大功率IGBT模块串联动态均压详解

栅极驱动信号的不同步是引起串联IGBT器件动态不均压的主要原因。文中分别从栅极侧主动均压和负载侧被动均压两个角度阐述了IGBT串联动态均压的三种方法，仿真分析和实验验证都很好地说明了这些方法的实用有效性。同时，由实验结果分析说明了三种方法的各自优劣，从中选择阻容二极管有源均压法应用于三级IGBT的驱动信号同步补偿，仿真验证了可行性。理论上，阻容二极管有源均压法可以实现任意级IGBT串联的驱动信号补偿，有着很好的应用前景。
     脉冲功率技术是一种研究能量储存、压缩、转换和传输的技术，首先对储能器件进行缓慢充电，然后在很短时间内通过开关、脉冲调制等技术将能量释放给负载，从而在负载上得到理想的高幅度、大功率、陡前沿的脉冲输出。断路开关是脉冲功率系统中最重要的器件之一，也是脉冲功率技术发展的关键技术，尤其是对于电感储能型脉冲功率系统。近年来，半导体开关被引入到脉冲功率开关技术中，将多个该开关模块进行串并联之后，可以满足高功率、强电压、大电流领域内的多种应用。IGBT综合了电力MOSFET和GTR的优点，具有输入阻抗高、工作速度快、通态压降低、阻断电压高、承受电流大等优点，在许多电感储能型脉冲功率系统中已成为主开关器件。然而，单个IGBT的耐压等级依然有限，IGBT器件的串联应用可以迅速满足装置的电压等级要求，动态均压技术则是IGBT串联应用的关键。
 
  1. 串联动态不均压原因分析
  IGBT器件串联的动态不均压是指由于IGBT的个体差异，串联IGBT组合在开关瞬间，因动作时间的不一致导致的各IGBT两端分压不均[1]。当串联IGBT组合由导通状态转为关断状态时，串联IGBT组合将承受电路的直流电源电压Vdc。由于IGBT本身寄生有一个反并联的二极管，相当于所有的等效二极管被强制关断，因各IGBT等效二极管的反向恢复电荷不同，其关断时间也相应不同。反向恢复电荷少，关断速度快;反之则关断速度慢。导通速度慢和关断速度快的IGBT都将承担全部的外加电源电压，于是产生串联动态电压不均衡问题。
  动态均压主要分开通瞬间的动态均压和关断瞬间的动态均压这两种情况。常见的动态均压技术主要包括栅极侧主动均压技术和负载侧被动均压技术两种控制策略。栅极侧主动均压技术主要有脉冲变压器耦合均压法和阻容二极管有源均压法[3]，而负载侧被动均压技术主要是在各IGBT的两端直接并联一个缓冲吸收电路或者箝位电路。
 
  2. 2个IGBT模块的串联动态均压仿真分析及实验研究
  由前述可知，IGBT串联应用中出现的电压不均衡主要是因各IGBT的栅极驱动信号的延迟时间不同而造成的。而当延迟差距小于300ns时，不会引起明显的过压失衡问题，这是因为在该时间段里，各IGBT都还没能达到完全饱和状态，故在实验过程中，人为设定两个驱动信号的延迟时间为500ns。
 
  2.1负载侧被动均压
  常用的IGBT缓冲吸收电路主要有三种，如图1示。图1(a)适用于小功率等级，通过在IGBT的集射级之间并联一无感电容，可以有效抑制瞬变电压而且成本很低，然而随着功率等级的提高，这种缓冲吸收电路可能会与直流母线电感产生LC振荡，图1(b)可以有效避免这种情况，利用缓冲吸收电路中的快恢复二极管可有效箝位瞬变电压，抑制振荡的产生，然而随着功率等级的进一步提高，(b)缓冲吸收电路的回路寄生电感将变得很大，不能有效抑制瞬变电压。在大功率场合，我们选择使用(c)缓冲吸收电路，该电路可有效抑制振荡而且其回路寄生电感低。
   图2给出了附加有缓冲吸收电路的实验主电路图，缓冲电路的参数选择如下:

  式中Il是负载电流值;tf是IGBT的关断时间;UD是tf内电容允许的升压;Rl是负载;Ton是IGBT导通的时间。若Rs过低，由于吸收电路的电流振荡，IGBT开通时的集电极电流峰值也会相应增加，故在满足式(2)的前提下，Rs尽量设为高值：

  Lp为母线寄生电感
  图3(a)、(b)分别给出了在无任何辅助措施和应用缓冲吸收电路时IGBT模块两端的开通及关断波形图。由上述结果对比可知，该种缓冲吸收电路对串联IGBT器件的动态均压有一定的改善作用，但是并不能完全消除这一现象，其优点在于:它的电路结构简单，易于实现;可靠性高，能够有效地减小电压不平衡度，但是在串联使用的IGBT本身特性区别较大时，缓冲电路上会产生很大的损耗，并且影响IGBT的开关速度。

图3 有无吸收电路IGBT模块两端开通关断波形图

 
  2.2栅极侧主动均压
  2.2.1脉冲变压器耦合均压法
  脉冲变压器耦合均压法就是把变比为1:1的脉冲变压器的一次侧与二次侧分布串入两路串联IGBT模块的驱动端，通过磁耦合的方式来对驱动信号进行补偿，从而实现驱动信号的同步性，进而达到动态均压的目的。图4给出了应用脉冲耦合变压器时串联IGBT模块的连接方式。
  设定IGBT1的开通和关断时间均较IGBT2快500ns，图5给出了IGBT1和IGBT2在有无脉冲变压器情况下的开通信号和关断信号对比图。然而，仔细观察可以发现，图5(a)中，两路开通延迟却达1μs，(b)中经脉冲耦合变压器作用之后却依然有500ns的延迟，这是因IGBT器件本身的器件差异性引起的，而关断信号的延迟远不止500ns，这其中主要是由用于隔离的光耦器件的反应动作时间造成的，这一由内部器件的差异引起的副作用也在图6中IGBT关断时出现的瞬间峰值脉冲得到体现。由此可见，脉冲变压器对于由IGBT器件本身参数的差异性而引起的分压不均没有作用，另外，脉冲变压器参数的设计选择比较讲究，否则达不到理想的均压效果。
  图6给出了应用脉冲耦合变压器时IGBT模块两端开通、关断波形图。与图3(a)相比分析可知，脉冲变压器耦合均压法对因栅极驱动信号的不一致而造成的串联IGBT器件两端分压不均的情况有着显著的控制效果，而且控制电路及IGBT本身损耗不大，对器件的开关速度也不会有明显的影响。

图4 脉冲耦合变压器用于2个IGBT的控制原理图

图5 应用脉冲变压器前后各IGBT开通及关断信号波形图 

图6  应用脉冲变压器均压时IGBT两端开通、关断电压波形图

 
  2.2.2阻容二极管有源均压法
  该均压电路如图7所示，其辅助驱动电路主要由两只电容器(C1和C2)，三只电阻(R1、R2和R3)和一只二极管D组成。其中，电阻R1和R2是静态分压电阻，并且有R1≥R2,一般取R1=10R2，当IGBT不导通时，正是由于R1≥R2，IGBT静态电压绝大部分集中于R1两端，同时R2也对电容C1和C2的静态电压分布起到一定的作用;电容C1和C2是动态均压电容，并且有C1≥C2，正是由于C1≥C2，C1两端的电压可以基本保持恒定不变，在抑制动态过电压的过程中作为一个理想的参考电压使用，其两端的电压值：

  其中Vdc/2为直流电源所提供的理想参考电压;D是栅极二极管，用以引入过压信号，同时还起到隔离驱动信号的作用;R3为栅极电阻，用以限制引入栅极的电流。这个辅助驱动电路可以有效避免由于驱动信号的不同步而引起的串联IGBT器件在不对称开通与关断瞬间出现的过电压。

图7   阻容二极管有源均压电路图及其辅助驱动电路

  在串联IGBT器件的导通瞬间，假设IGBT2导通比IGBT1快，当IGBT2完全导通时，此时IGBT1两端的电压急剧增长，C21被快速充电，其上极板电位上升很快，并具有了一定的正向端压，于是，IGBT1通过D和R3被预先打开以抑制由此在IGBT集射极两端产生的过电压。
  当这些串联的IGBT开关器件全部打开后，C1通过IGBT对C2进行反向充电。将C2极性充反，由于电容值C1≥C2，电压UC1基本保持不变，UC2=-UC1即，电容C2两端的电压和参考电压也就是电容C1两端的电压是相等的，IGBT的栅极是高电位，二极管D被反向截止，将驱动信号与反馈通道隔离开来。
  在开关的关断瞬间，假设IGBT2关断的早一点，当IGBT2关断瞬间，IGBT2集射极两端的电压急剧增长，电容C1和C2由直流电源充电，由于C1≥C2，UC1基本保持不变，C2两端的电压由负电变为0，关断时IGBT栅极为低电位，二极管D导通，此时通过R3就会产生一个额外的开通信号，与此同时，过电压又被钳制到参考电压。于是，通过对装置在任何条件状态下的门极控制和门极驱动就有效实现了动态均压。
  图8给出了应用阻容二极管有源均压法时串联IGBT模块的开通、关断波形图。相较于图3(b)中400μs的耗时和图6中500μs的耗时，阻容二极管有源均压法可以在短短50μs内就可以使串联IGBT的关断电压趋于稳定。对于脉冲变压器耦合均压法而言，它主要通过延长开关的动作时间来降低器件在关断瞬间出现的浪涌电压，而阻容二极管有源均压法的动态性能就好的多，也不会降低系统的工作效率，并可以选择应用于多模块IGBT的串联使用。

图8 应用阻容二极管有源均压时IGBT开通、关断电压波形图

 
  3. 多个IGBT串联动态均压仿真研究
  实现IGBT多模块的串联应用是研究IGBT串联均压技术的关键所在。对于脉冲变压器耦合均压法，其每两路驱动信号都需要有一个脉冲耦合变压器，由于磁耦合的存在，使得即使发生延时的栅极驱动信号的驱动电流仍能保持一致。然而，该方法对由器件本身参数的差异而引起的分压不均没有效果，即对器件的参数一致性有着很高的要求，而且同步变压器的参数设计也比较繁琐;阻容二极管有源均压法可以同时解决动态和静态均压问题，而且动态性能良好，不会引起过多的能量损耗，也不会降低系统的工作效率，适合多数量模块的串联应用。
  为验证其有效性，在PSpice仿真软件中构建三个IGBT模块串联应用阻容二极管有源均压法的仿真电路图，如图9示。其中，直流电源Vce1=600V，IGBT模块G1、G2、G3依次延迟500ns，感性负载中，L=1.3mH，R4=R5=1Ω。
  由图10仿真结果可以看出，有无辅助均压电路，串联IGBT模块的开关表现有着巨大的异同。在添加了阻容二极管有源辅助均压电路后，串联IGBT模块有着良好的开、关同步效果，仿真分析从理论上说明该方法适用于多模块IGBT的串联应用。

图9  三级IGBT串联仿真电路图

图10 应用辅助均压电路前后电压电流波形对比图

  绝缘栅双极型晶体管IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)的串联使用是一种较为有效的提高耐压的方法。作为电感储能型脉冲功率系统中的主断路开关，IGBT串联组合会在开关的动作瞬间在各串联模块两端出现动态不均压的现象。工程应用中，各串联IGBT栅极驱动信号的不同步是导致动态不均压的主要原因。文中分别从负载侧被动均压和栅极侧主动均压对驱动信号的同步性补偿作用进行了理论分析和实验验证，结果表明均可以达到很好的动态均压效果。在此基础上提出利用阻容二极管有源均压法实现多个IGBT模块的串联应用，仿真验证了该方法在3个IGBT串联应用中的可行性。对工程实际应用具有一定的参考意义。

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