基于峰值控制的igbt串聯(lián)均壓技術(shù)

1、基于峰值控制的IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)1、引言、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

2、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、IGBTIGBT串聯(lián)均壓控制分析串聯(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)

3、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)、開通瞬態(tài)、開通穩(wěn)態(tài)。因IGBT不均壓情況在關(guān)斷時(shí)比開通時(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

4、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、基于

5、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。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

6、。3.23.2、IGBTIGBT雪崩箝位的峰值控制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

7、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600V，發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，電壓基本穩(wěn)定在630V，流過(guò)約為5.9A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)的能量在開通瞬間返給