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(yùn)行中每個(gè)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(dòng)態(tài)時(shí)段內(nèi)的均壓控制目標(biāo)進(jìn)行了分析，為設(shè)計(jì)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(diǎn)，采用基于穩(wěn)壓管箝位的峰值控制方法，在低壓實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了有效的串聯(lián)均壓，驗(yàn)證了理論分析的正確性。最后，針對該方法在高壓應(yīng)用時(shí)的缺點(diǎn)，提出了一種新的峰值控制方法，并通過仿真驗(yàn)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(jí)提出更高要求，故IGBT串聯(lián)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一。IGBT串聯(lián)應(yīng)用的關(guān)鍵問題是實(shí)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(jià)等因素，無RC緩沖回路的均壓方法更實(shí)用。此外，基于電壓軌跡控制和門極信號(hào)延時(shí)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(diǎn)，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(biāo)，采用穩(wěn)壓管箝位的峰值控制技術(shù)，在低壓實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)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(shí)的缺點(diǎn)，提出一種新的峰值控制方法，并通過仿真驗(yàn)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(shí)，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(gè)區(qū)域：飽和區(qū)、有源區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。IGBT的動(dòng)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(shí)比開通時(shí)更復(fù)雜，在此以關(guān)斷時(shí)的均壓控制為主要研究目標(biāo)。

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(shí)IGBT工作在有源區(qū)，可通過調(diào)節(jié)uGE對uCE進(jìn)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(shí)，IGBT進(jìn)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(shí)，只有很小的漏電流流過IGBT，并聯(lián)合適的均壓電阻即可實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)運(yùn)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(yùn)行中每個(gè)IGBT的uCE都不超過安全極限。所以，對電壓峰值進(jìn)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(shí)，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(shí)現(xiàn)了動(dòng)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(diǎn)，采用基于穩(wěn)壓管箝位的峰值控制方法實(shí)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(jìn)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(shí)間。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折點(diǎn)和峰值箝位點(diǎn)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(jìn)入有源區(qū)，進(jìn)而控制uCE電壓，達(dá)到均壓控制。在關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時(shí)，均壓支路還起到均壓電阻的作用。