（电机与电器专业论文）基于有源控制的igbt串联技术的研究及应用.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fi g b t ss e r i e sc o n n e c t i o n t e c h n o l o g i e su n d e ra c t i v ec o n t r o l a b s t r a c t i g b th a sah i g hr a t e dv o l t a g e 、c u r r e n ta n ds w i t c h i n gs p e e d ，e a s yt od r i v e ，i s o n eo ft h eb e s tc h o i c eo fh i g h - p o w e rc o n v e r t e ra p p l i c a t i o n s w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , c o n v e r t e rp o w e rr a t i n gh i g h e ra n dh i g h e r , i no r d e r t or e d u c es y s t e ml o s s ，t h er e s e a r c ho f h i g h - v o l t a g ec o n v e r t e ri sf u l ls w i n g ，s u c ha s h i g hv o l t a g ei n v e r t e ra n df l e x i b l eh v d cs y s t e m i nt h e s ea p p l i c a t i o n s ，t e n sk v v o l t a g el e v e l ，s i n g l ed e v i c ec a n tb eu s e di nt h e s eo c c a s i o n s ，t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h o fi g b ts e r i e st e c h n o l o g yh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h es e r i e sc o n n e c t i o no f i g b t s ，a st h er e s u l to ft h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n d t h ed e l a yo ft h ed r i v es i g n a l s ，t h em a i np r o b l e mi s u n e q u a ls h a r i n go fv o l t a g e r e s p e c t i v e l y t h ed e v i c e sw h i c hw i t h s t a n do v e rv o l t a g em a y b eb r o k e nd o w na n d r e s u l ti nt h ef a u l to ft h ew h o l ec i r c u i t t h e r e f o r e ，t h ec o r eo f p r o b l e mi st oe n s u r e d y n a m i cv o l t a g es h a r i n g t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ea c t i v ec o n t r o lo fv o l t a g e s h a r i n gt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h ea c t i v ec l a m pt e c h n i q u ea n da c t i v ev o l t a g ec o n t r o l t e c h n i q u e t h es e c o n dc h a p t e ri nt h ea n a l y s i st e c h n i q u eb a s e do nt h ea c t i v ec l a m p ， p r o p o s e da ni m p r o v e dp r o g r a m ，a n dg i v e sd e t a i l e dd e s c r i p t i o n sa n ds i m u l a t i o n r e s u l t st ov e r i f yt h ep r o g r a m i nt h et h i r dc h a p t e ra n df o u r t hc h a p t e r , m a j o rs t u d y t h ea c t i v ev o l t a g ec o n t r o lt e c h n o l o g y , d e s c r i b e di n d e t a i lt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ， s m a l l - s i g n a lm o d e la n di t ss t a b i l i t ya n a l y s i s ，a n dt h r o u g hr e a l t i m eo p t i m a lc o n t r o l b a s e do np f g a ，f o rt h et u r n o f fl o s s e s ，d i o d er e v e r s er e c o v e r ya n do t h e ri s s u e st o o p t i m i z et h es w i t c h i n gc u r v e ，a n dg i v e ss o m es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s f i n a l l y ，t h ei g b ts e r i e st e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h ef l e x i b l eh v d cs y s t e mo f a u x i l i a r yp o w e rs u p p l yp r o j e c t s ，p r o p o s e dat w ol e v e l s t e p d o w nv o l t a g e c o n v e r s i o np r o g r a m ，c a r r i e do u tf o rt h ef i r s t c l a s sb u c ks t e p d o w nc i r c u i tf o rt h e d e s i g na n dt e s tv e r i f i c a t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f vt h ei g b ts e r i e s t e c h n o l o g yc a nb ea p p l i e dt ot h ep o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e r s k e y w o r d s ：! g b ts e r i e s ，a c t i v ec l a m p ，a c t i v e v o l t a g ec o n t r o l ，h i g hv o l t a g e d c d c 插图清单 图卜1 电压不平衡率的定义图1 图卜2 电压不平衡与驱动延迟的关系1 图卜3i g b t 串联方案2 图卜4i g b t 关断过程及其各阶段模型3 图卜5i g b t 单元电路图3 图卜6m i l l e r 电容方案简图4 图卜7m i l l e r 电容方案效果图4 图卜8 驱动同步控制方案图4 图卜9 驱动同步控制方案图5 图2 1 稳压二极管、m i l l e r 电容方案7 图2 2i g b t 关断状态分析效果图7 图2 3 稳压二极管、m i l l e r 电容“有源箝位 方案s a b e r 仿真原理图8 图2 4 驱动延时5 0 0 n s 上下管v c e 开关波形9 图2 5 稳压二极管、m i l l e r 电容“有源箝位”方案试验平台电路图9 图2 6 驱动无延迟无均压电路1 0 图2 7 驱动无延迟有均压电路1 0 图2 8 驱动延迟2 5 u s 无均压电路1 0 图2 9 驱动延迟2 5 u s 有均压电路1 0 图2 1 0 延迟2 5 u s 有网络的关断过程1 1 图2 一l l 延迟2 5 u s 有网络的开通过程1 1 图2 1 21 k 开关频率时的电压波形l l 图2 一1 32 k 开关频率下的电压波形1 1 图2 1 4 电阻、电容、二极管简图1 1 图2 1 5 两个i g b t 串联的控制电路图1 1 图2 1 6 状态l 1 2 图2 1 7 状态2 1 2 图2 1 8 状态3 1 3 图2 1 9 状态4 1 3 图2 2 0 状态5 1 3 图2 2 1 状态6 1 3 图2 2 2 电压波形1 3 图2 2 3 基于电阻、电容、二极管的”有源箝位”方案s a b e r 仿真图1 4 图2 2 4 驱动延时5 0 0 n s 上下管v c e 开关波形1 4 图2 2 5 电阻、电容、二极管”有源箝位”方案试验平台电路图1 5 图2 2 6 无驱动延时任意两只i g b t 开关电压( v c e ) 、驱动( v g e ) 、电流( i c ) 波形1 5 图2 2 7 新型”有源箝位”方案1 6 图2 2 8 新”有源箝位”方案s a b e r 仿真图1 7 图2 2 9 驱动延时5 0 0 n s 上下管v c e 开关波形1 7 图2 3 0 低压电路实验平台电路图1 8 图2 3 l 任意两只i g b t 开关波形1 8 图2 3 2 关断瞬时波形1 8 图3 一l 单环a v c 驱动系统。2 0 图3 2 单环a v c 驱动s a b e r 仿真原理图2 0 图3 3a = i 1 0 0 ，比例系数为5 时的开关波形2 1 图3 4q = i 1 0 0 ，比例系数为l o 时的开关波形。2 1 图3 5q = i 6 0 ，比例系数为5 时的开关波形2 2 图3 6 级联式a v c 驱动系统电路简图2 2 图3 7 双闭环斛c 驱动控制框图。2 3 图3 8i g b t 小信号模型2 3 图3 9 开环级联式a r c 驱动电路关断时s a b e r 小信号电路2 7 图3 1 0 开环级联式a v c 驱动电路波特图2 7 图3 一l l 双闭环a v c 驱动s a b e r 仿真电路2 8 图3 1 2v r e f 参考信号波形2 8 图3 1 3a = i 1 0 0 ，比例系数为2 7 时的开关波形2 9 图3 1 4a = 1 6 0 ，比例系数为2 7 时的开关波形2 9 图3 一1 5 级联式a v c 驱动双管串联i g b t 仿真原理图3 0 图3 一1 6 级联式a v c 驱动双管( 型号相同 串联i g b t 仿真波形3 0 图3 1 7 级联式a v c 驱动双管( 型号不同) 串联i g b t 仿真波形3 0 图3 1 8a r c 驱动系统中的短路( 过载) 保护电路简图3 1 图3 1 9 带短路保护的级联式a v c 驱动系统p r o t e l 原理图3 2 图3 2 0 参考信号与反馈信号及上下两管电压波形3 2 图4 1f p g a 参考信号发生及其优化电路框图3 4 图4 2i g b t 集电极电压参考曲线v r e f i 3 4 图4 3f p g a 供电部分原理框图3 5 图4 4f p g a 芯片配置和j 1 a g 接口电路3 6 图4 5f p g a 系统复位、外部通信和4 8 5 通信部分电路3 6 图4 6f p g a 控制的高速d a 参考信号发生电路3 7 图4 7 阻感负载情况下i g b t 开通换流过程3 8 图4 8i g b t 集电极电流检测比较电路3 9 图4 9 预偏压阶段自适应控制方法3 9 图4 1 0 级联式a v c 电压外环误差电压检测电路。4 0 图4 1 l 预偏压时间较长的关断波形4 l 图4 - 1 2 预偏压时间较短的关断波形4 l 图4 1 3 开通慢斜坡阶段时间较短的i g b t 波形4 2 图4 1 4 开通慢斜坡阶段时间较长的i g b t 波形4 2 图5 1 高压d c d c 辅助电源示意图4 4 图5 2 电容电压波形图( 单位k v ) 4 4 图5 3 电容电压波形图局部放大( 单位k v ) 4 4 图5 4 取能负载示意图4 5 图5 5 高压d c d c 方案框图4 6 图5 6 基于i g b t 直接串联的b u c k 变换器主电路、驱动电路原理图4 7 图5 7m 519 9 5 a p 管脚排列图4 8 图5 8m 5 1 9 9 5 a 的原理框图4 9 图5 9m 5 1 9 9 5 a 启动电路电流电压图4 9 图5 1 0m 5 1 9 9 5 a 振荡器等效电路图5 0 图5 1 1 振荡器波形图5 0 图5 1 2m 5 1 9 9 5 a 的p w m 比较和锁存部分的电路图5 l 图5 1 3p w m 比较输入点a 、锁存器电路中的b 、c 点波形5 l 图5 1 4o n o f f 电路5 2 图5 15 串联b u c k 控制电路图5 2 图5 1 6 电感电流连续时的驱动及两管v c e 电压波形5 3 图5 1 7 电感电流连续时两管v c e 开通、关断瞬时电压波形5 3 图5 18 电感电流断续时两只i g b t 的开关波形5 4 图5 1 9 串联b u c k 电路关键点波形。5 4 表格清单 表3 - 1 双闭环a v c 系统参数2 5 表3 2i g b t 运行状态关键点2 6 表3 - 3i g b t 各运行状态的寄生参数值2 6 表5 1m 5 1 9 9 5 a p 管脚说明列表。4 8 独创性声明 本人声明所孚交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究j ：作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金8 巴：! ：些叁堂 或其他教育机构的学位或证f s 而使j j 过的 材料。与我一同t 作的同j 占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学何论文作者签名：蒲邂呜签字日期j o 年哆目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒蟹些叁堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盥 ! ：些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权i s ) 学位论文作者签名： 酋嗡 签字醐：水中月岁 学位论文作者毕业后玄向： l ：作单位： 通讯地址： z 导师签名： 签字只期：o 年4 月万日 电话： 邮编： 致谢 值此论文脱稿之际，对那些给予我帮助、鼓励，使我最终完成论文的人们 表示由衷的感谢。 两年多的硕士研究生学习和课题研究过程中，自始至终得到了张老师无微 不至的关怀和悉心指导。导师严谨求实的科研态度、谦虚朴实的人品、广博的 理论知识、忘我的工作精神和务实的工作作风，使我敬佩不已、终生难忘。张 老师认真负责的培育，潜移默化的熏陶，不但使我的知识水平和科研能力有了 很大的提高，更重要的是使我接受了全新的思想观念，掌握了通用的研究方法， 而且还明白了许多待人接物和为人处事的道理。在此，谨向张老师表示由衷的 感谢和诚挚的敬意! 感谢谢震、杨淑英、刘淳、刘芳博士，在课题研究过程中给予了热情的帮 助和大力的支持，在此表示深深的谢意。在两年多的硕士生活中，众多同学和 师兄师姐师弟师妹陪我度过了许多难忘的时光，大家相互关心，共同进步，组 成了一个朝气蓬勃，积极奋发，团结互助的优秀科研团队，特别是在我遇到生 活和学习上的困难时，各位同学对我的真诚帮助和鼓励，使我深深地感受到集 体的温暖，他们是：孙荣丙，谭理华，李少林，童诚，陈欢，黎芹，廖军，戚 振彪，朱波，江涛，曾凡超，赵芬等，在研究生学习时光即将画上句号之际， 在此向各位曾经朝夕相处的同学表示诚挚的谢意，祝大家在新的工作岗位上再 创佳绩，继续谱写人生的辉煌! 最后，我还要特别感谢我的父母、女友以及其他所有的亲朋好友。他们对 我深深的爱，以及坚定的支持和关心，是我不断进步的源泉，在此我要向他们 表示由衷的敬意和真心的祝福! 感谢在成长道路上关心、支持、帮助过我的每 一个人。 作者：蒲道杰 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1i g b t 串联的研究意义 i g b t 因其具有较高额定电压、电流，开关速度快，易于驱动等优点，目前 已成为中一高功率变换应用中的最佳选择。目前i g b t 单管的电压、电流容量还 非常有限，远不能满足高电压、大电流场合的应用，尽管国内外有许多厂家正 在研制大容量i g b t 器件，但目前尚无商用化产品可以直接应用于电力系统1 0 k v 及以上的场合，而对i g b t 进行串并联使用，可以提高其电压、电流容量。i g b t 的串联是非常有吸引力的，同样的功率等级，电压越高、电流就会越小，与之 同时，回路中杂散电感引起的负面效应和整个设备的体积就越小【1 1 。因此，当 前电力电子技术应用的发展方向均为高压大功率，如高压变频器、高压柔性直 流输电系统等。因此，对i g b t 串联技术的研究具有十分重要的意义【3 3 】【3 4 1 。 1 2i g b t 串联需要解决的问题 i g b t 串联需解决的问题在于如何确保各串联器件的动、静态电压均衡，尤 其是动态电压均衡，以防止器件因过电压压而损坏。图1 1 给出了电压不平衡率 的定义【2 1 。 - - - - 。t i m i n gb a l a n c e dw a v e f o r m s 罴圳例丽。o 叫咧 图1 1 电压不平衡率的定义图 2 i i i o 2 04 06 08 01 0 0t o f f ( n s ) 图1 2 电压不平衡与驱动延迟的关系 串联器件动、静态电压不均衡的主要原因有【l 】： l 、i g b t 漏电流的不一致( 静态均压) i g b t 关断后，串联器件中流过的漏电流是相同的，因此不同的关断阻抗会 造成i g b t 的静态电压不均衡，器件的结温同样会影响静态均压。通常采用均压 电阻来减少端电压的不均衡，但要注意在均压效果和均压电阻损耗上达到良好 的平衡效果。 2 、驱动信号的不一致和驱动电路参数的差异 驱动信号的不一致和驱动电路参数的差异，将导致i g b t 栅极驱动信号的延 迟，从而极大地影响了i g b t 集电极发射极电压的均衡。关断时，先关断的器 件会产生很高的过电压，同理，开通时滞后导通的器件也会承受较高过电压。 电压不平衡率与栅极驱动信号延迟时间的关系如图1 2 所示，可见l o o n s 的延迟 就会产生6 0 的电压不平衡率，这足以导致串联器件的损坏【2 1 。 3 、i g b t 本身寄生参数的离散性 器件寄生电感、寄生电容等特性不一致( 尤其是寄生电容) ，会导致不同的 开关特性和电压尖峰，串联i g b t 在关断过程中，关断速度较快的器件要承受很 高的过电压，开通过程中导通较慢的器件也会承受较高过电压。 4 、反向二极管恢复特性的差异 在感性负载情况下，i g b t 的开通与电感续流二极管之间存在一个换流过 程，由于二极管的反向恢复问题，在i g b t 开通瞬间，会在续流二极管两端产生 过电压。在桥式电路中i g b t 通常与二极管并联，二极管两端的过电压即i g b t 的过电压。 1 3i g b t 串联均压技术研究现状 1 3 1 研究现状概述 如图1 3 所示，串联均压方案目前主要有两种控制策略，即负载侧的无源缓 冲电路和栅极侧均压控制。无源缓冲电路是利用缓冲电路使得过压器件的集射 极电压上升率d v e e d t 与动作最慢的器件一致从而实现动态均压，这种电路的优 点是在低压、小功率线路中均压效果较好，但在高压大功率线路中，大功率i g b t 的拖尾电流时间较长，再加上驱动信号的延时，且功耗与串联i g b t 的开关频率 成正比，因此仅靠缓冲电路来实现动态均压就非常困难，而且整套均压装置体 积大，成本高，在实际应用中很不实际【3 】【3 5 】【3 6 1 。 串联均压技术 扩大 有源钳位 有源电压控制 图1 3i g b t 串联方案 目前国际上对栅极侧均压控制研究相对较多，最主要的科研单位有英国剑 桥大学电气学院。其核心思想是通过引入栅极的控制，来实现动态电压均衡， 主要由扩大m i l l e r 电容、驱动同步控制，以及由 有源箝位”和 有源电压控 制 构成的有源控制方案组成。 2 1 3 2 基于扩大m i l l e r 电容的栅极侧均压控制方案 图1 4i g b t 关断过程及其各阶段模型 除了拖尾阶段以外，i g b t 的模型与m o s f e t 及其相似，如图1 4 所示，为i g b t 关断过程及其各阶段的等效简化模型，其开关过程由三个阶段构成【4 】： a ) 电压交换阶段 当i g b t 的栅极电压低于其开启电压v t h 时，i g b t 开始关断，其集电极发 射极端电压v e e 从零开始上升，直到所有串联的i g b t 端电压之和达到直流母线 电压为止。 b ) 电流交换阶段 在此阶段，所有串联的i g b t 电流均相同。 a ) 拖尾电流阶段 在此阶段，用一个相对较粗躁的模型来分析，如图1 - 4 所示，当集电极电流 降至某一阀值时，即认为i g b t 为一电流源。 图1 5i g b t 单元电路图 如图1 5 所示的i g b t 单元电路，采用上述模型进行分析，关断时其电压变 化率为玎： 业dt=嵩cgc(端l+rgg m ) + c c e ( 1 - 1 )( ) 、i 叫 从( 2 一1 ) 可以清楚的看出结电容c g e 对开关速度有非常大的影响。 关断时其电流变化率为： d l c f ，i o ( v t h u t )，1 们 一d t 一、z r g c g c l c u 屹， 通过上述分析，我们可以清楚的看到结电容c g e 对i g b t 的开关速度影响非 常大，通常我们称之为m i l l e r 电容。如图1 - 6 所示，将一高频电容跨接在i g b t 的 g c 两端，该电容与i g b t 内部寄生电容并联在一起为c g c ，且容量是内部结电 容的2 3 倍，从而降低串联的各i g b t 结电容之间的相对误差，同时，增加了该 电容也降低了开关速度，因此减弱驱动信号延迟的影响。图1 7 为该方案的效果 图，是在一定的驱动延时情况下，有无外部电容c g c 时，两只串联i g b t 电压端 电压及其差值的对比图。该方案的实质就是利用m i l l e r 效应，用一个相对较小 的g c 端电容来替代体积较为庞大c e 端的缓冲电容。 图1 6m i l l e r 电容方案简图图1 7m i l l e r 电容方案效果图 综上所述，此方案的优缺点如下： 优点：利用m i l l e r 效应，用较小的m i l l e r 电容即可实现体积庞大的无源缓 冲器的功能，可降低缓冲器的损耗和体积。 缺点：串联i g b t 自身损耗仍然很大。 1 3 3 基于驱动同步的栅极侧均压控制方案 图1 8 驱动同步控制方案图 驱动同步控制方案的具体思路是在串联i g b t 的各栅极间串入同步变压器， 通过其相互耦合，使各i g b t 的最终的驱动信号同步。如图2 8 所示，为驱动同 4 步控制简图，q 1 、q 2 为串联的i g b t ，r d l 、r d 2 为静态均压电阻，v i i 、v i 2 为 驱动信号，g d u i 、g d u 2 为q 1 、q 2 的驱动电路，t g 为同步变压器。图1 9 分别 在有无同步变压器t g 的情况下，比较驱动信号l 超前v i 2 时q 1 、q 2 的栅极电压、 电流、同步变压器、集电极电压波形。在没有t g 时，v i l 、v i 2 的不同步将直 接导致q 1 、q 2 的栅极电压、电流的不同步，进而导致集电极电压的不平衡，如 图中的虚线所示；串a t g 后，当l 超前v i 2 关断时，由于t g 耦合作用，将使v g l 、 v 9 2 同步，从而可使q l 、q 2 的集电极电压同步，如图中实线所示【2 】。 oj 耳l * f o k l k0 v n 0 习一 卜+ 卜刊 o 婷喑芒i 广 一w i t h o u tg a t e - b a l a n c m 空- c o r e w i t hg a t e b a l a a c i n t - c o r e 图1 9 驱动同步控制方案图 综上所述，此方案的优缺点如下： 优点：对因驱动信号的延迟造成的分压不均具有很好的控制效果且同步变 压器和i g b t 自身的损耗都较小。 缺点：该方案对器件参数的离散性引起的电压不均衡不起任何作用，对串 联器件参数一致性要求较高，且同步变压器的参数设计相对较麻烦。 1 3 4 基于有源控制的栅极侧均压控制方案 上述栅极侧控制方案主要是利用m i l l e r 电容、同步变压器等无源器件向栅 极注入电流信号，以改善驱动信号不同步、寄生参数离散性等引起的电压不均， 此类方案类似于开环性质。有源控制由“有源箝位、“有源电压控制 两种方 案构成，属于闭环控制，其控制性能较好。其中 有源箝位”控制是当串联i g b t 的集电极发射极端电压超过箝位阀值时，向栅极注入电流使其轻微开通，从而 限制i g b t 的过电压； 有源电压控制 是迫使串联的i g b t 的开关曲线跟踪相 同的参考曲线，从而达到动态均压的效果，这两种方案将分别在第二章和第三 章里详细介绍。 1 4 本文主要研究内容 本文所作的工作主要是通过仿真和试验对比研究各种串联均压方案的性能 5 和优缺点，并提出一种“有源箝位 均压方案和改进设计了级联式a v c 驱动电 路。 第二章，首先对两种典型的 有源箝位方案进行原理介绍、仿真和试验 分析。其次，提出了一种改进的 有源箝位方案，并给出了详细的仿真与试 验说明。 第三章，首先分析单环“有源电压控制 的原理，并通过仿真说明其优缺 点；其次，分析了级联式a v c 控制的原理，并通过小信号建模，分析了系统的 稳定性，并通过仿真、试验验证该方案的均压性能，最后提出了一种融入a v c 驱动的短路、过流保护电路。 第四章，设计了一种基于f p g a 的参考信号发生及其优化电路，以开关损 耗为优化目标，对a v c 驱动系进行优化。 第五章，利用i g b t 串联均压技术，设计了一种高压输入，低于输出的d c d c 变换器，为柔性直流输电、高压变频器等系统提供辅助电源。 第六章，总结和展望。首先，对本文的工作进行了总结，并提出了工作中 存在的不足之处。最后，对级联式a v c 驱动系统的改进和应用提出了展望。 6 第二章“有源箝位”均压技术 2 1前言 “有源箝位均压控制技术是指当串联i g b t 的集电极发射极端电压超过箝 位阀值时，通过附加电路向其栅极注入电流，使其轻微开通，从而限制i g b t 的 过电压的技术，该方案均压电路均压电路较简单，均压效果较好，损耗低等优 点，可在中小功率场合下应用3 6 】【3 7 1 3 5 1 。本章将详细介绍两种，有源箝位，方 案，并在此基础上提出一种改进的有源均压技术方案，并给出仿真、试验波形 验证其均压效果。 2 2 基于稳压二极管、m i l l e r 电容的“有源箝位刀方案 2 2 1 原理分析 v dc g e a c t s ，v z l w j v z 压n 盯? 崦e ，r 2 l 2 、 一一爹- 一 女 ，* j ， h h ， l t i m e j nk 图2 - 1 稳压二极管、m i l l e r 电容方案图2 2i g b t 关断状态分析效果图 该方案是在m i l l e r 电容方案和基本稳压二极管 有源箝位 方案的基础上， 结合并优化的衍生方案，如图2 1 所示，由稳压二极管z d l 、z d 2 ，二极管d 1 ， 电容o g c ，电阻r l 、r 2 组成。其将串联i g b t 的关断过程进行优化，使其具有 两阶段电压变化率，第一阶段电压变化率较快，以降低损耗；第二阶段电压变 化率下降，以降低电压不均衡度和为箝位电路赢得更过的响应时间。在i g b t 关断过程的损耗和电压均衡度之间做出折中，提高了系统可靠性。开通过程完 全等效稳压二极管箝位方案。关断过程有四个工作状态，如图2 2 所示【4 】： a ) 状态一：高d v d t 集- 射电压( v c e ) 低于稳压二极管z d 2 的击穿电压时，该电路不起作用，v c e 以较快的电压变化率上升。 b ) 状态二：低d v d t v c e 高于稳压二极管z d 2 的击穿电压时，z d 2 导通，m i l l e r 电容c g c 起作 用，从而降低了d v d t ，使v c e 上升速度下降，为箝位电路争取更多的响应时间。 c ) 状态三：箝位阶段 当v c e 高于稳压二极管z d l 、z d 2 的击穿电压之和时，z d l 、 z d 2 均导 通，向栅极注入电流，将v c e 箝位。 d ) 状态四：静态均压 7 该阶段i g b t 处于完全关断阶段，电阻r 2 作为串联器件的静态均压电阻。 2 2 2 仿真分析 如图2 - 3 所示，为针对2 只i g b t 串联的稳压二极管、m i l l e r 电容有源箝 位方案的s a b e r 仿真原理图，仿真参数为：直流侧电压4 0 0 v ，阻感负载、电 阻2 0 欧，电感2 0 u h 。每只i g b t 关断时承受的静态电压为2 0 0 v ，最大工作电 流为2 0 a ，设置的电压变化率转折点电压由1 0 0 v 稳压二极管1 n 4 7 6 4 和5 0 v 稳压二极管1 n 4 7 5 7 决定为1 5 0 v 。i g b t 型号为h g t g l 8 n 1 2 0 b n ，是f a i r c h i l d 公司的n p t 型i g b t ，仿真软件里使用的模型为s a b e r 自带的基于h e f n e r 物理 模型简化的专用模型。以上下管驱动延时5 0 0 n s 为仿真条件，验证该方案的均 压效果。 图2 - 3 稳压二极管、m i l l e r 电容“有源筘位”方案s a b e r 仿真原理图 ( a ) 无均压电路时开关波形( b ) 有均压电路时开关波形 8 ( c ) 关断瞬时波形( d ) 开通瞬时波形 图2 4 驱动延时5 0 0 n s 上下管v e e 开关波形 图2 4 中的( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 分别为无均压电路时上下两管开关波形，有均压电 路时上下两管开关波形及其关断、开通瞬时波形图。无均压电路时两只i g b t 的电压不平衡率为l ，达到最大值：从( a ) 、( b ) 的波形对比，可以清楚的该方 案的均压效果良好；图( c ) 为关断瞬时电压波形，具有两阶段电压变化率，转折 点电压为设定的1 5 0 v 左右，电压过冲很小。图( d ) 为开通瞬时电压波形，电压 过冲亦很小，与关断时相当。 2 2 3 实验分析 如图2 5 ，针对此方案我们建立了一套6 只i g b t 串联的试验平台，实验所 用i g b t 型号亦为h g t g l 8 n 1 2 0 b n ，1 2 0 0 v 2 6 a ( 11 0 c ) 。本实验平台由三相调 压器，三相整流滤波电路，阻感负载，6 只串联i g b t 及其 有源箝位 电路 组成。本实验平台能获得最高直流电压为6 0 0 v 左右，每只i g b t 平均电压为 1 0 0 v 。两阶段电压变化率转折点电压设计为7 5 v 。 图2 - 5 稳压二极管、m i l l e r 电容“有源箝位”方案试验平台电路图 分别在不同频率、不同电压、不同驱动信号延迟不同驱动信号占空比等多种情 况下进行实验，实验结果如下。 9 图2 - 6 、2 - 7 分别为在驱动电路无延时的情况下，有无均压电路的任意4 只 i g b t 的v c e 电压波形。驱动信号无延迟的情况下，由于器件参数的分散性和 电路的杂散电感等因素的影响，在开关过程中串联器件会出现瞬间过电压和分 压不均等现象( 图2 - 1 5 ) ，开关瞬间过电压高达2 5 0 v ，静态电压差异也较明显 ( 2 0 v 左右) 。在均压电路的作用下开通、关断瞬间的过电压被完全抑制，静态 电压不均现象也被消除( 图2 7 ) 。 ：储存 1 h 眦岬 c m l e * d r * 婀1 4 嘶研，】w 一 ww 1 日 j l m m m 储荐 图2 - 6 驱动无延迟无均压电路 图2 - 7 驱动无延迟有均压电路 图2 8 、2 - 9 分别为在驱动延时25 u s 时有无均压电路的任意4 只i g b t 的v c e 电压波形。当驱动信号延迟25 u s 时，导致i o b t 开关瞬问的过电压大 大增加( 接近3 0 0 v ) 加剧了动态、静态电压不均的现象( 图2 8 ) 。在均压电路的 作用下开通、关断瞬间的过电压被完全抑制，静态电压不均现象也被消除。( 图 2 9 1 t a r 1 15 1 j ! 储存 ? ， 磐1 臀湖“ 。州 * ，州h h “t ：l , b ，2 枷 自目荒芷一、瀚m m 舡 d 盹 图2 一g 驱动延迟25 u s 无均压电路 西2 9 驱动延迟25 u s 有均压电路 图2 - 1 0 、2 1 l 给出了串联i g b t 的关断和开通过程。可见串联i g b t 在该 均压电路作用下，没有出现较大的过电压，且具有两阶段电压变化率，转折点 电压约为7 5 v ，与设计值相符合。 图2 一1 2 、2 一1 3 分别为在驱动延时25 u s 、有均压电路时，不同开关频率下 任意4 只i g b t 的v c e 电压波形。可以清楚的看出该均压电路对开关频率不敏 感。通过实验证明该方案对因驱动延时和寄生参数的离散性等因素造成的动态 电压不均衡，均有较强的抑制能力。 菡冀冀鋈算嚣撇 鋈雾鬟 图2 1 0 延迟25 u s 有网络的关断过程图2 1 1 延迟25 u s 有网络的开通过程 1 1 1 1 ， 图2 1 21 k 开荚频率时的电压波形圈2 1 32 k 开关频率下的电压波形 224 设计要点与结论 该方案在实际应用中应注意两阶段电压变化率转折点电压的选择，如果转 折点电压太低，则关断损耗会大大增加，反之，均压效果会下降，应根据实际 情况折中选择。 综上所述，此方案的优缺点如下： 优点：均压电路简单，对因驱动信号的延迟和寄生参数的离散性造成的电 压不均都具有较好的控制效果，且均压电路和i g b t 自身的损耗都较小。 缺点：当单个i g b t 电压较高时，电路中的稳压二极管需要串联，器件的 增多亦导致可靠性的降低。 2 3 基于电阻、电容、二极管的“有源箝位”方案 231 原理分析 r 1 翻2 - 1 4 电阻、电容、二极管简图 图2 1 5 两个i g b t 串联的控制电路图 兀川q 1 _ |褥离 如图2 1 4 所示，该方案的控制电路由电阻r 1 、r 2 、r g ，电容c a 、c b ， 二极管d 1 组成，其中电阻r 1 、r 2 起静态均压作用，且r l r 2 。电容c a 、 c b 和二极管d 1 、电阻r g 起动态均压作用，其中c a c b 。整个开关过程，电 容c a 等效为电压源v s ，v s 即为直流侧电压除以串联i g b t 的个数。当i g b t 集射电压( v c e ) 超过v s 时，电容c b 被充电，同时二极管d 1 导通，将电流注 入到栅极，从而使v c e 箝位在v s 上。下面以两个i g b t 串联为例对控制电路的 运行进行分析，如图2 15 所示，因为电阻r 1 、r 2 、r 3 和r 4 起静态均压作用， 在下面的动态分析中忽略。假设s 2 开通较s 1 延迟，关断较s 1 提前。下面对 电路的开关周期分6 种状态进行分析【5 j ： a ) 状态一： s 1 、s 2 处于开通状态，驱动信号为高电平。此时i g b t 端电压为零，由前 面的分析可知，c a l 、c a 2 相当于稳压源，且v c a l = v c a 2 = v c c 2 ，v c b l = v c b 2 = 一v c c 2 。二极管d 1 、d 2 处于反向阻断状态，如图2 1 6 。 b ) 状态二： 驱动信号变为低电平，g d u 2 较g d u l 略有提前。s 2 两端电压v s 2 提前 上升，v s l 略有延迟。c b l 、c b 2 被充电，电压v c b l 、v c b 2 由一v c c 2 开始 上升。v s 2 首先达到关断稳态电压v c c 2 ，v c b 2 首先达到0 ，如图2 1 7 。 图2 1 6 状态1图2 1 7 状态2