IGBT串聯(lián)電壓失衡機理研究

趙景 張賽

摘? 要： 在高壓開關場合的IGBT串聯(lián)應用中，由于IGBT本身、電路參數(shù)、器件溫差、驅動信號差異、寄生電容差異等因素的影響，使得IGBT串聯(lián)使用中存在電壓失衡導致高壓擊穿的問題，影響整個系統(tǒng)的正常工作。因此，文中就導致電壓失衡的因素進行分析與研究，針對造成電壓失衡的影響因素進行理論分析，對IGBT串聯(lián)電壓失衡機理進行了較為深入的研究，并提出平衡串聯(lián)IGBT串聯(lián)動態(tài)電壓的方法。通過分析得出引起串聯(lián)IGBT動態(tài)電壓失衡的根本原因有三方面：動態(tài)阻抗不一致導致的動態(tài)分壓不一致;開關時刻及速度不一致;寄生電容引起的分流導致各級IGBT流過的電流不一致。

關鍵詞： IGBT串聯(lián)使用; 串聯(lián)電壓失衡; 失衡因素分析; 電壓平衡方法; 高壓擊穿; 理論分析

中圖分類號： TN834?34; TP391.4? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）20?0126?05

Study on unbalance mechanism of IGBT series voltage

ZHAO Jing1， ZHANG Sai2

（1. Xuchang Computer Application Engineering Technology Research Center， Xuchang Vocational Technical College， Xuchang 461000， China;

2. Xuchang Electrical Vocational College， Xuchang 461000， China）

Abstract： In the application of the insulated gate bipolar transistor （IGBT） series in the high?voltage switch occasions， there is a problem of high?voltage breakdown caused by voltage imbalance in series application of IGBT due to the influence of IGBT itself， circuit parameters， device temperature difference， driving signal difference， parasitic capacitance difference and other factors， which affects the normal operation of the whole system. Therefore， the factors that lead to voltage imbalance are analyzed and studied， and the influencing factors of voltage unbalance are analyzed theoretically. The in?depth study on the mechanism of IGBT series voltage imbalance is carried out， and a method of balancing series IGBT series dynamic voltage is proposed. Three fundamental reasons for the unbalance of series IGBT dynamic voltage are concluded. They are dynamic partial pressure inconsistency caused by dynamic impedance inconsistency， switching time and speed inconsistency， and? inconsistency of currents flowing from all level IGBTs， which is produced by the shunt caused by parasitic capacitance.

Keywords： IGBT series application; series voltage unbalance; unbalance factor analysis; voltage balancing method; high?voltage breakdown; theoretical analysis

0? 引? 言

隨著科技的發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）技術取得了突破性進展，被經(jīng)常應用在高壓變頻器、高壓脈沖電源、高壓固態(tài)開關等領域中[1]。隨著產(chǎn)品電壓的不斷升高，單IGBT模塊不能滿足設計電壓需求，進而采用IGBT串聯(lián)來實現(xiàn)對高電壓的控制，這就需要考慮IGBT串聯(lián)電壓失衡問題。

據(jù)統(tǒng)計，在IGBT技術應用方面，國外做得最好的是英飛凌及ABB，但國內的中車公司也取得了較快的進步。現(xiàn)在單IGBT的最高電壓等級達到6.5 kV，電流等級達到750 A，但很多情況下的高壓電路電壓等級要達到100 kV或以上，仍需IGBT串聯(lián)才能滿足電壓等級的實際需求;另外， IGBT的開關速度已達到百納秒級，將IGBT晶體管串聯(lián)應用時，隨著IGBT的開通與關斷，每個IGBT上的電壓會出現(xiàn)變化，即IGBT串聯(lián)動態(tài)均壓，當IGBT動態(tài)均壓效果不好時出現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓失衡，直接影響高壓電源系統(tǒng)開關的性能，甚至出現(xiàn)IGBT器件過壓擊穿的問題[2]。因此，為了高壓系統(tǒng)能夠安全、可靠、穩(wěn)定的運行，同時保障工作人員及財產(chǎn)的安全，研究串聯(lián)IGBT電壓失衡的機理顯得十分必要。

本文針對導致IGBT串聯(lián)動態(tài)電壓失衡的因素及其對動態(tài)電壓分布趨勢產(chǎn)生的影響進行了系統(tǒng)研究，且提出了平衡IGBT串聯(lián)動態(tài)電壓的方法，具有廣泛的普及性和通用性，對動態(tài)電壓不平衡控制的研究具有非常重要的意義。

1? IGBT串聯(lián)電壓失衡因素

1.1? IGBT串聯(lián)電壓失衡機理

通常在IGBT器件特性及外圍電路等處在理想情況下，它的有效參數(shù)及開關速度完全一致，串聯(lián)IGBT器件的動態(tài)電壓是理想的，不存在不平衡問題，各個IGBT電壓是均衡的。但實際上，晶體管IGBT及外圍電路并不是理想的，存在參數(shù)及外圍電路難以保證完全一致、每級IGBT的殼溫也不能保證一致、串聯(lián)驅動傳輸延時存在誤差、回路寄生電容及回路寄生電感也不一致等原因[3]，從而導致IGBT串聯(lián)動態(tài)電壓失衡的問題。

1.2? 影響IGBT串聯(lián)動態(tài)電壓失衡的因素

1.2.1? IGBT器件本身的影響

單個IGBT等效模型如圖1所示。

圖中：Rg為外部驅動電阻;Ri為柵極內阻;Cgc為柵源極等效電容;Cge為柵漏極等效電容;Cce為漏源極等效電容;Lge為ce等效電感。

IGBT開通過程分為4個階段，各階段的[Uge]，[Ic]，[Uce]的波形如圖2所示。

1） 階段一（t0～t1）

[Uge]從t0時刻開始上升，開通過程開始，外部觸發(fā)信號通過驅動電阻[Rg]和內阻[Ri]給柵極電容[Cge]和[Cgc]充電，直至t1階段結束，驅動電壓上升至柵極閾值電壓[Uge（th）]。

這個過程的驅動電壓變化為，以[Uinl]為起始0點。

[ΔUge=（Uinh-Uinl）·（1-e-t[（Rg+Ri）·（Cge+Cgc）]）] （1）

在t1結束時刻，

[ΔUge=Uge（th）-Vinl] （2）

將式（2）代入式（1）得：

[tdon=（Rg+Ri）·（Cge+Cgc）·lnUinh-UinlUinh-Uge（th）] （3）

式中：[Uge（th）]為驅動閾值電壓;[Uinh]為驅動正電壓;[Uinl]為驅動負電壓。

由式（3）可知，開通延遲時間受驅動電阻、柵極內阻、柵源極電容、柵漏極電容、驅動正負電壓差值、驅動閾值電壓等影響。其中，開通延遲時間與驅動電阻、柵極內阻、柵源極電容、柵漏極電容、驅動閾值電壓成正比，與驅動正負電壓差值成反比;而開通延遲時間越大，此級相應的開通動態(tài)不平衡電壓越高[4]。

2） 階段二（t1～t2）

源漏極電流開始上升，在忽略了反并聯(lián)二極管的反向恢復導致的電流尖峰的影響的情況下，至t2時刻，源漏極電流上升至峰值。驅動觸發(fā)電壓信號繼續(xù)通過驅動電阻[Rg]和柵極內阻[Ri]為柵極電容[Cge]和[Cgc]充電，驅動電壓繼續(xù)上升，直至密勒平臺[5]電壓[Um]。以[Uge（th）]為初始值，充電終值為[Uinh]。

[ΔUge=（Uinh-Uge（th））·1-e-t[（Rg+Ri）·（Cge+Cgc）]]? （4）

從t1時刻到t2時刻，

[ΔUge=Um-Uge（th）]? ?（5）

[trise=（Rg+Ri）·（Cge+Cgc）·lnUinh-Uge（th）Uinh-（Um-Uge（th））]

（6）

而

[Um=Uge（th）+Icgm]? （7）

聯(lián)立式（4）～式（7）得：

[trise=（Rg+Ri）·（Cge+Cgc）·lnUinh-Uge（th）Uinh-Icgm] （8）

由式（8）可知此階段，電流上升時間與驅動電阻、柵極內阻、柵源極電容、柵漏極電容、源漏極電流成正比，與驅動閾值電壓、驅動正電壓、器件跨導成反比;而電流上升時間越大，此級相應的開通動態(tài)不平衡電壓越高[6]。

3） 階段三（t2～t3）

源漏電流[Ic]已達到最大值，驅動電壓達到密勒平臺電壓，該段時間內，驅動信號[Vin]通過驅動電阻和柵極內阻向[Cgc]充電，柵極電壓[Uge]維持不變，[Ic]維持在滿載電流，而[Uce]下降。[Cgc]在低[Uce]時的值較大，[Uce]大幅度下降，并存在電壓拖尾。

[dUcedt=Vinh-Uge（th）+IcgmLsRload+（Rg+Ri）[Cgc+Cge（gm·Rload）]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

式中：[Ls]為主回路總電感量;[Rload]為負載電阻值;[Vinh]為驅動正電壓。

由式（9）可知，此過程的電壓變化率與柵極閾值電壓、源漏極電流、回路電感量、驅動電阻、柵極內阻、柵源極電容、柵漏極電容成反比，與器件跨導、負載電阻值、驅動正電壓成正比[7]。

4） 階段四（t3～t4）

此階段柵源極電容[Cgc]已充電完成，IGBT已完全開通。[Uge]再次以[（Rg+Ri）·（Cge+Cgc）]時間常數(shù)充電直到驅動正電壓值[Vinh]。在這個階段開始時，串級的各級IGBT已經(jīng)進入飽和狀態(tài)，所以此過程不影響開通延時。

IGBT關斷過程也分為4個階段，各階段的[Uge]，[Ic]，[Uce]的波形如圖3所示。

1） 階段一（t0～t1）

柵極電壓[Uge]從t0時刻開始下降，關斷過程開始，柵極輸入電容[Cge]和[Cgc]通過驅動電阻[Rg]和內阻[Ri]放電，直至t1時刻結束，驅動電壓下降至米勒平臺電壓[Um]，[Ic]，[Uce]均保持不變。以驅動負壓[Uinl]為終值參考點0，初值為[Uinh-Uinl]。

這個過程的驅動電壓變化為：

[ΔUge=（Uinh-Uinl）·e-t[（Rg+Ri）·（Cge+Cgc）]]? （10）

同時，在t1結束時刻：

[ΔUge=Um-Uinl]? （11）

而柵極電壓與源漏極電流之間關系為：

[Um=Uge（th）+Icgm]? （12）

式中：[Uge（th）]為驅動閾值電壓;[Ic]為源漏極電流;[gm]為IGBT的CE兩端的跨導。

將式（11）、式（12）代入式（10）中得：

[tdoff=（Rg+Ri）·（Cge+Cgc）·lnUinh-UinlUge（th）+Icgm-Uinl] （13）

由式（13）可知，關斷延遲時間與驅動電阻、柵極內阻、柵漏極電容、柵源極電容、驅動正負電壓差值、器件跨導成正比，與源漏極電流、驅動閾值電壓成反比[8]。

2） 階段二（t1～t2）

[Uce]開始上升，在忽略回路電感引起的電壓過沖的工況下，從飽和導通壓降上升直至靜態(tài)均壓值。此過程的電壓變化率為：

[dUcedt=Vinl-Uge（th）+IcgmLsRload+（Rg+Ri）[Cgc+Cge（gm·Rload）]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（14）

式中：[Ls]為主回路總電感量;[Rload]為負載電阻值;[Vinl]為驅動負電壓。

由式（14）可知，此過程的電壓變化率與驅動閾值電壓、源漏極電流、回路電感量、驅動電阻、柵極內阻、柵源極電容、柵漏極電容成反比，與器件跨導、負載電阻值、驅動負電壓成正比。

3） 階段三（t2～t3）

此階段為IGBT的源漏極電流拖尾，主要受限于關斷時間、額定電流、器件溫度等因素的影響，從而導致各個器件的拖尾電流都不盡相同。

[ΔUce=1Cce·t2t3i（t）dt] （15）

式中，[i（t）]為拖尾電流對時間的函數(shù)。

由式（15）可知，此過程的不平衡電壓與拖尾電流的大小、持續(xù)時間及源漏極電容成正比。

4） 階段四（t3～t4）

此階段柵源電容[Cgc]放電已完成，拖尾電流已降至0，串級的各級IGBT已完全關斷。[Uge]繼續(xù)以[（Rg+Ri）·（Cge+Cgc）]的時間常數(shù)放電，直到驅動負電壓值[Vinl]。此階段不影響關斷速度。

1.2.2? 外圍電路的影響

由于IGBT通態(tài)壓降存在離散性，為了平衡靜態(tài)串聯(lián)阻抗，通常要并聯(lián)靜態(tài)均壓電阻實現(xiàn)靜態(tài)均壓;為了降低前、后沿導致的動態(tài)電壓不平衡度，目前最常見的是IGBT兩端并聯(lián)RCD均壓網(wǎng)絡[9]，如圖4所示。

由于器件的離散性，使得高頻段的阻抗分配不均，從而導致動態(tài)電壓不平衡。

外部并聯(lián)RCD網(wǎng)絡，吸收電容C的數(shù)量級通常比IGBT的輸出電容[Coss]大得多。由于回路寄生電感或者調波電感的存在，在IGBT關斷瞬間的電流不能突變，流過每級串級IGBT兩端電流不會突變，故在關斷瞬間的產(chǎn)生的電壓為：

[ΔUce=t1t2IoCsnubber+Cossdt]? （16）

式中：[Csnubber]為IGBT的CE兩端并聯(lián)的RCD均壓網(wǎng)絡的均壓電容;[Coss]為IGBT的輸出等效電容;[Io]為串聯(lián)IGBT組件的額定電流;t1為IGBT關斷CE電壓起始上升時刻;t2為IGBT完全關斷且CE兩端電壓達到峰值的時刻。

由式（16）可知：吸收電容的大小不一是導致外圍電路引起的動態(tài)電壓不均衡主要因素;吸收電容越大，動態(tài)電壓值越低;吸收電容越小，動態(tài)電壓值越大[10]。

1.2.3? 溫度差異的影響

串聯(lián)IGBT串聯(lián)系統(tǒng)中，由于回路多，體積大，散熱設計不可能達到串聯(lián)的每級IGBT的殼溫完全一致，節(jié)溫也不可能完全一致。

以HGTG27N120BN為例，查閱其datasheet，不同的節(jié)溫情況下導通延遲時間、電流上升時間、關斷延遲時間、電流下降時間等參數(shù)，以及伏安特性曲線是不一致的[11]?？梢?，每級IGBT的溫度差異直接影響IGBT的開關速度以及截止區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)的界限劃分，從而導致動態(tài)電壓失衡，如圖5～圖9所示。

由圖5～圖9可知，在允許的節(jié)溫范圍內，同等電流等級下，節(jié)溫越高，開通延遲時間越小，電流上升時間基本不變，開通速度越快;關斷延遲時間越大，電流下降時間越大，關斷速度越慢。

1.2.4? IGBT驅動的影響

上述IGBT的開通關斷，前提是驅動信號[Vin]是同步的，但實際上串聯(lián)IGBT的驅動信號是互相隔離的，由于外圍電路及IGBT本身存在離散性，其幅值必然有所差異，傳輸時間也會有所不同，從而導致IGBT開通關斷的起始時間及開通關斷的延遲時間不同[12]，導致動態(tài)電壓失衡。

1.2.5? 回路寄生電容的影響

串聯(lián)IGBT串聯(lián)，驅動隔離供電，驅動信號傳輸?shù)入娐窋?shù)量繁多，回路面積較大，在系統(tǒng)中所占體積相對較大，對參考地電位遠近不一，尤其是高壓大功率應用場合，難免存在板間或級間的寄生電容。各級IGBT在導通和關斷瞬間存在高電壓的階躍，寄生電容的充放電直接影響流過串聯(lián)各級IGBT的電流，從而導致動態(tài)電壓失衡。其簡化模型如圖10所示。

假定串聯(lián)IGBT各級的級間電容為C01=C02=…=C0n=C0，各級對地的寄生電容為C11=C12=…=C1n=C1。

在各級IGBT截止時，第n級IGBT的寄生電容，[C0n=-VCCn]，[C1n=-VCC+VCCn·（n-1）]各級IGBT導通狀態(tài)，第n級IGBT的寄生電容[C1n=-VCC]，忽略IGBT管壓降的情況下，[C0n=0]，其中n為串聯(lián)級數(shù)。

開通過程，寄生電容除C1外，其余第n級C1n充電，C0n放電，關斷過程C1n放電，C0n充電，實際由VCC提供的電流在每一級對地寄生電容C1n處分流。從而，在開通過程中，[iQ1>iQ2>…>iQn]，在關斷過程中[iQ1

[ΔUce=1C0·0t1i（t）dt] （17）

式中：t1為開通或關斷完成時間;[i（t）]為流過各級IGBT的電流對時間的函數(shù)。

從式（17）可知，IGBT的CE兩端電壓與流過該級IGBT的電流成正比關系。在開通過程中，

[ΔUce1]>[ΔUce2]>…>[ΔUcen]

在關斷過程中，

[ΔUce1]<[ΔUce2]<…<[ΔUcen]

開通過程靠近直流母線側的IGBT動態(tài)分壓最高，向負載側依次降低;關斷過程靠近負載側的IGBT動態(tài)分壓最高，向直流母線側依次降低。同時，串級越多，由于分流支路更多，對動態(tài)電壓失衡的影響越大[13]。

綜上可知，造成IGBT器件電壓失衡的因素有：IGBT本身、外圍電路參數(shù)、器件溫差、驅動信號差異、回路寄生電容差異等。

2? 結? 論

通過從機理上分析可知，引起串聯(lián)IGBT動態(tài)電壓失衡的根本原因有三方面：

1） 動態(tài)阻抗不一致導致的動態(tài)分壓不一致;

2） 開關時刻及速度不一致;

3） 寄生電容引起的分流導致各級IGBT流過的電流不一致。

本文將串聯(lián)IGBT應用到電路中時，為了防止動態(tài)電壓失衡引起的過電壓擊穿IGBT，應充分進行器件篩選、驅動信號同步、減小IGBT對地寄生電容、增加補償電路等工作降低動態(tài)電壓失衡情況。因此，通過IGBT串聯(lián)電壓失衡機理的研究，為解決IGBT串聯(lián)電壓失衡奠定了理論基礎與前提。

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