IGBT串联运行时的动态均压

第１９卷第３期　２０００年９月　中南民旗学院学报（自鼎科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｌ　Ｓｏｕｔｈ—Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏｒ　Ｎａｔｉｏ￣［ｉｔｉｅｓ（Ｎａｃ．Ｓｅｉ．）　ＶｏＬ１９　ＮＯ　３　ＳｅＤ．２０００　

：　￣　ｒ　ＩＧＢＴ串联运行时的动态均压　

盐蛰　（电子工程系）　

萎　…衡‘　差键词绝缘栅双　型晶体管；申联｝动态电压均衡　ｆ／Ｖ　‘＝　７Ｌ一　中围分类号ＴＮ３畴　２文献标识码Ａ文章编号１００５—３０１８（２０００）０３—０００１—０４　功率器件的串联使用可以提高功率器件的变换效率，减小系统尺寸，扩大器件的应用场　合　晶闸管和门控可关断晶闸管（ＧＴＯ）的串联曾经应用于高压直流电路（ＨＶＤＣ）、静态可变　补偿器和高压逆变器等．但是为了器件的安全运行，提出了对器件的端电压实现过压均衡，以　防因其过压超出额定值而导致器件的损坏．但是，串联器件的被动均压必定会带来器件的额外　功率消耗和降低开关速度．其额外的功率损耗和开关特性的变慢，阻止了晶闸管在ＰＷＭ逆变　器中的串联应用．如果应用ＩＧＢＴ，ＰＷＭ逆变器将具有如下优点：（１）提高了系统工作频率；　（２）电路结构更紧凑；（３）吸收电路的功率损耗减小；（４）驱动电路简单　过去几年里，高压大功率ＩＧＢＴ和ＩＧＣＴ开始应用．但其应用仍受到了较大的限制，特别　是在甚高电压的设备中，因此串联使用显得很有必要　然而原来的功率器件串联技术不能直接　用于ＩＧＢＴ的串联使用，因为ＩＧＢＴ的通常关断时间在０　３～０　５　ｓ．因此传统的均压措施是行　不通的　串联联接ＩＧＢＴ实行均压的目的是为了保证在关断瞬间对每个ＩＧＢＴ的过电压保持　均衡，因而要求控制电路的响应是快速的；不允许产生更多的损耗和降低系统的开关频率；同　时在工程上是经济有效的　设计有效的动态均压控制电路将是十分必要的　

１　串联ＩＧＢＴ过电压失衡原因控析　

串联ＩＧＢＴ的门极信号的延迟是引起端电压失衡的原因之一　信号的延迟极大地影响了　电压的不平衡，门极信号延迟不同会造成开通过程中在慢开的器件上产生电压尖埠　驱动信号　的提前关断也会造成另外器件的过电压，而且会引起静态电压不均衡，然而如果这些信号的延　

收藕日期２０００—０５—１６　作者筒介熊承义（１９６９￣），男，讲师．中南民族学院电子工程系，武汉４３００７４　基金项目　国家民委科研基金资助项目（９７０１０１）

　维普资讯 http://www.cqvip.com ２　中南民族学院学报（自然科学版）　第１９卷　迟或提前能限制在０．３．ａｓ以内，则不会引起严重的过电压失衡问题．仔细设计门极驱动电路使　之信号延迟控制在０．１　，不致引起严重过压．但是这样的延迟在串联使用中不可避免，所以　必须予以考虑．　引起过电压的另一个主要原因在于器件引线分布电感和级联器件的吸收电路的特性不一　致．不同ＩＧＢＴ其引线电感会不一样，因而会导致不同的开关特性和电压尖峰．关断瞬间的电　压上升速率ｄＶ／ｄｔ主要取挟于吸收电容，而电容容量的误差在５　～１Ｏ　，因此每个事联的　ＩＧＢＴ的ｄＶ／ｄｔ也会有所不同．当处在门信号延时的情形下，由于吸收电容的作用，容量的不　同会产生严重的电压尖峰．因而，如果ＩＧＢＴ被串联于高压的条件下，就会在最小的吸收电窑　的ＩＧＢＴ两靖产生严重的过电压．为了分析ＩＧＢＴ串联条件下的过电压失衡原因及情况，采用　如图１所示电路，进行了几种相关因素引起过电压失衡的实验．　为了观察不　同情形下开关器　件的过压失衡特　性，在如下条件下　进行实验：　①ＩＧＢＴ选　用３种不冠型号；　＠选用不同　容量的吸收电容ｆ　③不同延时　的门极驱动信号；　④门极驱动　电路也采用不冠　的参数．　

２实验结果　圈１过电压失蕾实验电路框图　ｒＩＩｌｂｉｌ＊　

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通过实验发现，电压不平衡的主要原因在于吸收电容的不同和门极驱动信号的相对延迟．　（１）吸收电容的影响．吸收电容不同会导致所用电容小的ＩＧＢＴ在关断瞬间产生很高的　过压，丽对其开通不会产生什么影响．吸收电容小者，由于在关断瞬间端电压的变化率ｄ　／ａｔ　较大，因而导致了出现最大的过电压．　（２）门板驱动开通延时的影响．开通延时的门极信号所驱动的ＩＧＢＴ两端在开通瞬间会　产生电压尖峰．但是实验发现，对于小于０．３．ｕ．ｓ延迟不会产生明显的电压尖峰ｉ这种不平衡还　不致引起电路在稳态时的电压不平衡，但是额外功率损耗会导致器件过热．　（３）门摄驱动关断延时的影响．关断的延迟会引起在首先关断器件的两端产生高的过压．　无论是在瞬态或是在稳态，其电压均会不平衡．　３　ＩＧＢＴ端电压过冲均衡措施　一

　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　熊承艾等：ＩＧＢＴ串联运行时的动态均压　３　基于以上分析和实验结果，对于ＩＧＢＴ的串联使用可以采取以下一些措施：　（１）系统设计时尽量选用型号一致、特性一致的ＩＧＢＴ，并且其吸收电路、驱动电路的结　构，参数应严格一致．　（２）除了对元件提出上述要求外，系统设计工艺也要讲究，以避免电路分布参数带来的影　响．另外，在主电路结构上尽量采用对称形式，二级串联联接运行时可采用如图２所示对称均　压电路，其工作原理是：当某一管的过电压大于直流电压的一半时，相应二极管导通，从而将其　端电压拉回到电源电压的一半，实现了端电压的静态和动态均衡．实际应用表明其静态和动态　均压效果较理想．　（３）对多级串联系统，可　对驱动信号实行动态电压均　衡控制，尽可能减少其开通和　关断的延时．　为了控制ＩＧＢＴ的过电　压，以达到电压均衡之目的，　有人提出了门极电压倾斜控　制的方法口］．其控制原理是根　据ＩＧＢＴ的瞬间电压来改变门　极信号的斜率，为了在动态控　制瞬间不致使产生电压过冲，　产生一个精确的控制输入刊　门极驱动．但是为了在串联使　用的任何一个ＩＧＢＴ上都投有　过冲的电压均衡，其控制斜率　－＿『——　ｕ　，—～　—ｒ　［二＝］＿＿　—［＝二］－　ｓｎｕｂｂｅｒ　卜一　ｈ　ｓｎｕｂｂｅｒ　Ｉ　ｌ　Ｉ１　ｒ＇　一一　一　Ｉ　＋Ｉ，　＋ｌ，　。　ｌ＼　Ｉ＼　

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圄２对称均压控制电路　将会比最慢的器件还慢，其原因就是在开关过程的瞬间有一个很长的过渡时间．因此系统的工　作频率将会大大降低，而且产生大量的开关损耗，由于过热，器件被用于它的额定值下．这种控　制方法的缺点在于当电压均衡时，这种控制作用依然工作，因此在正常工作期间仍会产生额外　的功率损耗．　在开关瞬间　采用数字无差拍　控制均压口　也是　种好的方法，无　一－　、　Ｉ　差拍控制是一个　能精确控制均压　的监视器．结果证　明在控制的瞬问　过冲电压是相当　小的，且功率损耗　较小．但是这种控　圈３驱动控捌均衡电路　

制方式需要传感器，模数转换器等等，因此会有较大的延时．并且控制是离散的，为了减少延　维普资讯 http://www.cqvip.com ４　中南民族学院学报（自然科学版）　第１９卷　

时，传感器部分和控制部分必须选用快速器件，因而使得不适合于实际应用．　门极电流脉冲控斜　是一种直接均压的方法．其控制是非常有效的，控制路径小，功率损　耗小，结果显示在控制瞬间电压过冲小．但是由于控制的过渡过程是由控制器的内容决定的，　因此在可变负载的情况下无法产生精确的门极脉冲数．这种控制为门掇提供一个离散的充电　脉冲，因此无法响应连续的过电压．　圈３所示驱动控制均衡电路，是一种新的控制电路．其工作原理是：ＩＧＢＴ端电压　与　ｙ—　进行比较输出一控制信号，当ｙ　＞ｙｎ　时，比较器输出高电平，延迟相应驱动关断时刻，　以实现端电压的动态和静态平衡．该电路在正常工作期间不工作，因而大大地减少了额外功率　损耗．　

４结论　

动态均压性能的好坏，是决定ＩＧＢＴ串联工作是否稳定、可靠的关键因素，文中设计的均　压控制电骼在实际应用中取得了满意的效果．　

参考文献　Ｅ１３　Ｐａｌｍｅｒ　Ｐ‘Ｒ·Ｇｉｔｈｉａｒｉ　Ａ　Ｎ．Ｔｈｅ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＩＧＢＴ’ｓ　ｗｉｔｈ　Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｈａｒｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ［Ｉ］．Ｐｒｏｅ　ＩＥＥＥ　ＰＥＳＣ，１９９５，（１）：４４～９９．　Ｅ３３　Ｇｅｒｓｔｅｒ　ｃ．Ｆａｓｔ　Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ／Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｕｓｉｇｎ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ＩＧＢＴ’Ｓ　ｗｉｔｈ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｇａｔｅ—　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｂａｌａｎｃｉｎｇ［Ｉ］．Ｐｒｏｃ　ＩＥＥＥ　ＡＰＥＣ，１９９４，（１）：４６９￣４７２．　Ｅｓ］　Ｇｅｒｓｔｅｒ　ｃｔ　Ｈｏｔｏｒ　ＰｔＫａｒｒｅｒ　Ｎ．Ｇａｔｅ—Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　Ｓｎｕｂｈｅｒｌｅｓｓ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ＩＧＢＴ’Ｓ［Ｉ］．Ｐｒｏｃ　ＩＥＥＥ　ＰＥＳＣ．１９９６．（１）：１　７３９￣１　７４２．　Ｅ４３　Ｃｏｎｓｏｌｉ　Ａ，Ｍｕｓｕｍｅｃｉ　Ｓ，Ｏｒｌｔｉ　Ｇ　ｔｅｔ　ａ１．Ａｃｔｉｖｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｂａｌａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ＩＧＢＴ’ｓ［Ｉ］＿Ｐｒｏｃ　ＩＥＥＥ－ＩＡＳ　Ａｎｎｕ　Ｍｅｅｔｉｎｇ．１９９５，（３）：２　７５３￣２　７５８．　Ａｃｔｉｖｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｂａｌａｎｃｉｎｇ　ｏｎ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＩＧＢＴ’Ｓ　

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ｎｇｔＳＣＵＦＮ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４　维普资讯 http://www.cqvip.com