一種改進(jìn)控制電路在IGBT串聯(lián)中的應(yīng)用

顏文旭，程盼飛

（江南大學(xué)輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無錫214122）

一種改進(jìn)控制電路在IGBT串聯(lián)中的應(yīng)用

顏文旭，程盼飛

（江南大學(xué)輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無錫214122）

絕緣柵雙極型晶體管IGBTs（insolated gate bipolar transistor）串聯(lián)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于動(dòng)態(tài)均壓。首先，從理論上分析了傳統(tǒng)IGBT控制電路中寄生電容存在的主要原因，以及其對(duì)IGBT串聯(lián)均壓產(chǎn)生的影響；然后，提出了一種改進(jìn)型控制電路，與傳統(tǒng)的控制電路相比，改進(jìn)型控制電路從主電路獲取控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT所需功率，無需外接直流電源和電源隔離，減少了寄生電容的引入，能在一定程度改善IGBT的串聯(lián)均壓；最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路的有效性。在工程應(yīng)用上具有一定的參考價(jià)值。

串聯(lián)；均壓；寄生電容；門極驅(qū)動(dòng)

引言

IGBT（insolated gate bipolar transistor）結(jié)合了電力場(chǎng)效應(yīng)管P-MOSFET（power metal-oxide-semiconductor field effect transistor）和電力晶體管通、斷機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，其作為半導(dǎo)體電力開關(guān)器件具有明顯的優(yōu)勢(shì)［1］。然而，目前商用的單管IGBT耐壓等級(jí)僅為6.5 kV，并且價(jià)格高昂，通斷性能表現(xiàn)一般。在柔性直流輸電FACTS（flexible alternative current transmission systems）、高壓變頻器、有源濾波器以及機(jī)車牽引等高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域，動(dòng)輒幾十kV的高壓，單管IGBT作為線路開關(guān)，耐壓等級(jí)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求［2］。

多個(gè)IGBT串聯(lián)使用，不僅可以有效解決單管IGBT耐壓等級(jí)低的問題，而且成本相對(duì)較低。然而，多個(gè)IGBT串聯(lián)應(yīng)用，管間均壓一直是個(gè)難題。為此，國(guó)內(nèi)外也提出了很多均壓方法［3-5］。事實(shí)上，在IGBT串聯(lián)應(yīng)用中，控制電路寄生電容和雜散電感的存在以及IGBT自身動(dòng)態(tài)特性的差異等，極大程度導(dǎo)致了IGBT分壓不均，致使分壓過大的IGBT損壞，串聯(lián)失?。?］。由于IGBT的封裝結(jié)構(gòu)，其動(dòng)態(tài)特性在出廠時(shí)已固定，那么在不采用其他均壓電路的情況下，若使串聯(lián)IGBT間的分壓均勻，必須盡可能地減少控制電路中的寄生電容和雜散電感，改善門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延時(shí)，從而保持每個(gè)IGBT管通、斷動(dòng)作一致［7］。

因此，針對(duì)傳統(tǒng)IGBT控制電路采用外接直流電源獲取驅(qū)動(dòng)功率，接入電源隔離器件，引入了寄生電容干擾因素的情形，本文提出了一種新的控制電路，并詳細(xì)分析了其工作原理，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路的正確性和有效性。

1 控制電路中寄生電容分析

采用傳統(tǒng)控制電路的模型如圖1所示。假設(shè)2個(gè)IGBT的參數(shù)完全一致，C1和C2是由于控制電路外接直流電源引入的等效寄生電容，C1和C2有相同的容值；Ic1和 Ic2是流過2個(gè)寄生電容的電流，Ir1和Ir2是流過整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的電流；Ig1和Ig2是流過IGBT門極的電流；rin為驅(qū)動(dòng)電路等效內(nèi)阻；VGiM為Gi點(diǎn)和M點(diǎn)間電壓。

圖1 控制電路中的寄生電容Fig.1 Parasitic capacitances in control circuit

在IGBT開通轉(zhuǎn)換過程中，顯然有

所以，Ic1、Ic2可表示為

由式（1）得出：Ic1＞Ic2。

因?yàn)?個(gè)IGBT使用完全相同的驅(qū)動(dòng)電路，且驅(qū)動(dòng)外接工作電源相同，驅(qū)動(dòng)功率相同，則

驅(qū)動(dòng)電路rin損耗相同，且忽略不計(jì)，即

由式（1）～式（3）顯然可得，Ig1＜Ig2。通過分析計(jì)算可知，在IGBT通、斷動(dòng)作時(shí)，即使2個(gè)IGBT動(dòng)態(tài)特性完全相同（理想情況），由于控制電路寄生電容C1、C2的存在，致使流過IGBT1的門極電流Ig1小于流過IGBT2的門極電流Ig2。那么IGBT2管兩端電壓變化率dVCE2/dt將大于IGBT1管兩端的電壓變化率dVCE1/dt。最終導(dǎo)致 IGBT2管兩端分壓 VCE2高于IGBT1管兩端分壓VCE1［8］，嚴(yán)重不均壓時(shí)將可能損壞器件，導(dǎo)致串聯(lián)失敗。

2 改進(jìn)型控制電路及其工作原理

改進(jìn)型控制電路如圖2所示。該電路無需外接直流電源，整個(gè)電路連接在IGBT的兩端，沒有與地直接相連或者耦合，從而達(dá)到減少寄生電容的目的。該電路具有鉗位IGBT端電壓的作用，如果端電壓過大，則會(huì)使二極管DZ發(fā)生擊穿，觸發(fā)保護(hù)電路動(dòng)作，從而切斷主電路，避免IGBT管損壞。

圖2 改進(jìn)型控制電路Fig.2 Improved control circuit

電路的工作原理是：當(dāng)主電路中開關(guān)管IGBT關(guān)斷，兩端承受正向電壓時(shí)，偏壓二極管DP的漏電流促使雪崩二極管DZ建立起電壓，高壓MOSFET輔助開關(guān)管處于開通狀態(tài)，儲(chǔ)能電容CS充電（VCs= VDz-Vgsth-VDb，CS兩端電壓會(huì)受到限制）。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，兩端正向電壓消失，MOSFET開關(guān)管截止，由于二極管Db的單向?qū)üδ?，CS儲(chǔ)存的電能用于控制信號(hào)的功率放大，如此周而復(fù)始。CS隨端電壓VCE的充電過程如圖3所示。此外，要注意一點(diǎn)，CS容值的選取需要和IGBT所需驅(qū)動(dòng)功率及其工作頻率相匹配。在理想情況下，根據(jù)電容CS的驅(qū)動(dòng)放電過程，需滿足的條件為

式中：U為電容兩端的電壓；Rg為柵極的輸入電阻；Δt為工作周期；i為放電電流。由式（4）、式（5）可得

計(jì)算所得CS為理想情況下的最小值，其實(shí)際值應(yīng)大于最小值但也不能太大，以免充放電周期過長(zhǎng)，影響工作頻率。具體選取應(yīng)根據(jù)情況而定。

圖3 CS的儲(chǔ)能過程Fig.3 Charging process of CS

3 電路仿真

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，搭建由2個(gè)IGBT串聯(lián)的等效仿真電路，如圖4所示。電路中IGBT1、IGBT2的型號(hào)均為 IRG4BC10U。直流電壓 E為800 V；電路阻感負(fù)載RL=50 Ω，LL=5 mH；線路雜散電感LX=100 nH。柵極驅(qū)動(dòng)電阻Rg為50 Ω，方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)為+15 V、-10 V，開關(guān)頻率為40 kHz，占空比D為0.5，等效寄生電容C11、C12、C21、C22容值均選為15 pF。

圖4 等效仿真電路Fig.4 Simulation circuit equivalently

在Multisim環(huán)境下，仿真結(jié)果如圖5所示。

仿真結(jié)果為兩組對(duì)比波形，即存在等效寄生電容 C11、C12、C21、C22和不存在等效寄生電容兩種情況。由圖5可見，當(dāng)IGBT關(guān)斷瞬態(tài)時(shí)，圖（a）中IGBT1管提前于IGBT2管關(guān)斷，IGBT2管承受了一個(gè)尖峰電壓，此時(shí)其和IGBT1管之間有最大電壓差，約為80 V，此分壓偏差相對(duì)于器件所承受平均電壓約為13%；在關(guān)斷穩(wěn)態(tài)后，IGBT2管兩端分壓仍高于IGBT1管兩端分壓，電壓差保持在50 V左右；圖（b）中，2個(gè)IGBT管的關(guān)斷動(dòng)作基本一致，沒有出現(xiàn)尖峰電壓，在關(guān)斷穩(wěn)態(tài)后分壓較均衡，最大分壓差僅為40 V，此分壓偏差相對(duì)于器件所承受平均電壓約為6.7%；當(dāng)IGBT開通瞬態(tài)時(shí)，圖（c）中IGBT1管略提前于IGBT2管開通，IGBT2管同樣承受一個(gè)尖峰電壓，最大壓差為80 V；圖（d）中IGBT1管和IGBT2管的開通動(dòng)作基本一致，分壓均勻。

由以上對(duì)比分析可知，等效寄生電容作為兩組仿真電路的唯一變量，其存在直接影響了串聯(lián)IGBT門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同步，致使IGBT2管提前于IGBT1開通或關(guān)斷，IGBT2承受了一個(gè)較大尖峰電壓，在關(guān)斷瞬態(tài)和開通瞬態(tài)的實(shí)驗(yàn)波形見圖6。

圖5 仿真波形Fig.5 Simulation waveforms

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of experiment system

圖6 實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms

圖6中，A組為采用傳統(tǒng)IGBT控制電路所測(cè)波形，B組為采用改進(jìn)型IGBT控制電路所測(cè)波形。由A組實(shí)驗(yàn)波形可知，在IGBT關(guān)斷瞬態(tài)和開通瞬態(tài)，IGBT1提前于IGBT2動(dòng)作，VCE2有一個(gè)尖峰值，電壓分配不均衡嚴(yán)重，與期望值相差較大。在B組實(shí)驗(yàn)中，IGBT管關(guān)斷瞬態(tài)和開通瞬態(tài)，管分壓偏差明顯小于A組，且無較大尖峰電壓。由實(shí)驗(yàn)可知，傳統(tǒng)的門極控制電路不能滿足IGBT串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)均壓，而改進(jìn)型門極控制電路在IGBT串聯(lián)應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，儲(chǔ)能電容CS的電壓波形如圖7所示。由圖可見，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，電容充放電過程電壓波動(dòng)較小。

圖7 VCS的波形Fig.7 Waveform of VCS

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種改進(jìn)型的IGBT控制電路，該電路能一定程度上改善門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延時(shí)，優(yōu)化IGBT串聯(lián)時(shí)的動(dòng)態(tài)均壓情況。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明其具有不錯(cuò)的動(dòng)態(tài)均壓效果，對(duì)工程應(yīng)用有一定參考意義。該控制電路再結(jié)合一些基本的IGBT穩(wěn)態(tài)均壓電路，改善穩(wěn)態(tài)時(shí)出現(xiàn)的不均壓現(xiàn)象，效果更好。

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Application of An Improved Control Circuit for Series Connected IGBT

YAN Wenxu，CHENG Panfei
（Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry,Ministry of Education, Jiangnan University,Wuxi 214122,China）

The key of insolated gate bipolar transistor（IGBT）series-connected application is to make the IGBT seriesconnected in a circuit being voltage-balanced.Firstly,This article analyzes the effects of parasitic capacitances in the series connection of IGBT,which exist naturally due to control circuit.And then an improved control circuit is introduced, which is based on the power of gate driver supplied by the main circuit.Without external power supplies and the necessary insulation components,this solution has the advantage over the classical supply to eliminate parasitic capacitances.Finally,the Simulation and experimental data show that the circuit is effective and feasible.It will be reference in practice.

series;sharing-voltage;parasitic capacitances;gate driver

顏文旭

顏文旭（1971—），男，博士，副教授，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、電力電子與電氣傳動(dòng)，E-mail：ywx03@ 163.com。

程盼飛（1989—），男，碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)，E-mail：xi_jiu@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.4.109

：TM 46

：A

2015-05-31