IGBT串聯(lián)均壓電路的仿真研究

祁美華，徐善偉，侯姍，3

(1.晉中職業(yè)技術學院，山西 晉中 030600;2.太原理工大學，山西 太原 030024;3.中北大學，山西 太原 030051)

1 引言

高壓大功率線路中，要求功率器件具有較高的耐壓值，單一器件往往很難滿足這一要求。利用功率器件串聯(lián)均壓可以簡單有效地解決這一問題。它不僅保證了功率器件的變換效率，減小系統(tǒng)尺寸，還拓寬了器件的應用領域。例如晶閘管和門極可關斷晶閘管器件的串聯(lián)形式已被應用于高壓直流電路和高壓逆變器等設備中。然而，晶閘管等傳統(tǒng)器件存在功率損耗大和開關速度慢等缺點，導致了它們無法在日益受到重視的PWM變流裝置中得到應用。IGBT是20世紀80年代初出現(xiàn)的一種新型半導體功率器件，它不僅具有電壓控制輸入特性、低阻通態(tài)輸出特性，還具有高輸入阻抗、電壓驅(qū)動、無二次擊穿和安全工作區(qū)寬等優(yōu)點，可以在眾多領域替代電力晶體管GTR和功率MOSFET等器件。同時，由于它的結(jié)構(gòu)特性，決定了它具有高速開關的能力，可以滿足PWM變流技術的要求。應用IGBT的PWM變流器具有如下特點:(1)較高的系統(tǒng)工作頻率;(2)電路結(jié)構(gòu)更緊湊;(3)緩沖電路的功率損耗減小;(4)驅(qū)動電路簡單。

然而，IGBT耐壓值低這一缺點，限制了它在需求日益增多的高壓設備中的應用，盡管一些廠家研制了高壓IGBT，但其只能在一定程度上解決耐高壓的問題，應用范圍有限。IGBT串聯(lián)使用是一種較為有效的提高耐壓的方法。理論上，在IGBT器件參數(shù)觸發(fā)時間相同的情況下，根據(jù)相應的耐壓值，可以將任意多的器件進行串聯(lián)使用以滿足實際需要，而且同為提高耐壓的方法，器件直接串聯(lián)所構(gòu)成的變流電路遠比多重化和多電平等方法簡單。然而，由于結(jié)構(gòu)的特殊性以及觸發(fā)裝置的誤差，實際應用中串聯(lián)器件之間會產(chǎn)生動態(tài)電壓不均的問題，將有可能導致過電壓，進而大大影響器件的使用壽命和電路的工作效率，以致?lián)p壞設備，造成經(jīng)濟損失。通過IGBT串聯(lián)來實行均壓的目的是為了保證在關斷瞬間使每個IGBT的過電壓保持均衡，這就要求控制電路具有快速的響應能力，不允許產(chǎn)生更多的損耗和降低系統(tǒng)的開關頻率;同時要求在工程上是經(jīng)濟有效的。因此，設計有效的動態(tài)均壓控制電路十分必要。本文針對IGBT串聯(lián)使用中的動態(tài)過壓問題進行了分析，設計了一種有源緩沖均壓電路，并通過MATLAB/SIMULINK進行了建模仿真。仿真結(jié)果表明，此電路具有很好的可行性。

2 串聯(lián)IGBT過電壓失衡原因分析

串聯(lián)IGBT門極信號的延遲是引起端電壓失衡的原因之一。門極信號延遲不同會造成開通過程中后導通的器件上產(chǎn)生電壓尖峰。驅(qū)動信號的提前關斷也會造成其他的功率器件器件過電壓，而且會引起靜態(tài)電壓不均衡。如果這些信號的延遲或提前能限制在0.3μs以內(nèi)，就不會引起嚴重的過電壓失衡問題。所以必須優(yōu)化設計門極驅(qū)動電路，將其信號延遲控制在0.1μs以內(nèi)，才防止產(chǎn)生嚴重的過壓問題。

引起過電壓的另一個主要原因在于器件引線分布電感和級聯(lián)器件吸收電路的特性不一致。對于不同的IGBT，其引線電感不一樣，因而會導致不同的開關特性和電壓尖峰。關斷瞬間的電壓上升速率du/dt主要取決于吸收電容，而電容容量的誤差在5% ～10%，因此每個串聯(lián)的IGBT的du/dt也會有所不同。由于吸收電容的作用，在門信號延時的情況下，電容容量的不同會產(chǎn)生嚴重的電壓尖峰。因此，如果IGBT被串聯(lián)于高壓的條件下，就會在最小的吸收電容的IGBT兩端產(chǎn)生嚴重的過電壓。

為了分析IGBT串聯(lián)條件下的過電壓失衡原因及情況，采用如圖1所示電路，運用MATLAB/SIMULINK進行了幾種相關因素引起過電壓失衡的仿真實驗，波形如圖2所示。圖2中，(a)和(c)波形為同一橋臂兩串聯(lián)IGBT兩端的電壓波形，(b)和(d)分別為其觸發(fā)信號波形。

圖1 過電壓失衡電路仿真模塊圖

圖2 過電壓失衡實驗電路仿真波形圖

分別選用不同容量的吸收電容和不同延時的門極驅(qū)動信號來觀察不同情形下開關器件的過壓失衡特性。

(1)吸收電容的影響:吸收電容不同會導致所用電容小的IGBT在關斷瞬間產(chǎn)生很高的過壓，而對其開通不會產(chǎn)生什么影響。吸收電容小者，由于在關斷瞬間端電壓的變化率du/dt較大，因而導致了出現(xiàn)最大的過電壓。

(2)門極驅(qū)動開通延時的影響:開通延時的門極信號所驅(qū)動的IGBT兩端在開通瞬間會產(chǎn)生電壓尖峰。

(3)門極驅(qū)動關斷延時的影響:關斷的延遲會引起在先關斷器件的兩端產(chǎn)生很高的過電壓，無論是在瞬態(tài)還是在穩(wěn)態(tài)，電壓均會不平衡。

3 IGBT端電壓過沖均衡措施

針對IGBT串聯(lián)使用中的動態(tài)過壓問題，本文設計了一種有源緩沖均壓電路，如圖3所示。

圖3 有源緩沖均壓電路

兩串聯(lián)的IGBT在門極驅(qū)動開通延時這一過程中，主電路直流高電壓直接加在開通延時的門極信號所驅(qū)動的IGBT兩端，若沒有緩沖電路此時便會產(chǎn)生一個很高的電壓尖峰。加上如圖3所示的有源緩沖電路之后，在給電容充電的過程中，VM通過檢測其兩端電壓并使之與Relay中設置的電壓上下限進行比較，以達到高于上限電壓時驅(qū)動圖3中IGBT開通使電容能通過它形成放電回路，直到電容兩端電壓降低到Relay中設置的電壓下限即緩沖電路中右端的直流電壓源的電壓值時，使IGBT關斷，電容電壓箝位在這一值，電容不斷的充放電直到均壓電路連接的IGBT開通，從而達到IGBT串聯(lián)均壓的目的。

在門極驅(qū)動關斷延時過程中，加在首先關斷器件兩端的有源緩沖均壓電路發(fā)揮作用，工作原理與門極驅(qū)動開通延時過程中相同。

4 MATLAB仿真結(jié)果

在MATLAB/SIMULINK中建立如圖4所示的仿真模型，其中subsystem模塊內(nèi)為如圖4所示電路。IGBT1、IGBT2的門極驅(qū)動電壓分別與 IGBT3、IGBT4的門極驅(qū)動電壓信號互補且死區(qū)時間設置為2μs，得出的仿真波形如圖5所示。

圖4 IGBT串聯(lián)均壓電路

圖5 IGBT1、IGBT2兩端的電壓波形

5 結(jié)論

動態(tài)均壓性能的好壞，是決定IGBT串聯(lián)工作是否穩(wěn)定、可靠的關鍵因素。本文設計的有源緩沖均壓電路，原理簡單并通過MATLAB/SIMULINK進行了仿真研究，仿真結(jié)果驗證了所設計電路的可行性。

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