IGBT串聯用的有源電壓控制技術

3.3 IGBT開關損耗

IGBT的開關損耗是IGBT應用的重要指標。圖11所示為有源電壓控制下的單個IGBT關斷的波形，其中的紅色波形為電壓與電流的乘積，即損耗功率。圖11（a）的參考信號較慢，因此相應的損耗也較大，而圖11（b）中的參考信號縮短了tRISE和tOFF的時間，也即增大了dVCE/dt，IGBT損耗也相應較小。

與傳統的傳統開關方式相比，圖11（b）中的損耗主要是tRISE部分多出來的，而其損耗大小占關斷的總損耗的比例并不大。事實上，采用有源電壓控制法，使用者可以在IGBT的損耗和dVCE/dt等參數中選擇平衡點，獲得理想的性能。同時，由于有源電壓控制法不需要緩沖電路來實現動態均壓，又減小了一部分損耗。因此，采用合理的參考信號，有源電壓控制法的損耗可以控制到與傳統的傳統開關方式相近的程度。即使是在特殊的情況下，需要較小的dVCE/dt，損耗的增加一般也不會超過50%。

（a）

（b）

圖11 有源電壓控制下單個IGBT開關波形及損耗：

（a）較慢參考信號；（b）：較快參考信號

（黃：參考信號，綠：VCE，紫：IC，紅：損耗）

4 討論

從以上實驗結果可以看出，有源電壓控制法在IGBT開通和關斷過程中，可以有效的實現動態均壓，兩個串聯的IGBT的集電極-發射極電壓差別很小。同時，有源電壓控制法也可以實現IGBT關斷過程中過沖電壓的有效箝位，使其不超過預先設定的箝位電壓值，保證器件不會由于過壓造成損壞。有源電壓控制法還可以實現對電壓變化率dVCE/dt的控制，這樣可以根據系統的要求來設定相應的電壓變化率參數，防止電壓變化率過大對系統造成危害。

但是從波形和分析中我們也可以看到，由于有源電壓控制法可以控制dVCE/dt，在需要較慢的dVCE/dt時，會增加開關損耗。對于此，我們可以通過優化參考波形來減小損耗。同時，由于有源電壓控制法不需要緩沖電路來實現動態均壓，又減小了一部分損耗。

另外，在相同工作條件下，工作在較高頻率時，通過低耐壓IGBT串聯實現高電壓所產生的開關損耗，要比使用單只高耐壓IGBT所產生的開關損耗小，具體比較見表1。

進行比較的3種英飛凌IGBT分別為1700V/1200A的器件FZ1200R17KF6C，3300V/1200A的器件FZ1200R33KF2C以及6500V/600A的器件FZ600R65KF2 （英飛凌6500V的IGBT沒有1200A的，因此只能采用兩個600A IGBT并聯實現1200A電流等級）。

表1中進行比較的3種方案分別是：4個1700V器件串聯，2個3300V器件串聯和2個6500V器件并聯。數據完全來自于3個IGBT相應的手冊。串、并聯后的測試條件包括：

⑴ 電流IC=1200A；

⑵ 電壓VCE=3600V；（每個1700V器件承受900V，每個3300V器件承受1800V，每個6500V器件承受3600V）；

⑶ 柵極電壓VGE=±15V；

⑷ 溫度TVJ=1250C；

⑸ 占空比50%。

表1中的數據計算公式見[附錄]。

從表1中可以看出，隨著IGBT的耐壓的升高，開關損耗和導通損耗等相應增大。其中導通損耗增大的幅度相對不大，而開關損耗增大的幅度則相當大。1700V/1200A IGBT一個開關周期消耗的能量僅為0.81J，3300V/1200A IGBT一個開關周期消耗的能量增加為3.7J，而6500V/600A IGBT一個開關周期消耗的能量達到了9.4J。如果用兩個6500V/600A IGBT并聯，實現1200A的電流等級，則一個開關周期消耗的能量達到了18.8J。如此大的差距，在高頻情況下，將產生極大的損耗差別。

通過串并聯實現相同的電壓、電流等級后，在開關頻率為500Hz時，3種方式的損耗相近，其中3300V/1200A IGBT的損耗最小。隨著頻率的升高，高耐壓IGBT的開關損耗越來越高。當工作頻率為10kHz時，采用6500V IGBT方案的總損耗已達到191.18kW，而采用4個1.7kV IGBT串聯的總損耗僅為39.84kW，相差4.8倍，而采用3300V IGBT的方案總損耗居中。

即使考慮到增加冗余量，通過使用5個1700V IGBT來實現一個6500V IGBT的應用，損耗仍然小很多，但是增加的冗余量，使得在有一個IGBT損壞的情況下，將其短路后，系統仍然能夠正常工作。

而考慮到使用有源電壓控制技術，基于控制dVCE/dt的考慮，而相比傳統開關方式多甚至50%的損耗，采用多個低耐壓IGBT串聯的損耗仍然比使用高耐壓IGBT要低很多。

除了損耗和冗余度的優勢外，在價格方面采用串聯低耐壓IGBT的方案，也往往具有優勢。并且低耐壓IGBT由于需求量大，渠道暢通，供貨周期也相對較短。