基于峰值控制的IGBT串联均压技术
导读： 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联应用的关键技术是均压控制。峰值控制技术是保证串联运行中每个IGBT的集射极电压都不超过**极限的有效技术。在介绍IGBT工作特性的基础_卜．对串联IGBT关断过程不同动态时段内的均压控制目标进行了分析，为设计不带RC缓冲回路的均压方法提供了理论基础。
1、引言
随着电力电子技术的发展，高压大功率设备对IGBT的耐压等级提出更高要求，故IGBT串联技术成为研究热点之一。IGBT串联应用的关键问题是实现均压。在众多IGBT串联均压技术中，*简单、可靠的方法是并联RC缓冲回路。但在高压场合，考虑到损耗、体积及造价等因素，无RC缓冲回路的均压方法更实用。此外，基于电压轨迹控制和门极信号延时调整等有源方法，因控制电路过于复杂，使用场合受到限制。故有必要基于IGBT特性及均压控制的要点，选择更有效的均压方法。
在此首先分析IGBT各阶段均压控制的目标，采用稳压管箝位的峰值控制技术，在低压实验中验证了该均压原理的有效性。然后针对该技术在高压场合应用时的缺点，提出一种新的峰值控制方法，并通过仿真验证了该方法的有效性。
2、IGBT串联均压控制分析
作为IGBT的主要特性，输出特性描述的是以门极电压uGE为参考变量时，集电极电流iC与集射极间电压uCE的关系。输出特性分为4个区域：饱和区、有源区、截止区和击穿区。IGBT的动态开关过程，主要是在截止区和饱和区间来回转换，而在器件的转换过程中经过有源区。
IGBT器件通常有4种工作状态：关断瞬态、关断稳态、开通瞬态、开通稳态。因IGBT不均压情况在关断时比开通时更复杂，在此以关断时的均压控制为主要研究目标。
按外电路和器件内部参数不一致等因素对uCE不均压的影响效果，可将串联IGBT关断不均压过程分为关断瞬间的T1(uCE上升部分)、T2(拖尾部分)和关断稳态(T2以后)三阶段，如图1所示。T1阶段，主要是由外电路和器件内部参数的差异引起串联IGBT的uCE不均压。此时IGBT工作在有源区，可通过调节uGE对uCE进行控制;T2阶段，引起串联IGBT的uCE不均压的主要因素是拖尾电流不同。此时，IGBT进入截止区，uGE对拖尾电流无影响，由拖尾电流引起的uCE不均压不受门极直接控制。关断稳态时，只有很小的漏电流流过IGBT，并联合适的均压电阻即可实现IGBT串联运行。
3、基于峰值控制的均压方法
IGBT均压*直接的目的就是保证串联运行中每个IGBT的uCE都不超过**极限。所以，对电压峰值进行控制是很重要、有效的技术路线。峰值控制不关心uCE的中间变化轨迹，只有当uCE升至设定的电压水平时，均压控制才开始起作用。当所有串联IGBT的uCE峰值都被箝位在给定值之内，就实现了动态均压的目的。
3.1、稳压管箝位的峰值控制
通过上述对串联IGBT均压阶段特性的分析，综合各阶段均压控制的特点，采用基于稳压管箝位的峰值控制方法实现IGBT串联均压，均压电路如图2a所示。该方法将串联IGBT的关断过程进行优化，在T1阶段，使uCE具有两阶段电压变化率，如图2b所示。第1阶段电压变化率较快，以降低损耗：第2阶段电压变化率下降，以降低电压不均衡度，并为箝位电路赢得更多的响应时间。通过调节转折点和峰值箝位点的值，在IGBT关断过程的损耗与电压均衡度之间做出折中。在T2阶段，由拖尾电流的差异引起不均压，通过峰值箝位电路，向门极注入电流，改变uGE，使IGBT进入有源区，进而控制uCE电压，达到均压控制。在关断稳态时，均压支路还起到均压电阻的作用。
当串联单个IGBT承受电压较高时，电路中稳压二极管需串联。由于稳压二极管增多导致可靠性降低，其在高压大功率场合的使用受到限制。
3.2、IGBT雪崩箝位的峰值控制
通常认为，一旦超过IGBT额定电压就会引起过电压击穿，导致不可逆的失效。其实IGBT发生过电压击穿时，雪崩电压击穿本身不会损坏器件，是个可恢复过程;过电压击穿失效本质在于雪崩电压击穿时产生的焦耳热累积引起结温不断上升的热击穿失效。在此通过实验验证IGBT具有可承受短时过电压击穿能力。实验原理电路如图6a所示，V1作为开关管与电感负载L串联，实验对象Vs与一个限流电阻R0串联，并在V1两端。由于L的作用，当V1关断时，V1的uCE波形中会出现高于直流侧电压的浪涌电压。当V1的UCE超过Vs的雪崩电压时，Vs发生雪崩击穿箝位现象，其余电压降到R0上。实验波形如图6b所示，型号为K50T60的Vs，其额定电压为600V，发生雪崩击穿时，电压基本稳定在630V，流过约为5.9A的电流。
