大功率IGBT驱动电路及串并联特性研究
近年来 ，IGBT 在电路中的应用越来越广，同时，诸如轨道交通等行业对兆瓦级大功率变流器的需求也增加 ，也就更需要大功率的IGBT 。直接选用大功率等级的 IGBT虽然满足要求 ，但会增加成本和驱动电路的复杂性，因此，驱动电路简单而市场货源充足的串联或并联小功率等级的IGBT的方法就受到了人们的青睐 ，有关人员对此实行了研究。
传统的高压直流输电是以晶闸管作为换流阀，用相控换流器 (PCC ) 技术为核心。但是，晶闸管具有单向导电性， 导致 PCC 技术只能控制阀的开通 ，只有通过交流母线电压过零，把阀电流减 d,N 阀的维持电流以下，才能实现阀的自然关断。IGBT 就是在这种情况下发展而来的 。IGBT 的全称是 Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管。与传统晶闸管器件相比，它的开关损耗和驱动功率都比较小 、通态压降也明显降低 ，但开关速度和输入阻抗则比较高，因此在高压固态开关、柔性直流输电等需要大功率的设备和场合更为适用。但这些大功率的设备同时也需要较高的电压，通常能达到数十甚至数百千伏 ，然而目前单个IGBT 最高只能达到 6．5 千伏电压 ，因此急需提升容量的方法 。研究人员要兼顾经济性和器件的可靠性 ，因此就需要对多只 IGBT 采取串联或并联的措施 ，以实现大功率的需要 。
图1 中车研制的IGBT模块
2.1大功率 IGBT 串联及动态不均压原因的简述对 IGBT 器件直接串联是实现大功率IGBT的一种方式，这种串联的电路依据的理论就是在触发 IGBT 的时间和器件参数相同时，可以根据其耐压值 ，串联任意数量的器件 。它的优点是设计结构简单、易于控制而不必使用太多器件 ，因此深受欢迎 。但是在使用时 ，这种器件的开关速度快，实际运行时一般仅需数十乃至数纳秒 ，也就意味着这种串联电路要求极高的单个器件均衡性 。然而 ，IGBT 的个体之间在结构上和触发上都存在一定差异，尽管差异不 大，但在整个IGBT 组合开关的一瞬间，IGBT 本身的反并联二极管被强制关断， 由于它们的反向恢复电荷并不相同，导致速度差异 ，结果就引起动态电压不均衡的问题 。
图2 IGBT的内部结构
常见的动态均压技术有两种：栅极侧主动均压和负载侧被动均压 。前者需要使用阻容二极管有源均压法和脉冲变压器耦合均压法，后者则是利用一个缓冲吸收电路或箝位电路 。为了测试不同方法的效果 ，需要对两种方式进行仿真试验 。电压不均衡是因为延迟时间的差异 ，而当差异在 300ns 以下，电压不均的问题就不会很明显 。因此 ，实验设定的延迟时间为 500ns。研究人员先根据不同的方法设计出合适的电路 ，给出合适的电压值或负载值 ，然后绘制相应的 IGBT 开通和关断波形图， 比较采取均压措施前后的变化 。实验发现，负载侧被动均压结构简单而且能有效减少电压的不平衡 ，但在 IGBT 特性区别较大时 ，电路上的损耗会增加 ，而且影响 IGBT 开关的速度 ，更适合功率相对较小的情况 。脉冲变压器耦合法同样效果明显，而且对电路损耗 、开关速度的影响都不大，但 在变压器参数的设计和选择上要格外注意 ，否则效果会不理想。阻容二极管有源均压法的优势则是稳定电压的用时短 ，可 以保证系统的工作效率，并能用于多模块 IGBT 的串联使用 。为了以经济 的方式实现 IGBT 更高等级的功率 ，对 IGBT 采取直接并联的技术也是一种方法 。常见的并联方式有功率模块级并联、驱动级并联和器件级并联。功率模块级并联是指并联相同功能和功率的模块 ，优势是开发周期短、容易实现同一变流器不同功率等级的系列化扩展需求 、可靠性高；但器件工作时的均流性和同步保护性都较差 。驱动级并联中的各IGBT 器件都有独立驱动器 ，可以试验同步运行。由于不存在环流问题 ，其均流效果较好 ，但器件的故障保护不同步，且较多的驱动器意味着更高的成本 。器件级并联可以实现 1 个驱动器驱动多个器件，在小功率 IGBT 中应用普遍 ，但在大功率的 IGBT 中，由于共射环流 、主电路平衡和器件差别的影响 ，技术上难度较大 ；不过 ，它可以确保驱动信号及故障保护的致性，有利于减少故障、降低成本。
图3 英飞凌车用IGBT模块
在 IGBT 并联电路中，由于器件参数不一致 、电路布局不对称和设计不合理等原因，往往会引起通过 IGBT 器件的电流分配不均匀，而均流状况不佳会造成不理想的输出效果甚至器件和装置的损坏 。因此，有关人员进行了仿真试验 ，以便研究不均流现象。研究人员采取了电压型全桥逆变电路的主电路设计 ，4 个电臂均由 2 个并联的三菱CM 200D yo12E 型号 IGBT 模块组成 。试验发现 ，饱和导通压降和集电极、发射极引线的等值电阻都会引起静态不均流。第一种情况下，制造IGBT 的工艺缺陷导致饱和导通压降不一致，压降较小的器件中，通过的电流 更大。第二种情况里 ，引线长度有偏差时会导致两极的等值电感和电阻的不同。尽管电阻的差异微小 ，但会对静态电流产生较大影响 ，进而导致不均流 。当并联的 IGBT 开通和关闭时间不一致时 ，就会引起动态不均流 。导致这种差异的因素有驱动电路设计、栅极电阻、门槛电压和密勒电容等 。例如， 电路设计时，进行共用驱动器和独立驱动器的对比，发现前者在延迟上没有差异 ，更容易实现动态均流 。电容值越大 ，延迟时间就越长，越会影响电路的关断。
此外，设计电路时，要注意合理的布局。首先 ，尽可能选用参数完全一致、匹配的器件。其次，IGBT 会受到温度影响 ，因此要保证把IGBT 安装在同一个散热板上 ，实现对称散热。
图4 日立双面水冷IGBT模块
四、结束语
在大功率的 IGBT 电路使用范围愈发广泛的过程中，不同电路设计各有优势，但缺陷也逐渐暴露。因此， 目前重点研究了串、并联中的缺点，以尽可能减小乃至消除它们的影响，促进大功率 IGBT 驱动电路的普及 。参考文献
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