IGBT應(yīng)用于VSC-HVDC中的關(guān)鍵技術(shù)研究

雒明浩，孫志毅，劉立群

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

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IGBT應(yīng)用于VSC-HVDC中的關(guān)鍵技術(shù)研究

雒明浩，孫志毅，劉立群

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

摘要：IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的串并聯(lián)組合作為VSC-HVDC(Voltage Source Convertor-High Voltage Direct Current)中換流橋的功率開關(guān)模塊，在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)器件電壓電流不均衡的狀況，這主要是由器件參數(shù)的差異和柵極驅(qū)動信號的不同步造成的。本文利用并聯(lián)等值電阻法、外加緩沖電路法、柵極電阻補償法對IGBT器件參數(shù)和柵極驅(qū)動信號的校正進行了理論研究和仿真分析，有效解決了IGBT串并聯(lián)的電壓電流不均衡問題。

關(guān)鍵詞：IGBT；靜態(tài)均壓；動態(tài)均壓；并聯(lián)均流

自20世紀(jì)80年代問世以來，IGBT因其驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，飽和壓降低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域[1]。然而隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，單個IGBT器件的電壓、電流等級已經(jīng)難以滿足高壓大功率電路的設(shè)計要求，尤其是在電力牽引，電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域。在VSC-HVDC的工程應(yīng)用中，換流站每個橋臂上的功率開關(guān)模塊均由多個IGBT器件串并聯(lián)組合構(gòu)成，這不僅提高了設(shè)備的電壓電流等級，同時也降低了設(shè)備的成本和體積，在散熱和物理布局等方面也有較大優(yōu)勢[2]。但是由于IGBT器件參數(shù)的差異和柵極驅(qū)動信號的不同步等主要因素，多個IGBT串并聯(lián)應(yīng)用時必須要解決電壓電流不均衡的問題。

1IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)

1.1　靜態(tài)均壓技術(shù)

串聯(lián)均壓是指在IGBT串聯(lián)工作時，需要使每個器件所分配的集-射極電壓VCE保持均衡，包括靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓[3]。在串聯(lián)的IGBT器件處于穩(wěn)定的開通和阻斷狀態(tài)時，使其集-射極電壓保持均衡，此為靜態(tài)均壓。造成靜態(tài)電壓不均衡的主要原因是串聯(lián)的IGBT器件參數(shù)不一致，主要為伏安特性的差異。

為了解決IGBT串聯(lián)時靜態(tài)電壓不均衡問題，可以采用在器件的集電極和發(fā)射極之間并聯(lián)等值電阻的方法。若等值電阻RS遠(yuǎn)小于IGBT的漏電阻，則器件處于阻斷狀態(tài)時的電壓分配主要取決于RS，因此在每個IGBT器件的集射極之間并聯(lián)等值電阻，就可以解決靜態(tài)電壓不均衡的問題。需要注意的是，RS的阻值過小的話，流過RS的電流就會變大，造成較大的功耗。所以，需要從均壓和功耗兩方面來選擇均值電阻的阻值。

等值電阻RS的阻值可以按照下式來選取[3]:

(1)

(2)

其中，RS—等值電阻的阻值，n—串聯(lián)的IGBT個數(shù)，U—漏電流最小的IGBT的額定電壓，Udc—主電路直流電源電壓值，ICmax—串聯(lián)IGBT漏電流最大值，P—并聯(lián)電阻功率值。

采用PSpice仿真軟件對圖1所示的靜態(tài)均壓電路進行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。其中Z1、Z2分別為三菱電機公司生產(chǎn)的IGBT器件CM200DY-28H、CM200DY-12H，根據(jù)器件參數(shù)計算出等值電阻RS≤66.7 kΩ，取RS=65 kΩ.

圖1　靜態(tài)均壓電路

圖2a所示為未加入等值電阻的集-射極電壓波形，在30 us處兩管開始觸發(fā)導(dǎo)通，Z1、Z2的集-射極電壓嚴(yán)重不均衡，且在開通和關(guān)斷瞬間有很大的尖峰電壓。由圖2b可以看出，兩器件并聯(lián)了等值電阻之后，Z1、Z2的集-射極電壓在穩(wěn)態(tài)時達到平衡，但開通和關(guān)斷瞬間的尖峰電壓并沒有改善。因此可知，并聯(lián)等值電阻可以在IGBT處于正向阻斷時平均分配各器件的集-射極電壓，但是不能改善IGBT開通、關(guān)斷瞬間的集-射極尖峰電壓。

圖2　靜態(tài)均壓時電壓波形

1.2　動態(tài)均壓技術(shù)

動態(tài)均壓是指在串聯(lián)的IGBT器件處于開通、關(guān)斷過程時，使其集-射極電壓保持均衡。除了器件參數(shù)的差異之外，柵極驅(qū)動信號的不同步也會造成串聯(lián)的IGBT動態(tài)不均壓。目前，主要采用加入緩沖電路和補償柵極驅(qū)動信號等方法來實現(xiàn)IGBT串聯(lián)的動態(tài)均壓[4]。前者主要是指在IGBT串聯(lián)拓?fù)涞耐鈬尤刖彌_電路，后者是指構(gòu)成一個與IGBT柵極驅(qū)動信號形成反饋的閉環(huán)電路來實現(xiàn)動態(tài)均壓，但是這種方法控制復(fù)雜，成本高。因此，本文采用外加RCD型緩沖電路[5]的方法。

如圖3所示，為RCD型緩沖電路原理圖，它由電容、電阻和二極管組成，與柵極驅(qū)動電路一起控制IGBT的開關(guān)過程。當(dāng)某一IGBT發(fā)生過壓時，緩沖電路會發(fā)出一路柵極驅(qū)動信號到該器件的柵極，動態(tài)調(diào)節(jié)IGBT的開通和關(guān)斷過程，抑制IGBT串聯(lián)時出現(xiàn)的電壓不均衡現(xiàn)象。

圖3　RCD型動態(tài)均壓電路

為了保證RCD緩沖電路有效工作，其RC參數(shù)需滿足下式[3]：

C11=C21?C12=C22

(3)

R11=R21?R12=R22?R13=R23

(4)

在滿足式3、式4的條件下，C11和C21的端電壓UC11和UC21基本保持恒定且約等于一半直流母線電壓。當(dāng)某一IGBT出現(xiàn)過電壓時，則該過電壓值將加在C12或C22上，并通過二極管向其柵極注入驅(qū)動電流，實現(xiàn)動態(tài)均壓。

在串聯(lián)IGBT開通過程中，若Z2管先于Z1管開通，則直流母線電壓全部加在Z1上，Z1管的集-射極電壓迅速上升。當(dāng)Z1管的集-射極電壓大于UC11時，C12開始充電，電壓由零開始上升，并通過二極管和R13向Z1管的柵極注入一路柵極驅(qū)動電流，使Z1管提前進入導(dǎo)通狀態(tài)，將Z1管電壓鉗位在UC11處，抑制Z1管過壓。

在串聯(lián)IGBT關(guān)斷過程中，若Z2管先于Z1管關(guān)斷，則直流母線電壓通過還未關(guān)斷的Z1管向C21和C22充電，同時Z2管的集-射極電壓開始上升。當(dāng)C22端電壓由負(fù)變正后，將會通過二極管和R23向Z2管的柵極注入一路正電流，延緩Z2管的關(guān)斷時間，使其能與Z1管同時關(guān)斷，抑制Z1管發(fā)生過壓。

動態(tài)均壓電路仿真波形如圖4所示，Z1和Z2均采用同一型號的IGBT器件，將Z2延遲0.5 us開通，延遲0.5 us關(guān)斷。由圖4a可以看出，在0-0.5 us時，Z1導(dǎo)通，Z2處于關(guān)斷狀態(tài)，且集-射極之間產(chǎn)生很大尖峰電壓；在1~1.5 us時，Z1關(guān)斷，Z2導(dǎo)通，直流母線電壓均加在Z1上，且在1.5 us以后，Z2依然處于導(dǎo)通狀態(tài)，其集-射極電壓為零。由圖4b可以看出，加入動態(tài)均壓電路之后，Z1、Z2集-射極電壓的均衡情況得到明顯改善，在器件開通和關(guān)斷時，兩管的集-射極電壓基本一致，且消除了Z2的集-射極尖峰電壓。

圖4　動態(tài)均壓時電壓波形

2IGBT并聯(lián)均流技術(shù)

2.1　并聯(lián)均流措施

與串聯(lián)工作時一樣，IGBT并聯(lián)時也需要解決電流不均衡問題。靜態(tài)不均流主要是由IGBT的通態(tài)飽和壓降不一致引起的，需要外加均流電路使器件處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)時電流保持均衡。導(dǎo)致動態(tài)電流不均衡的主要原因是并聯(lián)IGBT器件的轉(zhuǎn)移特性不一致，此外，柵極驅(qū)動信號不同步、并聯(lián)拓?fù)洳粚ΨQ和IGBT模塊溫度的差異也會造成并聯(lián)器件動態(tài)不均流[6-8]。在建立IGBT并聯(lián)電路時，要保證并聯(lián)IGBT模塊的集電極電流均衡，需按以下要求進行設(shè)計：

1)盡量選取器件參數(shù)一致的IGBT進行并聯(lián)；

2)柵極驅(qū)動電路布局要對稱，每個IGBT器件需使用獨立的柵極電阻，并聯(lián)IGBT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也要盡量對稱；

3)盡量將并聯(lián)的IGBT器件放置于同一散熱裝置上，使并聯(lián)器件的溫差盡量要小。

2.2　靜態(tài)降額率

由于IGBT的通態(tài)飽和壓降對電流均衡的影響，當(dāng)飽和壓降不一致的IGBT器件并聯(lián)時，必須降額使用。電流的靜態(tài)降額率δs可按如下公式計算[6-7]：

(5)

其中IT為并聯(lián)器件總額定電流，IM為單個器件最大額定電流np為并聯(lián)器件的個數(shù)。

根據(jù)生產(chǎn)廠家的給出的不同電壓等級IGBT器件的靜態(tài)降額率，可根據(jù)式(5)推算出并聯(lián)IGBT模塊的總額定電流，由此可作為選擇器件的依據(jù)。對于三菱電機公司生產(chǎn)的IGBT器件，可以參照如下比例將額[6-8]：600 V器件將Ic降額10%，1 200 V器件將Ic降額15%，1 700 V器件將Ic降額20%.

2.3　動態(tài)降額率

由于IGBT器件開關(guān)時刻的電流動態(tài)不均衡，當(dāng)器件工作在高頻環(huán)境下，需要考慮動態(tài)降額率。動態(tài)降額率δd可由如下公式計算[6-7]:

(6)

定義φ為動態(tài)不匹配度，φ=△IC(PK)/△IC(PK)max，其中△IC(PK)=△IC(PK)max-△IC(PK)min，△IC(PK)max，△IC(PK)min分別為單個IGBT器件獨立運行時的最大和最小峰值電流。

通常情況下，IGBT器件的靜態(tài)降額率高于動態(tài)降額率，在實際并聯(lián)應(yīng)用中需根據(jù)具體情況合理的降額使用。

2.4　并聯(lián)均流的仿真分析

一般來說，IGBT并聯(lián)應(yīng)用時，器件的特性參數(shù)不能做到完全一致。對于此種情況，可以采用柵極電阻補償法[6-8]來實現(xiàn)IGBT的動態(tài)、靜態(tài)均流。柵極電阻補償法是通過調(diào)節(jié)柵極電阻阻值的大小來調(diào)節(jié)柵極充放電的時間，從而使器件的集電極電流基本保持一致。

采用PSpice仿真軟件中的IGBT模塊CM200DY-28H、CM200DY24H進行仿真分析，飽和壓降分別為3.1 V、2.5 V，門檻電壓分別為7.05 V、6.85 V.開通過程的波形如圖5所示。圖5(a)中，未加入柵極補償電阻，兩管在10 us處開始導(dǎo)通，在開通過程中和穩(wěn)態(tài)時，流過兩管集電極的電流有明顯差異，器件參數(shù)較小的管子要承擔(dān)較大的集電極電流，增大了開通損耗。在圖5(b)中，加入柵極補償電阻后，在開通和穩(wěn)態(tài)時，兩管的集電極電流基本保持一致，不均流的狀況明顯得到改善。

圖5　開通過程的集電極電流波形

如圖6(a)所示，在關(guān)斷過程中，流過兩管集電極的電流不能保持同步，器件參數(shù)較小的管子要承受大部分電流，增大了關(guān)斷損耗。圖6(b)所示的集電極電流波形為加入柵極補償電阻之后的波形，可以看出兩管在60 us~60.75 us的關(guān)斷時刻，兩管的集電極電流基本保持一致，有效的改善了兩管關(guān)斷不均流的狀況。

由圖5和圖6分析可見，門檻電壓較小的IGBT器件，在開通時刻首先開通，在關(guān)斷時刻最后關(guān)斷，因而要分配較大的集電極電流。在穩(wěn)態(tài)時，飽和壓降較小的器件，會承受較大的集電極電流。對器件參數(shù)較小的IGBT加入柵極補償電阻可以有效的抑制集電極電流分布不均的情況。需要注意的是，并聯(lián)IGBT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和柵極驅(qū)動電路要盡可能對稱。

3結(jié)論

經(jīng)以上分析可知，并聯(lián)等值電阻法可以有效抑制IGBT串聯(lián)應(yīng)用中的靜態(tài)不均壓問題，但是不能抑制其開通和關(guān)斷過程的尖峰電壓。外加RCD緩沖電路法對于由柵極驅(qū)動信號不同步引起的動態(tài)不均壓現(xiàn)象有明顯的改善效果，并且可以有效抑制集-射極尖峰電壓。柵極電阻補償法通過調(diào)節(jié)柵極充放電時間，實現(xiàn)了IGBT并聯(lián)模塊開關(guān)時刻和穩(wěn)態(tài)過程的電流均衡。

圖6　關(guān)斷過程的集電極電流波形

鑒于現(xiàn)有IGBT器件的耐壓耐流等級，將IGBT串并聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于VSC-HVDC中，是非常有必要的。在設(shè)計IGBT串并聯(lián)電路時，要盡可能的選用器件參數(shù)一致的IGBT，柵極驅(qū)動電路和IGBT串并聯(lián)模塊的電路拓?fù)湟M可能的一致，這樣才有利于在器件串并聯(lián)應(yīng)用時達到理想的均壓均流效果。在實際應(yīng)用中，由于多種客觀因素和限制條件，往往要折中考慮這些影響因素。

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Research on Key Technologies of IGBT in VSC-HVDC

LUO Ming-hao，SUN Zhi-yi，LIU Li-qun

(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science & Technology，

Taiyuan 030024，China)

Abstract：The voltage and current unbalancing must be resolved when the series and parallel combination of IGBT is used as the power switching modules in VSC-HVDC convertors.The difference of parameters of the device and the synchronization of gate pulses are the main reasons to this situation.The correction of IGBT device parameters and gate pulses has been analyzed and simulated by paralleling equivalent resistance，adding the buffer circuit and compensating gate resistance.And the voltage and current unbalancing have been resolved in application of IGBT series and parallel.

Key words：IGBT，static balancing，dynamic balancing，parallel connection balancing

中圖分類號：TM89

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.01.005

文章編號：1673-2057(2016)01-0022-05

作者簡介：雒明浩(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為現(xiàn)代電力電子與新能源發(fā)電技術(shù)。

基金項目：中國博士后基金(2014T70234)；中國博士后基金(2013M530895)

收稿日期：2015-05-07