基于峰值控制的IGBT串联均压技术

摘要：绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联应用的关键技术是均压控制。峰值控制技术是保证串联运行中每个IGBT的集射极电压都不超过安全极限的有效技术。在介绍IGBT工作特性的基础上，对串联IGBT关断过程不同动态时段内的均压控制目标进行了分析，为设计不带RC缓冲回路的均压方法提供了理论基础。综合各阶段控制要点，采用基于稳压管箝位的峰值控制方法，在低压实验中实现了有效的串联均压，验证了理论分析的正确性。最后，针对该方法在高压应用时的缺点，提出了一种新的峰值控制方法，并通过仿真验证了该方法均压控制的有效性。
关键词：绝缘栅双极型晶体管；均压；峰值控制

1 引言
    随着电力电子技术的发展，高压大功率设备对IGBT的耐压等级提出更高要求，故IGBT串联技术成为研究热点之一。IGBT串联应用的关键问题是实现均压。在众多IGBT串联均压技术中，最简单、可靠的方法是并联RC缓冲回路。但在高压场合，考虑到损耗、体积及造价等因素，无RC缓冲回路的均压方法更实用。此外，基于电压轨迹控制和门极信号延时调整等有源方法，因控制电路过于复杂，使用场合受到限制。故有必要基于IGBT特性及均压控制的要点，选择更有效的均压方法。
    在此首先分析IGBT各阶段均压控制的目标，采用稳压管箝位的峰值控制技术，在低压实验中验证了该均压原理的有效性。然后针对该技术在高压场合应用时的缺点，提出一种新的峰值控制方法，并通过仿真验证了该方法的有效性。

2 IGBT串联均压控制分析
    作为IGBT的主要特性，输出特性描述的是以门极电压uGE为参考变量时，集电极电流iC与集射极间电压uCE的关系。输出特性分为4个区域：饱和区、有源区、截止区和击穿区。IGBT的动态开关过程，主要是在截止区和饱和区间来回转换，而在器件的转换过程中经过有源区。
    IGBT器件通常有4种工作状态：关断瞬态、关断稳态、开通瞬态、开通稳态。因IGBT不均压情况在关断时比开通时更复杂，在此以关断时的均压控制为主要研究目标。

    按外电路和器件内部参数不一致等因素对uCE不均压的影响效果，可将串联IGBT关断不均压过程分为关断瞬间的T1(uCE上升部分)、T2(拖尾部分)和关断稳态(T2以后)三阶段，如图1所示。T1阶段，主要是由外电路和器件内部参数的差异引起串联IGBT的uCE不均压。此时IGBT工作在有源区，可通过调节uGE对uCE进行控制；T2阶段，引起串联IGBT的uCE不均压的主要因素是拖尾电流不同。此时，IGBT进入截止区，uGE对拖尾电流无影响，由拖尾电流引起的uCE不均压不受门极直接控制。关断稳态时，只有很小的漏电流流过IGBT，并联合适的均压电阻即可实现IGBT串联运行。

3 基于峰值控制的均压方法
    IGBT均压最直接的目的就是保证串联运行中每个IGBT的uCE都不超过安全极限。所以，对电压峰值进行控制是很重要、有效的技术路线。峰值控制不关心uCE的中间变化轨迹，只有当uCE升至设定的电压水平时，均压控制才开始起作用。当所有串联IGBT的uCE峰值都被箝位在给定值之内，就实现了动态均压的目的。
3．1 稳压管箝位的峰值控制
    通过上述对串联IGBT均压阶段特性的分析，综合各阶段均压控制的特点，采用基于稳压管箝位的峰值控制方法实现IGBT串联均压，均压电路如图2a所示。该方法将串联IGBT的关断过程进行优化，在T1阶段，使uCE具有两阶段电压变化率，如图2b所示。第1阶段电压变化率较快，以降低损耗：第2阶段电压变化率下降，以降低电压不均衡度，并为箝位电路赢得更多的响应时间。通过调节转折点和峰值箝位点的值，在IGBT关断过程的损耗与电压均衡度之间做出折中。在T2阶段，由拖尾电流的差异引起不均压，通过峰值箝位电路，向门极注入电流，改变uGE，使IGBT进入有源区，进而控制uCE电压，达到均压控制。在关断稳态时，均压支路还起到均压电阻的作用。

    图3为实验电路，三相交流电源经隔离变压器、不控整流器得到0～1 kV可调直流电源Udc。Cd1，Cd2为滤波电容，Rd1，Rd2为Cd1，Cd2放电电阻。电路采用两个IGBT串联模块。一个模块做串联开关管V1，V2，另一个模块始终关断。利用其反并联二极管形成续流回路。驱动脉冲频率100 Hz，占空比0．01，由TMS320F28335发出，经驱动电路控制IGBT。驱动芯片为M57962L。Z1，Z2为1N5378B，1N5363B串联构成。均压电路参数：Z1为100 V，Z2为330 V；C=2．2 nF；R1=24 Ω，R2=1．5 kΩ。

    图4为无均压电路时串联IGBT uCE波形。可见，在T1阶段，由于关断延时和关断速率不同，造成串联IGBT的uCE不均压。在T2阶段，由于串联IGBT拖尾电流不等，造成串联IGBT不均压。加入均压电路后，如图5b所示，在第1个箝位点实现了uCE波形两阶段的电压变化率控制；在第2个箝位点实现了峰值控制。均压电路对拖尾电流引起的不均压和关断稳态不均压都有显著控制效果。验证了稳压管箝位峰值控制均压原理的有效性。

    当串联单个IGBT承受电压较高时，电路中稳压二极管需串联。由于稳压二极管增多导致可靠性降低，其在高压大功率场合的使用受到限制。
3．2 IGBT雪崩箝位的峰值控制
    通常认为，一旦超过IGBT额定电压就会引起过电压击穿，导致不可逆的失效。其实IGBT发生过电压击穿时，雪崩电压击穿本身不会损坏器件，是个可恢复过程；过电压击穿失效本质在于雪崩电压击穿时产生的焦耳热累积引起结温不断上升的热击穿失效。在此通过实验验证IGBT具有可承受短时过电压击穿能力。实验原理电路如图6a所示，V1作为开关管与电感负载L串联，实验对象Vs与一个限流电阻R0串联，并在V1两端。由于L的作用，当V1关断时，V1的uCE波形中会出现高于直流侧电压的浪涌电压。当V1的UCE超过Vs的雪崩电压时，Vs发生雪崩击穿箝位现象，其余电压降到R0上。实验波形如图6b所示，型号为K50T60的Vs，其额定电压为600 V，发生雪崩击穿时，电压基本稳定在630 V，流过约为5．9 A的电流。

    综上考虑，改进均压电路如图7所示。该电路不仅提高了稳压管峰值箝位控制方法适用的功率范围，且将关断时电容上存储的能量在开通瞬间返给主电路，降低了能量损耗。该均压电路工作原理为：V关断，当V极射极电压uCEv低于Vs2的雪崩电压U(BR)CE2，均压支路的漏电流很小，其阻抗可视为无穷大，Vs2承担整个uCEv，C上电压约等于零，均压支路不起作用。当uCEv达到Vs2的U(BR)CE2，通过回路R1-C1-Vs2-R2的电流，流入门极。该电流是集电极向门极的反馈电流，相当于增大了IGBT的米勒电容，使uCEv上升斜率下降。当C1两端电压达到Vs1的雪崩电压U(BR)CE1，流过回路Vs1-Vs2-R2的电流，注入门极。当该电流足够大时，IGBT进入有源区，使uCEv箝位在U(BR)CE1+U(BR)CE2，实现峰值控制。

    采用Saber软件仿真，主电路如图3所示，V1，V2采用主要描述IGBT静态特性、非线性极间电容及关断时拖尾电流等特性的IGBT模型，模型参数大部分参考MBN600E45A器件数据手册。均压电路如图7所示，Vs1，Vs2采用IGBT专有模型irg4bc40w。当串联的V1，V2关断时，部分参数波形如图8所示。其中，图8a为Vs1，Vs2的集电极电流iCVs1，iCVs2，集射极电压uCEvs1，uCEvs2；图8b为V1，V2的uGE，uCE波形，实线为有均压控制时的波形，虚线为无均压控制时的波形。在t1时刻，uCEv1超过Vs2的雪崩电压U(BR)CE2时，Vs2发生雪崩击穿箝位；随着uCEv1电压继续增加，C1充电，相当于增加了V1，V2的米勒电容，起到斜率控制的作用；t2时刻，C1两端电压超过Vs1的雪崩电压，Vs1发生雪崩击穿箝位，将uCEv1箝位到U(BR)CE1+U(BR)CE2，实现峰值控制作用。

4 结论
    综合考虑串联IGBT关断过程中3阶段不均压产生的特点，在800 V电压下测试了基于稳压管箝位的峰值控制方法，实现了较好的均压效果，验证了该均压原理的有效性。但该电路因稳压管器件功率、特性等因素，在高压场合使用受到限制，这里对该均压方法进行了改进，并通过仿真验证了其均压原理。为实际应用中的参数优化设计和高压实验验证提供了理论基础。