基于峰值控制的IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)
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3．2 IGBT雪崩箝位的峰值控制
通常認(rèn)為，一旦超過(guò)IGBT額定電壓就會(huì)引起過(guò)電壓擊穿，導(dǎo)致不可逆的失效。其實(shí)IGBT發(fā)生過(guò)電壓擊穿時(shí)，雪崩電壓擊穿本身不會(huì)損壞器件，是個(gè)可恢復(fù)過(guò)程；過(guò)電壓擊穿失效本質(zhì)在于雪崩電壓擊穿時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證IGBT具有可承受短時(shí)過(guò)電壓擊穿能力。實(shí)驗(yàn)原理電路如圖6a所示，V1作為開(kāi)關(guān)管與電感負(fù)載L串聯(lián)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象Vs與一個(gè)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(shí)，V1的uCE波形中會(huì)出現(xiàn)高于直流側(cè)電壓的浪涌電壓。當(dāng)V1的UCE超過(guò)Vs的雪崩電壓時(shí)，Vs發(fā)生雪崩擊穿箝位現(xiàn)象，其余電壓降到R0上。實(shí)驗(yàn)波形如圖6b所示，型號(hào)為K50T60的Vs，其額定電壓為600 V，發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，電壓基本穩(wěn)定在630 V，流過(guò)約為5．9 A的電流。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/159275.htm
綜上考慮，改進(jìn)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(shí)電容上存儲(chǔ)的能量在開(kāi)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(wú)窮大，Vs2承擔(dān)整個(gè)uCEv，C上電壓約等于零，均壓支路不起作用。當(dāng)uCEv達(dá)到Vs2的U(BR)CE2，通過(guò)回路R1-C1-Vs2-R2的電流，流入門(mén)極。該電流是集電極向門(mén)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(dá)到Vs1的雪崩電壓U(BR)CE1，流過(guò)回路Vs1-Vs2-R2的電流，注入門(mén)極。當(dāng)該電流足夠大時(shí)，IGBT進(jìn)入有源區(qū)，使uCEv箝位在U(BR)CE1+U(BR)CE2，實(shí)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(shí)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(cè)。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(shí)，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(shí)線為有均壓控制時(shí)的波形，虛線為無(wú)均壓控制時(shí)的波形。在t1時(shí)刻，uCEv1超過(guò)Vs2的雪崩電壓U(BR)CE2時(shí)，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(shí)刻，C1兩端電壓超過(guò)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(shí)現(xiàn)峰值控制作用。
4 結(jié)論
綜合考慮串聯(lián)IGBT關(guān)斷過(guò)程中3階段不均壓產(chǎn)生的特點(diǎn)，在800 V電壓下測(cè)試了基于穩(wěn)壓管箝位的峰值控制方法，實(shí)現(xiàn)了較好的均壓效果，驗(yàn)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(chǎng)合使用受到限制，這里對(duì)該均壓方法進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了其均壓原理。為實(shí)際應(yīng)用中的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和高壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了理論基礎(chǔ)。
評(píng)論