基于峰值控制的IGBT串联均压技术

基于峰值控制的 IGBT 串联均压技术 1 1 引言 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 最简单 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 2 IGBTIGBT 串联均压控制分析串联均压控制分析 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 3 基于峰值控制的均压方法 基于峰值控制的均压方法 IGBT 均压最直接的目的就是保证串联运行中每个 IGBT 的 uCE 都不超过安全极限 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 13 1 稳压管箝位的峰值控制 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 图 3 为实验电路 三相交流电源经隔离变压器 不控整流器得到 0 1kV 可调直流电源 Udc Cd1 Cd2 为滤波电容 Rd1 Rd2 为 Cd1 Cd2 放电电阻 电路采用两个 IGBT 串联模 块 一个模块做串联开关管 V1 V2 另一个模块始终关断 利用其反并联二极管形成续流 回路 驱动脉冲频率 100Hz 占空比 0 01 由 TMS320F28335 发出 经驱动电路控制 IGBT 驱动芯片为 M57962L Z1 Z2 为 1N5378B 1N5363B 串联构成 均压电路参数 Z1 为 100V Z2 为 330V C 2 2nF R1 24 R2 1 5k 图 4 为无均压电路时串联 IGBTuCE 波形 可见 在 T1 阶段 由于关断延时和关断速率 不同 造成串联 IGBT 的 uCE 不均压 在 T2 阶段 由于串联 IGBT 拖尾电流不等 造成串联 IGBT 不均压 加入均压电路后 如图 5b 所示 在第 1 个箝位点实现了 uCE 波形两阶段的 电压变化率控制 在第 2 个箝位点实现了峰值控制 均压电路对拖尾电流引起的不均压和关 断稳态不均压都有显著控制效果 验证了稳压管箝位峰值控制均压原理的有效性 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 23 2 IGBTIGBT 雪崩箝位的峰值控制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 综上考虑 改进均压电路如图 7 所示 该电路不仅提高了稳压管峰值箝位控制方法适 用的功率范围 且将关断时电容上存储的能量在开通瞬间返给主电路 降低了能量损耗 该均压电路工作原理为 V 关断 当 V 极射极电压 uCEv 低于 Vs2 的雪崩电压 U BR CE2 均 压支路的漏电流很小 其阻抗可视为无穷大 Vs2 承担整个 uCEv C 上电压约等于零 均 压支路不起作用 当 uCEv 达到 Vs2 的 U BR CE2 通过回路 R1 C1 Vs2 R2 的电流 流入门 极 该电流是集电极向门极的反馈电流 相当于增大了 IGBT 的米勒电容 使 uCEv 上升斜 率下降 当 C1 两端电压达到 Vs1 的雪崩电压 U BR CE1 流过回路 Vs1 Vs2 R2 的电流 注 入门极 当该电流足够大时 IGBT 进入有源区 使 uCEv 箝位在 U BR CE1 U BR CE2 实现 峰值控制 采用 Saber 软件仿真 主电路如图 3 所示 V1 V2 采用主要描述 IGBT 静态特性 非 线性极间电容及关断时拖尾电流等特性的 IGBT 模型 模型参数大部分参考 MBN600E45A 器 件数据手册 均压电路如图 7 所示 Vs1 Vs2 采用 IGBT 专有模型 irg4bc40w 当串联的 V1 V2 关断时 部分参数波形如图 8 所示 其中 图 8a 为 Vs1 Vs2 的集电极电流 iCVs1 iCVs2 集射极电压 uCEvs1 uCEvs2 图 8b 为 V1 V2 的 uGE uCE 波形 实线为有 均压控制时的波形 虚线为无均压控制时的波形 在 t1 时刻 uCEv1 超过 Vs2 的雪崩电压 U BR CE2 时 Vs2 发生雪崩击穿箝位 随着 uCEv1 电压继续增加 C1 充电 相当于增加了 V1 V2 的米勒电容 起到斜率控制的作用 t2 时刻 C1 两端电压超过 Vs1 的雪崩电压 Vs1 发生雪崩击穿箝位 将 uCEv1 箝位到 U BR CE1 U BR CE2 实现峰值控制作用 4 4 结论 结论 综合考虑串联 IGBT 关断过程中 3 阶段不均压产生的特点 在 800V 电压下测试了基于 稳压管箝位的峰值控制方法 实现了较好的均压效果 验证了该均压原理的有效性 但该 电路因稳压管器件功率 特性等因素 在高压场合使用受到限制 这里对该均压方法进行 了改进 并通过仿真验证了其均压原理 为实际应用中的参数优化设计和高压实验验证提 供了理论基础 变频驱动设备解决方