基于驅(qū)動信號同步的串聯(lián)IGBT動態(tài)均壓方法

李楊，李博，羅洋（.重慶市電力公司江北供電局，重慶 4047;.英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué);.重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

絕緣柵雙極晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有通流能力強(qiáng)、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動簡單的優(yōu)點(diǎn)，作為半導(dǎo)體電力開關(guān)具有明顯的優(yōu)勢［1］。目前，IGBT的耐壓等級達(dá)到幾十千伏［2］，但因其價格昂貴，限制了單個IGBT在大功率高電壓場合的廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)［3］將耐壓等級低的多個IGBT串聯(lián)使用，不僅提高了功率變換器的電壓等級，降低了成本，而且減小了開關(guān)損耗。

然而，在IGBT串聯(lián)使用中存在的主要問題是驅(qū)動信號不同步引起串入的IGBT集射極電壓不均衡問題，嚴(yán)重時會造成某個器件上出現(xiàn)過電壓而損壞。為了保證IGBT在開關(guān)狀態(tài)改變的瞬態(tài)和其進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后合理的電壓均衡，學(xué)者提出大量的靜態(tài)和動態(tài)電壓均衡措施。靜態(tài)電壓均衡可以通過每個器件兩端并聯(lián)一個均壓電阻來實(shí)現(xiàn)［4］。而動態(tài)電壓均衡是IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)研究的難點(diǎn)。為此，國內(nèi)外提出了很多動態(tài)均壓電路:無源緩沖電路［4］、端電壓鉗位電路［5］、柵極電壓控制［6］、柵極電流控制［7］和柵極驅(qū)動信號延時調(diào)整［8］。

文獻(xiàn)［8］提出使用同步變壓器將驅(qū)動同步的方法具有良好的均壓效果，并且沒有影響IGBT的快速性。但由于同步變壓器的設(shè)計的局限性，很難使得驅(qū)動信號完全同步，出現(xiàn)了一定的電壓不均衡現(xiàn)象，隨著器件承受電壓的增加，電壓不均衡加劇，嚴(yán)重時同樣會造成器件因過電壓而損壞。因此，文本結(jié)合同步變壓器均壓電路和端電壓鉗位均壓電路的優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于驅(qū)動信號同步的動態(tài)均壓電路，并基于該方法進(jìn)行了仿真研究。

1 串聯(lián)IGBT的動態(tài)均壓技術(shù)

1.1 基于驅(qū)動信號同步的均壓電路工作原理

圖1 基于驅(qū)動信號同步的串聯(lián)IGBT均壓電路

為了實(shí)現(xiàn)串聯(lián)IGBT動態(tài)均壓控制，引入圖1所示的同步變壓器，將驅(qū)動信號相互耦合在一個磁芯上實(shí)現(xiàn)驅(qū)動同步。圖中T是同步變壓器，兩個繞組變比為1∶1，這個變壓器連接在驅(qū)動單元GDU1、GDU2和 Q1、Q2之間，將兩路驅(qū)動信號耦合［10］。

假設(shè)驅(qū)動信號GDU1要快于GDU2，用ΔT表示驅(qū)動信號之間的時間差。開通時，若無均壓電路，Q1先于Q2開通，則在ΔT時間內(nèi)，Q2仍然處于關(guān)斷狀態(tài)，電源電壓VDC全部加在Q2上，出現(xiàn)電壓不均衡現(xiàn)象。關(guān)斷時，Q1先關(guān)斷，電源電壓VDC全部加在Q1上，出現(xiàn)電壓不均衡現(xiàn)象。

引入同步變壓器后，Q1導(dǎo)通時，同步變壓器一次側(cè)感應(yīng)出電壓VT1，由于磁耦合作用，則在另一次也產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓VT2，這就相當(dāng)于GDU1同時向兩個IGBT發(fā)送驅(qū)動信號，從而使兩個IGBT開關(guān)動作一致。Q1關(guān)斷時，同理可知。

然而，由于IGBT柵射極間電容的非線性，設(shè)計出完全耦合驅(qū)動信號的同步變壓器十分困難，這樣勢必會影響均壓效果。器件在關(guān)斷前不受靜態(tài)均壓電阻的影響，因此關(guān)斷瞬態(tài)的電壓不均比開通瞬態(tài)的電壓不均明顯［7］。為了防止關(guān)斷瞬間二次電壓不均引起的過電壓，引入圖1所示的由快恢復(fù)二極管和齊納二極管組成的端電壓鉗位電路?？旎謴?fù)二極管保證了電流單向流動，齊納二極管決定了鉗位控制的啟動閾值。當(dāng)器件集射極電壓超過齊納二極管的閾值，反饋電流流過快恢復(fù)二極管和齊納二極管，注入柵極，使得集射極電壓被鉗位于某一閾值?？梢哉f，端電壓鉗位電路改善了同步變壓器的均壓效果，增加了串聯(lián)IGBT的可靠性。

1.2 同步變壓器的設(shè)計

為了達(dá)到良好的動態(tài)均壓效果，同步變壓器中激磁電感和漏感的選擇十分重要。Q1導(dǎo)通而Q2關(guān)斷的 ΔTon時間內(nèi)，圖1的等效電路如圖2所示。

（1）激磁電感Lm的計算

ig+im和 ig分別向柵射極輸入電容Cies1和 Cies2充電。假設(shè)Cies1和Cies2都與Cies相等，則 Q1、Q2驅(qū)動電壓Vg1、Vg2之間的電壓差ΔVg，即是im在ΔTon時間內(nèi)造成柵射極輸入電容Cies1和Cies2之間的電壓差:

圖2 等效電路圖

其中，ΔQm是在ΔTon時間內(nèi)向Cies1充電的電荷量，imp是im的最大值，VT1是同步變壓器一次側(cè)的感應(yīng)電壓。

在時間 ΔTon內(nèi)，VT≈V，V為驅(qū)動電源電壓。假定 |ΔVg|≤V/100，得同步變壓器激磁電感Lm的設(shè)計指標(biāo)為:

（2）漏感Ls的計算

在 ΔTon時間之后，Q2驅(qū)動信號由 VR翻轉(zhuǎn)為VF，這時 Q1、Q2都導(dǎo)通，柵射極間輸入電容Cies1、Cies2上的電壓分別由其驅(qū)動電路的電流 ig1、ig2決定，驅(qū)動電路對稱，ig1=ig2，VT1=VT2=0。漏感 Ls1、Ls2為驅(qū)動線路的寄生電感，由于等效電路呈容性，會引起電路振蕩，為防止IGBT柵射極出現(xiàn)過電壓而擊穿，要求驅(qū)動電路的品質(zhì)因數(shù)滿足:

由于 Ls1=Ls2=Ls，則:

得

同步變壓器繞組漏感Ls的設(shè)計指標(biāo):

2 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述均壓電路的有效性，利用Saber仿真軟件建立IGBT串聯(lián)動態(tài)均壓的仿真電路。本仿真中采用2個IGBT的型號為IRG4BC30K，其最大集射極間電壓Vces為600 V，輸入電容Cies為920 pF。柵極驅(qū)動電阻 Rg為 50 Ω;均壓電阻 R1、R2為 240 kΩ;兩路驅(qū)動信號頻率 fs為10 kHz;占空比D為0.4;輸出電流Iout為10 A。假設(shè)驅(qū)動信號 GDU1、GDU2相差200 ns;由式（7）、（10）選擇同步變壓器激磁電感 Lm為 2 200 μH，漏感 Ls1、Ls2為1 μH。

下面具體仿真分析以下4種情況下，Q1、Q2開通與關(guān)斷的動態(tài)均壓情況。

（1）電源電壓600 V，無動態(tài)均壓電路情況

圖3為GDU1比GDU2延遲200 ns開通時，Q1、Q2的驅(qū)動電流和開通瞬間的波形。由圖3可知，Q1先于Q2開通200 ns，先開通的Q1集射極電壓Vce1迅速由額定電壓下降為飽和壓降，此時Q2還處于關(guān)斷狀態(tài)，Q2集射極電壓Vce2迅速由額定電壓上升為電源電壓，極易造成Q2因過電壓而損壞。

圖4為GDU1比GDU2延遲200 ns關(guān)斷時，Q1、Q2的驅(qū)動電流和關(guān)斷瞬間的波形。由圖4可知，Q1先于Q2關(guān)斷200 ns，先關(guān)斷的Q1集射極電壓Vce1迅速由飽和壓降上升為電源電壓，極易造成Q1因過電壓而損壞。

（2）電源電壓600 V，僅帶同步變壓器的動態(tài)均壓電路情況

圖5為GDU2比GDU1延遲200 ns開通時，Q1、Q2的驅(qū)動電流和開通瞬間的波形。加入同步變壓器后，雖然GDU2比GDU1延遲200 ns開通，但由圖5可知，同步變壓器將Q1、Q2的驅(qū)動信號耦合在一起，使ig1、ig2保持同步，從而保證Q1、Q2在開通瞬間電壓均衡，使器件處于安全工作區(qū)。

圖5 僅帶同步變壓器時Q1、Q2的開通驅(qū)動電流和集射極電壓

圖6為GDU2比GDU1延遲200 ns關(guān)斷時，Q1、Q2的驅(qū)動電流和關(guān)斷瞬間的波形。加入同步變壓器后，雖然GDU2比GDU1延遲200 ns關(guān)斷，但由圖6可知，同步變壓器將Q1、Q2的驅(qū)動信號耦合在一起，使ig1、ig2保持同步。由于IGBT柵射極間電容的非線性，同步變壓器保持驅(qū)動信號的完全同步卻很困難。特別是在關(guān)斷瞬間，Q1、Q2在關(guān)斷瞬間出現(xiàn)輕微的電壓不均衡，其集射極電壓Vce1為330 V，最大集射極尖峰電壓為靜態(tài)均壓值的10%，此時器件仍處于安全工作區(qū)。

圖6 僅帶同步變壓器時Q1、Q2的關(guān)斷驅(qū)動電流和集射極電壓

（3）電源電壓800V，僅帶同步變壓器的動態(tài)均壓電路情況

圖7為GDU2比GDU1延遲200 ns開通和關(guān)斷時，Q1、Q2的驅(qū)動電流和開關(guān)瞬間的波形。由圖7可知，同步變壓器將Q1、Q2的驅(qū)動信號耦合在一起，使ig1、ig2保持同步，達(dá)到一定的均壓效果。但隨著器件所承受電壓的增大，在電源電壓為800 V情況下，輕微的驅(qū)動信號不完全同步卻使Q1在關(guān)斷瞬間，其集射極電壓Vce1高達(dá)600 V，最大集射極尖峰電壓為靜態(tài)均壓值的50%，此時則很難保證器件處于安全工作區(qū)。

（4）電源電壓800 V，鉗位電壓440 V，帶同步變壓器和端電壓鉗位動態(tài)均壓電路情況

圖8為GDU2比GDU1延遲200 ns開通和關(guān)斷時，Q1、Q2的驅(qū)動電流和開關(guān)瞬間的波形。由圖8可知，同步變壓器將Q1、Q2的驅(qū)動信號耦合在一起，使ig1、ig2保持同步。在關(guān)斷瞬間，驅(qū)動電流ig1突然升高并降低，這是由于此時Q1集射極電壓超過齊納二極管的閾值，反饋電流流過快恢復(fù)二極管和齊納二極管，注入柵極，使得集射極電壓被鉗位于440 V，最大集射極尖峰電壓為靜態(tài)均壓值的10%，使得Q1、Q2處于安全工作區(qū)。

3 結(jié)束語

本文在研究和分析國內(nèi)外IGBT串聯(lián)動態(tài)均壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用將驅(qū)動信號同步技術(shù)和端電壓鉗位技術(shù)結(jié)合的均壓電路，通過仿真驗(yàn)證了基于驅(qū)動信號同步的均壓電路在IGBT串聯(lián)電路中能有效地使IGBT電壓均衡。同步變壓器將驅(qū)動信號同步，其響應(yīng)速度快，端電壓鉗位電路能夠使開關(guān)瞬態(tài)的過電壓≤10%，防止了過電壓的發(fā)生，有效降低了串聯(lián)IGBT的電壓不均衡。故該方法能夠很好地使串入電路的IGBT均壓。

［1］ 王兆安.電力電子技術(shù)（第四版）［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］金其龍，孫鷂鴻.IGBT串聯(lián)技術(shù)動態(tài)均壓電路的研究［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（1）:176 －180.

［3］ Abbate C，Busatto G，Iannuzzo F.High-voltage，high-performance switch usingseries-connected IGBTs［J］.IEEE Transactionson Power Electronics，2010，25（9）:2450 －2459.

［4］ Jiann-Fuh Chen，Jiunn-Nan Lin，Tsu-Hua Ai.The techniques of the serial and paralleled IGBTs［J］.Proceedings of the 1996 IEEE IECON.22nd International Conference，1996（2）:999 －1004.

［5］ Chunpeng Zhang，Yingdong Wei，Qirong Jiang，et al.Dynamic voltage balancing of series connected IGBTs using slope regulating and voltage clamping［J］.Energy Conversion Congress and Exposition，2010:4336 －4340.

［6］ Yalan Wang，Palmer P R，Bryant AT，et al.An analysis of high-power IGBT switching undercascade active voltage control［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2009，45（2）:637 －644.

［7］ Raciti A，Belverde G，Galluzzo A，et al.Control of the switching transients of IGBT series strings by high-performance drive units［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001，48（3）:482 －490.

［8］ Sasagawa K，Abe Y，Matsuse K.Voltage-balancing method for IGBTs connected in series［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2004，40（4）:1025－1030.