基于峰值控制的IGBT串聯均壓技術
來源： OFweek
導讀： 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)串聯應用的關鍵技術是均壓控制。峰值控制技術是保證串聯運行中每個IGBT的集射極電壓都不超過**極限的有效技術。在介紹IGBT工作特性的基礎_卜．對串聯IGBT關斷過程不同動態時段內的均壓控制目標進行了分析，為設計不帶RC緩沖回路的均壓方法提供了理論基礎。
1、引言
隨著電力電子技術的發展，高壓大功率設備對IGBT的耐壓等級提出更高要求，故IGBT串聯技術成為研究熱點之一。IGBT串聯應用的關鍵問題是實現均壓。在眾多IGBT串聯均壓技術中，*簡單、可靠的方法是并聯RC緩沖回路。但在高壓場合，考慮到損耗、體積及造價等因素，無RC緩沖回路的均壓方法更實用。此外，基于電壓軌跡控制和門極信號延時調整等有源方法，因控制電路過于復雜，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，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，采用穩壓管箝位的峰值控制技術，在低壓實驗中驗證了該均壓原理的有效性。然后針對該技術在高壓場合應用時的缺點，提出一種新的峰值控制方法，并通過仿真驗證了該方法的有效性。
2、IGBT串聯均壓控制分析
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，集電極電流iC與集射極間電壓uCE的關系。輸出特性分為4個區域：飽和區、有源區、截止區和擊穿區。IGBT的動態開關過程，主要是在截止區和飽和區間來回轉換，而在器件的轉換過程中經過有源區。
IGBT器件通常有4種工作狀態：關斷瞬態、關斷穩態、開通瞬態、開通穩態。因IGBT不均壓情況在關斷時比開通時更復雜，在此以關斷時的均壓控制為主要研究目標。
按外電路和器件內部參數不一致等因素對uCE不均壓的影響效果，可將串聯IGBT關斷不均壓過程分為關斷瞬間的T1(uCE上升部分)、T2(拖尾部分)和關斷穩態(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部參數的差異引起串聯IGBT的uCE不均壓。此時IGBT工作在有源區，可通過調節uGE對uCE進行控制;T2階段，引起串聯IGBT的uCE不均壓的主要因素是拖尾電流不同。此時，IGBT進入截止區，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。關斷穩態時，只有很小的漏電流流過IGBT，并聯合適的均壓電阻即可實現IGBT串聯運行。
3、基于峰值控制的均壓方法
IGBT均壓*直接的目的就是保證串聯運行中每個IGBT的uCE都不超過**極限。所以，對電壓峰值進行控制是很重要、有效的技術路線。峰值控制不關心uCE的中間變化軌跡，只有當uCE升至設定的電壓水平時，均壓控制才開始起作用。當所有串聯IGBT的uCE峰值都被箝位在給定值之內，就實現了動態均壓的目的。
3.1、穩壓管箝位的峰值控制
通過上述對串聯IGBT均壓階段特性的分析，綜合各階段均壓控制的特點，采用基于穩壓管箝位的峰值控制方法實現IGBT串聯均壓，均壓電路如圖2a所示。該方法將串聯IGBT的關斷過程進行優化，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時間。通過調節轉折點和峰值箝位點的值，在IGBT關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進入有源區，進而控制uCE電壓，達到均壓控制。在關斷穩態時，均壓支路還起到均壓電阻的作用。
當串聯單個IGBT承受電壓較高時，電路中穩壓二極管需串聯。由于穩壓二極管增多導致可靠性降低，其在高壓大功率場合的使用受到限制。
3.2、IGBT雪崩箝位的峰值控制
通常認為，一旦超過IGBT額定電壓就會引起過電壓擊穿，導致不可逆的失效。其實IGBT發生過電壓擊穿時，雪崩電壓擊穿本身不會損壞器件，是個可恢復過程;過電壓擊穿失效本質在于雪崩電壓擊穿時產生的焦耳熱累積引起結溫不斷上升的熱擊穿失效。在此通過實驗驗證IGBT具有可承受短時過電壓擊穿能力。實驗原理電路如圖6a所示，V1作為開關管與電感負載L串聯，實驗對象Vs與一個限流電阻R0串聯，并在V1兩端。由于L的作用，當V1關斷時，V1的uCE波形中會出現高于直流側電壓的浪涌電壓。當V1的UCE超過Vs的雪崩電壓時，Vs發生雪崩擊穿箝位現象，其余電壓降到R0上。實驗波形如圖6b所示，型號為K50T60的Vs，其額定電壓為600V，發生雪崩擊穿時，電壓基本穩定在630V，流過約為5.9A的電流。
