所示。T1階段，主要是由外電路和器件內(nèi)部參數(shù)的差異引起串聯(lián)IGBT的uCE不均壓。此時IGBT工作在有源區(qū)，可通過調(diào)節(jié)uGE對uCE進行控制；T2階段，引起串聯(lián)IGBT的uCE不均壓的主要因素是拖尾電流不同。此時，IGBT進入截止區(qū)，uGE對拖尾電流無影響，由拖尾電流引起的uCE不均壓不受門極直接控制。關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時，只有很小的漏電流流過IGBT，并聯(lián)合適的均壓電阻即可實現(xiàn)IGBT串聯(lián)運行。

3 基于峰值控制的均壓方法
    IGBT均壓最直接的目的就是保證串聯(lián)運行中每個IGBT的uCE都不超過安全極限。所以，對電壓峰值進行控制是很重要、有效的技術(shù)路線。峰值控制不關(guān)心uCE的中間變化軌跡，只有當(dāng)uCE升至設(shè)定的電壓水平時，均壓控制才開始起作用。當(dāng)所有串聯(lián)IGBT的uCE峰值都被箝位在給定值之內(nèi)，就實現(xiàn)了動態(tài)均壓的目的。
3．1 穩(wěn)壓管箝位的峰值控制
    通過上述對串聯(lián)IGBT均壓階段特性的分析，綜合各階段均壓控制的特點，采用基于穩(wěn)壓管箝位的峰值控制方法實現(xiàn)IGBT串聯(lián)均壓，均壓電路如圖2a所示。該方法將串聯(lián)IGBT的關(guān)斷過程進行優(yōu)化，在T1階段，使uCE具有兩階段電壓變化率，如圖2b所示。第1階段電壓變化率較快，以降低損耗：第2階段電壓變化率下降，以降低電壓不均衡度，并為箝位電路贏得更多的響應(yīng)時間。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折點和峰值箝位點的值，在IGBT關(guān)斷過程的損耗與電壓均衡度之間做出折中。在T2階段，由拖尾電流的差異引起不均壓，通過峰值箝位電路，向門極注入電流，改變uGE，使IGBT進入有源區(qū)，進而控制uCE電壓，達到均壓控制。在關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時，均壓支路還起到均壓電阻的作用。

    圖3為實驗電路，三相交流電源經(jīng)隔離變壓器、不控整流器得到0～1 kV可調(diào)直流電源Udc。Cd1，Cd2為濾波電容，Rd1，Rd2為Cd1，Cd2放電電阻。電路采用兩個IGBT串聯(lián)模塊。一個模塊做串聯(lián)開關(guān)管V1，V2，另一個模塊始終關(guān)斷。利用其反并聯(lián)二極管形成續(xù)流回路。驅(qū)動脈沖頻率100 Hz，占空比0．01，由TMS320F28335發(fā)出，經(jīng)驅(qū)動電路控制IGBT。驅(qū)動芯片為M57962L。Z1，Z2為1N5378B，1N5363B串聯(lián)構(gòu)成。均壓電路參數(shù)：Z1為100 V，Z2為330 V；C=2．2 nF；R1=24 Ω，R2=1．5 kΩ。

    圖4為無均壓電路時串聯(lián)IGBT uCE波形?？梢姡赥1階段，由于關(guān)斷延時和關(guān)斷速率不同，造成串聯(lián)IGBT的uCE不均壓。在T2階段，由于串聯(lián)IGBT拖尾電流不等，造成串聯(lián)IGBT不均壓。加入均壓電路后，如圖5b所示，在第1個箝位點實現(xiàn)了uCE波形兩階段的電壓變化率控制；在第2個箝位點實現(xiàn)了峰值控制。均壓電路對拖尾電流引起的不均壓和關(guān)斷穩(wěn)態(tài)不均壓都有顯著控制效果。驗證了穩(wěn)壓管箝位峰值控制均壓原理的有效性。

    當(dāng)串聯(lián)單個IGBT承受電壓較高時，電路中穩(wěn)壓二極管需串聯(lián)。由于穩(wěn)壓二極管增多導(dǎo)致可靠性降低，其在高壓大功率場合的使用受到限制。
3．2 IGBT雪崩箝位的峰值控制
    通常認為，一旦超過IGBT額定電壓就會引起過電壓擊穿，導(dǎo)致不可逆的失效。其實IGBT發(fā)生過電壓擊穿時，雪崩電壓擊穿本身不會損壞器件，是個可恢復(fù)過程；過電壓擊穿失效本質(zhì)在于雪崩電壓擊穿時產(chǎn)生的焦耳熱累積引起結(jié)溫不斷上升的熱擊穿失效。在此通過實驗驗證IGBT具有可承受短時過電壓擊穿能力。實驗原理電路如圖6a所示，V1作為開關(guān)管與電感負載L串聯(lián)，實驗對象Vs與一個限流電阻R0串聯(lián)，并在V1兩端。由于L的作用，當(dāng)V1關(guān)斷時，V1的uCE波形中會出現(xiàn)高于直流側(cè)電壓的浪涌電壓。當(dāng)V1的UCE超過Vs的雪崩電壓時，Vs發(fā)生雪崩擊穿箝位現(xiàn)象，其余電壓降到R0上。實驗波形如圖6b所示，型號為K50T60的Vs，其額定電壓為600 V，發(fā)生雪崩擊穿時，電壓基本穩(wěn)定在630 V，流過約為5．9 A的電流。

    綜上考慮，改進均壓電路如圖7所示。該電路不僅提高了穩(wěn)壓管峰值箝位控制方法適用的功率范圍，且將關(guān)斷時電容上存儲的能量在開通瞬間返給主電路，降低了能量損耗。該均壓電路工作原理為：V關(guān)斷，當(dāng)V極射極電壓uCEv低于Vs2的雪崩電壓U(BR)CE2，均壓支路的漏電流很小，其阻抗可視為無窮大，Vs2承擔(dān)整個uCEv，C上電壓約等于零，均壓支路不起作用。當(dāng)uCEv達到Vs2的U(BR)CE2，通過回路R1-C1-Vs2-R2的電流，流入門極。該電流是集電極向門極的反饋電流，相當(dāng)于增大了IGBT的米勒電容，使uCEv上升斜率下降。當(dāng)C1兩端電壓達到Vs1的雪崩電壓U(BR)CE1，流過回路Vs1-Vs2-R2的電流，注入門極。當(dāng)該電流足夠大時，IGBT進入有源區(qū)，使uCEv箝位在U(BR)CE1+U(BR)CE2，實現(xiàn)峰值控制。

    采用Saber軟件仿真，主電路如圖3所示，V1，V2采用主要描述IGBT靜態(tài)特性、非線性極間電容及關(guān)斷時拖尾電流等特性的IGBT模型，模型參數(shù)大部分參考MBN600E45A器件數(shù)據(jù)手冊。均壓電路如圖7所示，Vs1，Vs2采用IGBT專有模型irg4bc40w。當(dāng)串聯(lián)的V1，V2關(guān)斷時，部分參數(shù)波形如圖8所示。其中，圖8a為Vs1，Vs2的集電極電流iCVs1，iCVs2，集射極電壓uCEvs1，uCEvs2；圖8b為V1，V2的uGE，uCE波形，實線為有均壓控制時的波形，虛線為無均壓控制時的波形。在t1時刻，uCEv1超過Vs2的雪崩電壓U(BR)CE2時，Vs2發(fā)生雪崩擊穿箝位；隨著uCEv1電壓繼續(xù)增加，C1充電，相當(dāng)于增加了V1，V2的米勒電容，起到斜率控制的作用；t2時刻，C1兩端電壓超過Vs1的雪崩電壓，Vs1發(fā)生雪崩擊穿箝位，將uCEv1箝位到U(BR)CE1+U(BR)CE2，實現(xiàn)峰值控制作用。

4 結(jié)論
    綜合考慮串聯(lián)IGBT關(guān)斷過程中3階段不均壓產(chǎn)生的特點，在800 V電壓下測試了基于穩(wěn)壓管箝位的峰值控制方法，實現(xiàn)了較好的均壓效果，驗證了該均壓原理的有效性。但該電路因穩(wěn)壓管器件功率、特性等因素，在高壓場合使用受到限制，這里對該均壓方法進行了改進，并通過仿真驗證了其均壓原理。為實際應(yīng)用中的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和高壓實驗驗證提供了理論基礎(chǔ)。