基于峰值控制的IGBT串聯均壓技術

摘要：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安全極限的有效技術。在介紹IGBT工作特性的基礎上，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。綜合各階段控制要點，采用基于穩壓管箝位的峰值控制方法，在低壓實驗中實現了有效的串聯均壓，驗證了理論分析的正確性。最后，針對該方法在高壓應用時的缺點，提出了一種新的峰值控制方法，并通過仿真驗證了該方法均壓控制的有效性。
關鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管；均壓；峰值控制

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，最簡單、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均壓最直接的目的就是保證串聯運行中每個IGBT的uCE都不超過安全極限。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。