IGBT串聯(lián)均壓電路的仿真研究

祁美華，徐善偉，侯?yuàn)櫍?

(1.晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600;2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024;3.中北大學(xué)，山西 太原 030051)

1 引言

高壓大功率線路中，要求功率器件具有較高的耐壓值，單一器件往往很難滿足這一要求。利用功率器件串聯(lián)均壓可以簡單有效地解決這一問題。它不僅保證了功率器件的變換效率，減小系統(tǒng)尺寸，還拓寬了器件的應(yīng)用領(lǐng)域。例如晶閘管和門極可關(guān)斷晶閘管器件的串聯(lián)形式已被應(yīng)用于高壓直流電路和高壓逆變器等設(shè)備中。然而，晶閘管等傳統(tǒng)器件存在功率損耗大和開關(guān)速度慢等缺點(diǎn)，導(dǎo)致了它們無法在日益受到重視的PWM變流裝置中得到應(yīng)用。IGBT是20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的一種新型半導(dǎo)體功率器件，它不僅具有電壓控制輸入特性、低阻通態(tài)輸出特性，還具有高輸入阻抗、電壓驅(qū)動(dòng)、無二次擊穿和安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，可以在眾多領(lǐng)域替代電力晶體管GTR和功率MOSFET等器件。同時(shí)，由于它的結(jié)構(gòu)特性，決定了它具有高速開關(guān)的能力，可以滿足PWM變流技術(shù)的要求。應(yīng)用IGBT的PWM變流器具有如下特點(diǎn):(1)較高的系統(tǒng)工作頻率;(2)電路結(jié)構(gòu)更緊湊;(3)緩沖電路的功率損耗減小;(4)驅(qū)動(dòng)電路簡單。

然而，IGBT耐壓值低這一缺點(diǎn)，限制了它在需求日益增多的高壓設(shè)備中的應(yīng)用，盡管一些廠家研制了高壓IGBT，但其只能在一定程度上解決耐高壓的問題，應(yīng)用范圍有限。IGBT串聯(lián)使用是一種較為有效的提高耐壓的方法。理論上，在IGBT器件參數(shù)觸發(fā)時(shí)間相同的情況下，根據(jù)相應(yīng)的耐壓值，可以將任意多的器件進(jìn)行串聯(lián)使用以滿足實(shí)際需要，而且同為提高耐壓的方法，器件直接串聯(lián)所構(gòu)成的變流電路遠(yuǎn)比多重化和多電平等方法簡單。然而，由于結(jié)構(gòu)的特殊性以及觸發(fā)裝置的誤差，實(shí)際應(yīng)用中串聯(lián)器件之間會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電壓不均的問題，將有可能導(dǎo)致過電壓，進(jìn)而大大影響器件的使用壽命和電路的工作效率，以致?lián)p壞設(shè)備，造成經(jīng)濟(jì)損失。通過IGBT串聯(lián)來實(shí)行均壓的目的是為了保證在關(guān)斷瞬間使每個(gè)IGBT的過電壓保持均衡，這就要求控制電路具有快速的響應(yīng)能力，不允許產(chǎn)生更多的損耗和降低系統(tǒng)的開關(guān)頻率;同時(shí)要求在工程上是經(jīng)濟(jì)有效的。因此，設(shè)計(jì)有效的動(dòng)態(tài)均壓控制電路十分必要。本文針對(duì)IGBT串聯(lián)使用中的動(dòng)態(tài)過壓問題進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種有源緩沖均壓電路，并通過MATLAB/SIMULINK進(jìn)行了建模仿真。仿真結(jié)果表明，此電路具有很好的可行性。

2 串聯(lián)IGBT過電壓失衡原因分析

串聯(lián)IGBT門極信號(hào)的延遲是引起端電壓失衡的原因之一。門極信號(hào)延遲不同會(huì)造成開通過程中后導(dǎo)通的器件上產(chǎn)生電壓尖峰。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的提前關(guān)斷也會(huì)造成其他的功率器件器件過電壓，而且會(huì)引起靜態(tài)電壓不均衡。如果這些信號(hào)的延遲或提前能限制在0.3μs以內(nèi)，就不會(huì)引起嚴(yán)重的過電壓失衡問題。所以必須優(yōu)化設(shè)計(jì)門極驅(qū)動(dòng)電路，將其信號(hào)延遲控制在0.1μs以內(nèi)，才防止產(chǎn)生嚴(yán)重的過壓問題。

引起過電壓的另一個(gè)主要原因在于器件引線分布電感和級(jí)聯(lián)器件吸收電路的特性不一致。對(duì)于不同的IGBT，其引線電感不一樣，因而會(huì)導(dǎo)致不同的開關(guān)特性和電壓尖峰。關(guān)斷瞬間的電壓上升速率du/dt主要取決于吸收電容，而電容容量的誤差在5% ～10%，因此每個(gè)串聯(lián)的IGBT的du/dt也會(huì)有所不同。由于吸收電容的作用，在門信號(hào)延時(shí)的情況下，電容容量的不同會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓尖峰。因此，如果IGBT被串聯(lián)于高壓的條件下，就會(huì)在最小的吸收電容的IGBT兩端產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓。

為了分析IGBT串聯(lián)條件下的過電壓失衡原因及情況，采用如圖1所示電路，運(yùn)用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行了幾種相關(guān)因素引起過電壓失衡的仿真實(shí)驗(yàn)，波形如圖2所示。圖2中，(a)和(c)波形為同一橋臂兩串聯(lián)IGBT兩端的電壓波形，(b)和(d)分別為其觸發(fā)信號(hào)波形。

圖1 過電壓失衡電路仿真模塊圖

圖2 過電壓失衡實(shí)驗(yàn)電路仿真波形圖

分別選用不同容量的吸收電容和不同延時(shí)的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來觀察不同情形下開關(guān)器件的過壓失衡特性。

(1)吸收電容的影響:吸收電容不同會(huì)導(dǎo)致所用電容小的IGBT在關(guān)斷瞬間產(chǎn)生很高的過壓，而對(duì)其開通不會(huì)產(chǎn)生什么影響。吸收電容小者，由于在關(guān)斷瞬間端電壓的變化率du/dt較大，因而導(dǎo)致了出現(xiàn)最大的過電壓。

(2)門極驅(qū)動(dòng)開通延時(shí)的影響:開通延時(shí)的門極信號(hào)所驅(qū)動(dòng)的IGBT兩端在開通瞬間會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。

(3)門極驅(qū)動(dòng)關(guān)斷延時(shí)的影響:關(guān)斷的延遲會(huì)引起在先關(guān)斷器件的兩端產(chǎn)生很高的過電壓，無論是在瞬態(tài)還是在穩(wěn)態(tài)，電壓均會(huì)不平衡。

3 IGBT端電壓過沖均衡措施

針對(duì)IGBT串聯(lián)使用中的動(dòng)態(tài)過壓問題，本文設(shè)計(jì)了一種有源緩沖均壓電路，如圖3所示。

圖3 有源緩沖均壓電路

兩串聯(lián)的IGBT在門極驅(qū)動(dòng)開通延時(shí)這一過程中，主電路直流高電壓直接加在開通延時(shí)的門極信號(hào)所驅(qū)動(dòng)的IGBT兩端，若沒有緩沖電路此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰。加上如圖3所示的有源緩沖電路之后，在給電容充電的過程中，VM通過檢測其兩端電壓并使之與Relay中設(shè)置的電壓上下限進(jìn)行比較，以達(dá)到高于上限電壓時(shí)驅(qū)動(dòng)圖3中IGBT開通使電容能通過它形成放電回路，直到電容兩端電壓降低到Relay中設(shè)置的電壓下限即緩沖電路中右端的直流電壓源的電壓值時(shí)，使IGBT關(guān)斷，電容電壓箝位在這一值，電容不斷的充放電直到均壓電路連接的IGBT開通，從而達(dá)到IGBT串聯(lián)均壓的目的。

在門極驅(qū)動(dòng)關(guān)斷延時(shí)過程中，加在首先關(guān)斷器件兩端的有源緩沖均壓電路發(fā)揮作用，工作原理與門極驅(qū)動(dòng)開通延時(shí)過程中相同。

4 MATLAB仿真結(jié)果

在MATLAB/SIMULINK中建立如圖4所示的仿真模型，其中subsystem模塊內(nèi)為如圖4所示電路。IGBT1、IGBT2的門極驅(qū)動(dòng)電壓分別與 IGBT3、IGBT4的門極驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)互補(bǔ)且死區(qū)時(shí)間設(shè)置為2μs，得出的仿真波形如圖5所示。

圖4 IGBT串聯(lián)均壓電路

圖5 IGBT1、IGBT2兩端的電壓波形

5 結(jié)論

動(dòng)態(tài)均壓性能的好壞，是決定IGBT串聯(lián)工作是否穩(wěn)定、可靠的關(guān)鍵因素。本文設(shè)計(jì)的有源緩沖均壓電路，原理簡單并通過MATLAB/SIMULINK進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電路的可行性。

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