IGBT串联运行时的动态均压

第19卷第3期 中南民族学院学报(自然科学版) V o l.19N o.3 2000年9月 Journal of South2Central U niversity fo r N ati onalities(N at.Sci.) Sep.2000αIGB T串联运行时的动态均压熊承义　孙奉娄(电子工程系)摘　要　分析了高电压工作中IGBT串联运行时导致端电压静态和动态不均衡的种种原因,给出了几种改善端电压不均衡的具体控制措施和电路,主要给出了对称均压电路和驱动控制均衡电路.经实际应用表明效果良好.关键词　绝缘栅双极型晶体管;串联;动态电压均衡中图分类号　TN386.2　文献标识码　A　文章编号　100523018(2000)0320001204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IGB T,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IGB T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IGB T的串联使用,因为IGB T的通常关断时间在0.3～0.5Λs.因此传统的均压措施是行不通的.串联联接IGB T实行均压的目的是为了保证在关断瞬间对每个IGB T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IGB T过电压失衡原因控析串联IGB T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峰.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α收稿日期　2000205216作者简介　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)迟或提前能限制在0.3Λs 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0.1Λs ,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IGB T 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d V d t 主要取决于吸收电容,而电容容量的误差在5%～10%,因此每个串联的IGB T 的d V d t 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IGB T 被串联于高压的条件下,就会在最小的吸收电容的IGB T 两端产生严重的过电压.为了分析IGB T 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.图1　过电压失衡实验电路框图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:①IGB T 选用3种不同型号;②选用不同容量的吸收电容;③不同延时的门极驱动信号;④门极驱动电路也采用不同的参数.2　实验结果通过实验发现,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IGB T 在关断瞬间产生很高的过压,而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 V d t 较大,因而导致了出现最大的过电压.(2)门极驱动开通延时的影响.开通延时的门极信号所驱动的IGB T 两端在开通瞬间会产生电压尖峰.但是实验发现,对于小于0.3Λs 延迟不会产生明显的电压尖峰;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)门极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　IGB T 端电压过冲均衡措施2 中南民族学院学报(自然科学版)第19卷基于以上分析和实验结果,对于IGB T 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IGB T ,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.图2　对称均压控制电路(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IGB T 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[1].其控制原理是根据IGB T 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到门极驱动.但是为了在串联使用的任何一个IGB T 上都没有过冲的电压均衡,其控制斜率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.图3　驱动控制均衡电路在开关瞬间采用数字无差拍控制均压[2,3]也是一种好的方法,无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间过冲电压是相当小的,且功率损耗较小.但是这种控制方式需要传感器,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.3第3期 熊承义等:IGBT 串联运行时的动态均压 4 中南民族学院学报(自然科学版)第19卷门极电流脉冲控制[4]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.这种控制为门极提供一个离散的充电脉冲,因此无法响应连续的过电压.图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:IGB T端电压V CE与V R EF进行比较输出一控制信号,当V CE>V R EF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IGB T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路在实际应用中取得了满意的效果.参　考　文　献[1]　Pal m er P R,Gith iari A N.T he Series Connecti on of IGBT’s w ith Op ti m ized V o ltage Sharing in theSw itch ing T ransient[J].P roc IEEE PESC,1995,(1):44～99.[2]　Gerster C.Fast H igh Pow er H igh V o ltage Sw itch U sign Series Connected IGBT’s w ith A ctive Gate2Contro lled V o ltage Balancing[J].P roc IEEE A PEC,1994,(1):469～472.[3]　Gerster C,Ho to r P,Karrer N.Gate2Contro l Strategy fo r Snubberless Operati on of Series ConnectedIGBT’s[J].P roc IEEE PESC,1996,(1):1739～1742.[4]　Conso li A,M usum eci S,O riti G,et al.A ctive V o ltage Balancem ent of Series Connected IGBT’s[J].P rocIEEE2I A S A nnu M eeting,1995,(3):2752～2758.Active Voltage Ba lanc i ng on Ser ies Connection of IGBT’sX iong Chengy i　S un F eng louAbstract　T he reason s of overvo ltage i m balancing of series connecti on of IGB T’s in h igh vo ltage system are analysed,som e m ethods and circu its to ach ieve vo ltage balancing are given,good resu lts are ach ieved in app licati on.Keywords　in su lated gate b i po lar tran sisto r;series connecti on;active vo ltage balancingX iong Chengy i　L ect.,D ep t.of E lectronic Engineering,SCU FN,W uhan430074。