IGBT串聯(lián)用的有源電壓控制技術(shù)

1 引言

絕緣柵雙極晶體管IGBT自上世紀(jì)80年代問世以來，由于其輸入阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大的性能，在電力電子領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于半導(dǎo)體器件本身的材料和結(jié)構(gòu)原因，IGBT目前的電壓等級最高是6.5kV，無法達(dá)到電力系統(tǒng)中很多場合的電壓等級（如10kV、35kV的電壓等級），限制了IGBT在高壓領(lǐng)域的應(yīng)用。

采用IGBT器件直接串聯(lián)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓等級的提升具有巨大的吸引力。然而，IGBT串聯(lián)技術(shù)有兩個(gè)難點(diǎn)必須要克服：第一是要保證控制信號的同步，并且必須在關(guān)斷后，各個(gè)信號之間的延遲在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)；第二是要保證在開通和關(guān)斷過程中，電壓被平均的分配在各個(gè)器件上，各個(gè)器件上的電壓差別必須在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，否則會(huì)造成某些器件被擊穿或者過早老化。

圖1列舉了幾種具有代表性的IGBT串聯(lián)方案，并根據(jù)其采用的方法進(jìn)行了分類。

無源緩沖電路，一般是在IGBT器件的C、E兩端并聯(lián)緩沖電路[1, 2]。緩沖電路包括RC型、RCD型等。無源緩沖電路可以實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)的均壓，但是會(huì)降低IGBT的開關(guān)速度并且增大開關(guān)損耗，而且無源緩沖電路需要較多器件，參數(shù)較難設(shè)置，會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。

柵極控制的方法，可以分為同步控制和有源控制兩類。同步控制包括通過控制關(guān)斷點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)電壓均衡的關(guān)斷點(diǎn)選擇法，以及通過同步控制實(shí)現(xiàn)均壓的電壓均衡法[3, 4]。但是，由于IGBT的負(fù)溫度系數(shù)特性，同步控制法有一定的局限性，因而在實(shí)際應(yīng)用中并不多見。

有源控制法，通過對柵極進(jìn)行注入電流或加減柵極控制電壓等方法來實(shí)現(xiàn)均壓，但是同時(shí)會(huì)帶來額外的功率損耗。本文介紹的有源電壓控制技術(shù)（Active Voltage Control，簡稱AVC），是通過引入集電極反饋來控制IGBT柵極電壓以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)均壓。

圖1 IGBT串聯(lián)技術(shù)分類

2 有源電壓控制技術(shù)

IGBT有源電壓控制技術(shù)，由英國劍橋大學(xué)Patrick Palmer博士提出[5]。此技術(shù)通過在IGBT控制過程中引入多重閉環(huán)反饋，使IGBT開通和關(guān)斷過程中，集電極-發(fā)射極電壓VCE的軌跡始終跟隨預(yù)先設(shè)定的參考信號，從而實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用中IGBT器件直接串聯(lián)的同步工作和有效均壓。

如圖2所示，IGBT的集電極-發(fā)射極電壓VCE經(jīng)過分壓電路分壓后再反饋回來，與預(yù)先設(shè)定好的參考信號進(jìn)行比較，兩者的差值經(jīng)過一定的電流放大，加在IGBT的柵極上，控制IGBT開通、關(guān)斷或工作在有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)VCE電壓跟隨參考信號。

圖2 有源電壓控制技術(shù)示意圖

有源電壓控制技術(shù)中，可以控制的IGBT參數(shù)很多，包括集電極-發(fā)射極電壓VCE、集電極-發(fā)射極電壓變化率dVCE/dt、關(guān)斷箝位電壓VCLAMPING、IGBT

開通和關(guān)斷的時(shí)間等。通過合理的設(shè)定參考信號，既可以控制開通和關(guān)斷過程中絕緣器件的電壓過沖，防止絕緣器件由于過電壓而損壞，并減少高電壓變化率dVCE/dt和過電壓對絕緣系統(tǒng)的影響，大幅提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，又可以使同樣電壓等級的IGBT器件工作在更高的電壓，并在保障可靠性的前提下提高器件的利用率，省去常用的緩沖吸收電路，降低系統(tǒng)成本。更重要的是，有源電壓控制技術(shù)可以有效解決IGBT器件在中、高壓應(yīng)用場合，直接串聯(lián)時(shí)的電壓VCE暫態(tài)均壓問題。由于串聯(lián)的每個(gè)IGBT器件的電壓VCE，在暫態(tài)過程中都跟隨合理設(shè)定的相同參考信號，每個(gè)IGBT器件的電壓VCE能夠有效保持在合理范圍內(nèi)，達(dá)到理想的均壓效果。此方法也同樣適用于MOSFET等其它絕緣柵器件。

圖2所示的有源電壓控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)最基本的IGBT集電極-發(fā)射極電壓VCE跟隨參考信號。其具體實(shí)施方式為：用戶輸入驅(qū)動(dòng)信號（一般為方波），可編程器件被驅(qū)動(dòng)信號觸發(fā)，產(chǎn)生集電極-發(fā)射極參考信號VREF。IGBT的集電極-發(fā)射極電壓VCE經(jīng)過分壓電路得到反饋電壓VFB。反饋電壓VFB與參考信號VREF在一個(gè)高速運(yùn)算放大器中比較，所得的差值再經(jīng)過電壓放大以及緩沖放大電路，通過柵極電阻RG加在IGBT的柵極上以驅(qū)動(dòng)IGBT。其中，參考信號的設(shè)定尤為關(guān)鍵，針對不同IGBT和不同應(yīng)用有所不同。圖3所示為其中一種參考信號的示意圖。

圖3 參考信號示意圖

如圖3所示，參考信號包括tRISE、tOFF、tFALL、tON四個(gè)階段。四個(gè)階段的時(shí)間長度和電壓大小的選擇都很重要。（VOFF -VRISE）/tOFF是設(shè)定的dVCE/dt，VOFF是設(shè)定的箝位電壓。tRISE+tOFF是關(guān)斷時(shí)間，tFALL+tON是開通時(shí)間。開通、關(guān)斷時(shí)間的長短影響著電壓VCE跟隨的精度，也影響開關(guān)損耗[6]。

為了增強(qiáng)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性及提高跟隨的精度，有源電壓控制技術(shù)可以引入多重閉環(huán)反饋。

如圖4所示的多重閉環(huán)負(fù)反饋有源電壓控制電路，與普通的有源電壓控制技術(shù)基本相同，但是增加了VGE反饋電路和dVCE/dt反饋電路。VGE反饋電路輸出與IGBT柵極-發(fā)射極電壓VGE形成一定比例關(guān)系的反饋電壓VFB2，dVCE/dt反饋電路輸出與IGBT集電極-發(fā)射極電壓變化率dVCE/dt形成一定比例關(guān)系的反饋電流IFB1。用戶輸入驅(qū)動(dòng)信號產(chǎn)生集電極-發(fā)射極參考電壓VREF，與反饋電壓VFB1進(jìn)行比較，再依次與反饋電壓VFB2和dVCE/dt反饋電流比較、疊加，由緩沖放大電路放大后，通過柵極電阻RG加在IGBT的柵極上驅(qū)動(dòng)IGBT。