摘要：絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)串聯(lián)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是均壓控制。峰值控制技術(shù)是保證串聯(lián)運(yùn)行中每個(gè)IGBT的集射極電壓都不超過(guò)安全極限的有效技術(shù)。在介紹IGBT工作特性的基礎(chǔ)上，對(duì)串聯(lián)IGBT關(guān)斷過(guò)程不同動(dòng)態(tài)時(shí)段內(nèi)的均壓控制目標(biāo)進(jìn)行了分析，為設(shè)計(jì)不帶RC緩沖回路的均壓方法提供了理論基礎(chǔ)。綜合各階段控制要點(diǎn)，采用基于穩(wěn)壓管箝位的峰值控制方法，在低壓實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了有效的串聯(lián)均壓，驗(yàn)證了理論分析的正確性。最后，針對(duì)該方法在高壓應(yīng)用時(shí)的缺點(diǎn)，提出了一種新的峰值控制方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法均壓控制的有效性。
關(guān)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(shù)的發(fā)展，高壓大功率設(shè)備對(duì)IGBT的耐壓等級(jí)提出更高要求，故IGBT串聯(lián)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一。IGBT串聯(lián)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)均壓。在眾多IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)中，最簡(jiǎn)單、可靠的方法是并聯(lián)RC緩沖回路。但在高壓場(chǎng)合，考慮到損耗、體積及造價(jià)等因素，無(wú)RC緩沖回路的均壓方法更實(shí)用。此外，基于電壓軌跡控制和門(mén)極信號(hào)延時(shí)調(diào)整等有源方法，因控制電路過(guò)于復(fù)雜，使用場(chǎng)合受到限制。故有必要基于IGBT特性及均壓控制的要點(diǎn)，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(biāo)，采用穩(wěn)壓管箝位的峰值控制技術(shù)，在低壓實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了該均壓原理的有效性。然后針對(duì)該技術(shù)在高壓場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)的缺點(diǎn)，提出一種新的峰值控制方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 IGBT串聯(lián)均壓控制分析
    作為IGBT的主要特性，輸出特性描述的是以門(mén)極電壓uGE為參考變量時(shí)，集電極電流iC與集射極間電壓uCE的關(guān)系。輸出特性分為4個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)、有源區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。IGBT的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程，主要是在截止區(qū)和飽和區(qū)間來(lái)回轉(zhuǎn)換，而在器件的轉(zhuǎn)換過(guò)程中經(jīng)過(guò)有源區(qū)。
    IGBT器件通常有4種工作狀態(tài)：關(guān)斷瞬態(tài)、關(guān)斷穩(wěn)態(tài)、開(kāi)通瞬態(tài)、開(kāi)通穩(wěn)態(tài)。因IGBT不均壓情況在關(guān)斷時(shí)比開(kāi)通時(shí)更復(fù)雜，在此以關(guān)斷時(shí)的均壓控制為主要研究目標(biāo)。

    按外電路和器件內(nèi)部參數(shù)不一致等因素對(duì)uCE不均壓的影響效果，可將串聯(lián)IGBT關(guān)斷不均壓過(guò)程分為關(guān)斷瞬間的T1(uCE上升部分)、T2(拖尾部分)和關(guān)斷穩(wěn)態(tài)(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(nèi)部參數(shù)的差異引起串聯(lián)IGBT的uCE不均壓。此時(shí)IGBT工作在有源區(qū)，可通過(guò)調(diào)節(jié)uGE對(duì)uCE進(jìn)行控制；T2階段，引起串聯(lián)IGBT的uCE不均壓的主要因素是拖尾電流不同。此時(shí)，IGBT進(jìn)入截止區(qū)，uGE對(duì)拖尾電流無(wú)影響，由拖尾電流引起的uCE不均壓不受門(mén)極直接控制。關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有很小的漏電流流過(guò)IGBT，并聯(lián)合適的均壓電阻即可實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)運(yùn)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(lián)運(yùn)行中每個(gè)IGBT的uCE都不超過(guò)安全極限。所以，對(duì)電壓峰值進(jìn)行控制是很重要、有效的技術(shù)路線。峰值控制不關(guān)心uCE的中間變化軌跡，只有當(dāng)uCE升至設(shè)定的電壓水平時(shí)，均壓控制才開(kāi)始起作用。當(dāng)所有串聯(lián)IGBT的uCE峰值都被箝位在給定值之內(nèi)，就實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)均壓的目的。
3．1 穩(wěn)壓管箝位的峰值控制
    通過(guò)上述對(duì)串聯(lián)IGBT均壓階段特性的分析，綜合各階段均壓控制的特點(diǎn)，采用基于穩(wěn)壓管箝位的峰值控制方法實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)均壓，均壓電路如圖2a所示。該方法將串聯(lián)IGBT的關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行優(yōu)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(yīng)時(shí)間。通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)折點(diǎn)和峰值箝位點(diǎn)的值，在IGBT關(guān)斷過(guò)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(guò)峰值箝位電路，向門(mén)極注入電流，改變uGE，使IGBT進(jìn)入有源區(qū)，進(jìn)而控制uCE電壓，達(dá)到均壓控制。在關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時(shí)，均壓支路還起到均壓電阻的作用。

    圖3為實(shí)驗(yàn)電路，三相交流電源經(jīng)隔離變壓器、不控整流器得到0～1 kV可調(diào)直流電源Udc。Cd1，Cd2為濾波電容，Rd1，Rd2為Cd1，Cd2放電電阻。電路采用兩個(gè)IGBT串聯(lián)模塊。一個(gè)模塊做串聯(lián)開(kāi)關(guān)管V1，V2，另一個(gè)模塊始終關(guān)斷。利用其反并聯(lián)二極管形成續(xù)流回路。驅(qū)動(dòng)脈沖頻率100 Hz，占空比0．01，由TMS320F28335發(fā)出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT。驅(qū)動(dòng)芯片為M57962L。Z1，Z2為1N5378B，1N5363B串聯(lián)構(gòu)成。均壓電路參數(shù)：Z1為100 V，Z2為330 V；C=2．2 nF；R1=24 Ω，R2=1．5 kΩ。

    圖4為無(wú)均壓電路時(shí)串聯(lián)IGBT uCE波形?？梢?jiàn)，在T1階段，由于關(guān)斷延時(shí)和關(guān)斷速率不同，造成串聯(lián)IGBT的uCE不均壓。在T2階段，由于串聯(lián)IGBT拖尾電流不等，造成串聯(lián)IGBT不均壓。加入均壓電路后，如圖5b所示，在第1個(gè)箝位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了uCE波形兩階段的電壓變化率控制；在第2個(gè)箝位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了峰值控制。均壓電路對(duì)拖尾電流引起的不均壓和關(guān)斷穩(wěn)態(tài)不均壓都有顯著控制效果。驗(yàn)證了穩(wěn)壓管箝位峰值控制均壓原理的有效性。

    當(dāng)串聯(lián)單個(gè)IGBT承受電壓較高時(shí)，電路中穩(wěn)壓二極管需串聯(lián)。由于穩(wěn)壓二極管增多導(dǎo)致可靠性降低，其在高壓大功率場(chǎng)合的使用受到限制。
3．2 IGBT雪崩箝位的峰值控制
    通常認(rèn)為，一旦超過(guò)IGBT額定電壓就會(huì)引起過(guò)電壓擊穿，導(dǎo)致不可逆的失效。其實(shí)IGBT發(fā)生過(guò)電壓擊穿時(shí)，雪崩電壓擊穿本身不會(huì)損壞器件，是個(gè)可恢復(fù)過(guò)程；過(guò)電壓擊穿失效本質(zhì)在于雪崩電壓擊穿時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱累積引起結(jié)溫不斷上升的熱擊穿失效。在此通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證IGBT具有可承受短時(shí)過(guò)電壓擊穿能力。實(shí)驗(yàn)原理電路如圖6a所示，V1作為開(kāi)關(guān)管與電感負(fù)載L串聯(lián)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象Vs與一個(gè)限流電阻R0串聯(lián)，并在V1兩端。由于L的作用，當(dāng)V1關(guān)斷時(shí)，V1的uCE波形中會(huì)出現(xiàn)高于直流側(cè)電壓的浪涌電壓。當(dāng)V1的UCE超過(guò)Vs的雪崩電壓時(shí)，Vs發(fā)生雪崩擊穿箝位現(xiàn)象，其余電壓降到R0上。實(shí)驗(yàn)波形如圖6b所示，型號(hào)為K50T60的Vs，其額定電壓為600 V，發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，電壓基本穩(wěn)定在630 V，流過(guò)約為5．9 A的電流。

    綜上考慮，改進(jìn)均壓電路如圖7所示。該電路不僅提高了穩(wěn)壓管峰值箝位控制方法適用的功率范圍，且將關(guān)斷時(shí)電容上存儲(chǔ)的能量在開(kāi)通瞬間返給主電路，降低了能量損耗。該均壓電路工作原理為：V關(guān)斷，當(dāng)V極射極電壓uCEv低于Vs2的雪崩電壓U(BR)CE2，均壓支路的漏電流很小，其阻抗可視為無(wú)窮大，Vs2承擔(dān)整個(gè)uCEv，C上電壓約等于零，均壓支路不起作用。當(dāng)uCEv達(dá)到Vs2的U(BR)CE2，通過(guò)回路R1-C1-Vs2-R2的電流，流入門(mén)極。該電流是集電極向門(mén)極的反饋電流，相當(dāng)于增大了IGBT的米勒電容，使uCEv上升斜率下降。當(dāng)C1兩端電壓達(dá)到Vs1的雪崩電壓U(BR)CE1，流過(guò)回路Vs1-Vs2-R2的電流，注入門(mén)極。當(dāng)該電流足夠大時(shí)，IGBT進(jìn)入有源區(qū)，使uCEv箝位在U(BR)CE1+U(BR)CE2，實(shí)現(xiàn)峰值控制。

    采用Saber軟件仿真，主電路如圖3所示，V1，V2采用主要描述IGBT靜態(tài)特性、非線性極間電容及關(guān)斷時(shí)拖尾電流等特性的IGBT模型，模型參數(shù)大部分參考MBN600E45A器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。均壓電路如圖7所示，Vs1，Vs2采用IGBT專(zhuān)有模型irg4bc40w。當(dāng)串聯(lián)的V1，V2關(guān)斷時(shí)，部分參數(shù)波形如圖8所示。其中，圖8a為Vs1，Vs2的集電極電流iCVs1，iCVs2，集射極電壓uCEvs1，uCEvs2；圖8b為V1，V2的uGE，uCE波形，實(shí)線為有均壓控制時(shí)的波形，虛線為無(wú)均壓控制時(shí)的波形。在t1時(shí)刻，uCEv1超過(guò)Vs2的雪崩電壓U(BR)CE2時(shí)，Vs2發(fā)生雪崩擊穿箝位；隨著uCEv1電壓繼續(xù)增加，C1充電，相當(dāng)于增加了V1，V2的米勒電容，起到斜率控制的作用；t2時(shí)刻，C1兩端電壓超過(guò)Vs1的雪崩電壓，Vs1發(fā)生雪崩擊穿箝位，將uCEv1箝位到U(BR)CE1+U(BR)CE2，實(shí)現(xiàn)峰值控制作用。

4 結(jié)論
    綜合考慮串聯(lián)IGBT關(guān)斷過(guò)程中3階段不均壓產(chǎn)生的特點(diǎn)，在800 V電壓下測(cè)試了基于穩(wěn)壓管箝位的峰值控制方法，實(shí)現(xiàn)了較好的均壓效果，驗(yàn)證了該均壓原理的有效性。但該電路因穩(wěn)壓管器件功率、特性等因素，在高壓場(chǎng)合使用受到限制，這里對(duì)該均壓方法進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了其均壓原理。為實(shí)際應(yīng)用中的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和高壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了理論基礎(chǔ)。