IGBT串联技术探析
igbt串联均压技术的研究
最后研究了栅极驱动端均压技术，给出了三种改善 IGBT 串联运行时集-射极电压不均衡的 具体解决措施：阻容二极管有源均压、变压器耦合均压和有源钳位均压。通过仿真和实验研究 发现，均压电路的参数会同时影响电路的均压效果和开关损耗，因此设计参数时需要在二者之 间进行折中考虑。
南京航空航天大学 硕士学位论文
IGBT串联均压技术的研究 姓名：刘磊
申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动
指导教师：龚春英 20090101
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种比较理想的全控型器件，在电力电子与电力传动领域得到 了广泛的应用。然而，在许多高压或超高压场合中，由于单个器件的耐压等级较低，导致其使 用受到限制。IGBT 串联使用是一种较为有效的提高耐压的方法。因此，研究 IGBT 串联均压技 术，具有十分重要的意义。
关键词： IGBT，串联 IGBT，功率端均压，栅极驱动端均压
I
IGBT 串联均压技术的研究
Abstract
The Isolated Gate Bipolar Transistor(IGBT) is a sort of more ideal full-controlled electronic device. It is widely used in the field of power electronics and motor drives. However it can’t accommodate engineering requirement in some high voltage or ultrahigh voltage cases for the lower withstand voltage of a single device. The serial use of IGBT provides a shortcut method to improve withstand voltage capability. So researching the voltage balancing techniques of series-connected IGBTs has very important significance.
IGBT 串联技术综述
3.1.2 复位RCDபைடு நூலகம்位技术 F.V.Robinson等人于2007年提出了基于复位原
理的RCD钳位技术[4]如3所示。这种方法拥有RC或 RCD缓冲电路的简单性，并很容易被应用在电路中。 且由于缓冲电容没有完全放电，所以功率损耗较为 减少。其中Vrst=VDC/n(n为串联功率管的个数)。 3.2 门侧控制技术
二极管被击穿，此时一个额外的信号会加在驱动上， 最终实现对过电压的控制。该法电路简单，容易实 现。但是当某个开关管被钳位后齐纳二极管承受较 大的电压并流过电流，这时它上面有很大的损耗。 因此效率会受到影响。 b) 齐纳二极管、电容钳位电路
为了改进齐纳二极管钳位技术，J.Saiz等人于 2001年提出如图12所示电路[14]。与齐纳二极管钳位 技术相比，增加了一个电容C1，两个电阻R1和R2 与另外一个齐纳二极管Z2。当某个开关管的集电极 电压达到Z1的击穿电压时，由于C1的存在使得Cgs 增大，这个开关管的速度被减缓。Z2实现了集电极 -发射极电压被钳位在需要的值。J.Saiz采用这种方 法在300kV/400A的电路中，使用3只1700V的IGBT 进行了实验。通过对电路中各个参数的影响进行分 析后发现，IGBT拖尾电流的不同会严重影响钳位电 路的功率损耗，尤其是钳位齐纳二极管Z1，同时仔 细设计钳位电路的参数可以对平衡效果、损耗和电 路体积之间进行折中。
以上的有源补偿方法，每个功率管的端电压都 需要采样反馈给控制电路。这导致了电路的复杂化， 并且随着驱动电路器件数量的增加，控制电路的可 靠性降低。J.W.Baek等人于2000年提出如图9所示电 路[11]实现了对端电压钳位作用。该电路由两个电容、 一个二极管和三个电阻组成，全部为无源器件。图9 中R1和R2实现串联IGBT的静态均压，而C1和C2实现 动态均压。当串联的每一个IGBT端电压均衡时，二 极管D阻断了辅助电路与驱动信号，这时候辅助电 路不影响开关管。这个辅助电路主要有6个工作模 态，在文献[11]中有具体的分析。辅助电路同时解决 了动态和静态平衡问题。且它的动态性能很好，不
大功率IGBT驱动电路及串并联特性研究2300
大功率IGBT驱动电路及串并联特性研究摘要：近年来，以IGBT等全控器件为基础的轻型高压直流输电发展起来，随着行业的需求，人们对IGBT的功率也有了更高的要求。
为此，人们选择的方式中，其中一种就是对功率等级较小的IGBT实行串并联，以符合电路的要求。
串联和并联各有特性和优缺点，本文将主要探讨两种电路的特性，并提出更好的设计方法。
关键词：大功率IGBT；串联；并联近年来，IGBT在电路中的应用越来越广，同时，诸如轨道交通等行业对兆瓦级大功率变流器的需求也增加，也就更需要大功率的IGBT。
直接选用大功率等级的IGBT虽然满足要求，但会增加成本和驱动电路的复杂性，因此驱动电路简单而市场货源充足的串联或并联较小功率等级的IGBT的方法就受到了人们的青睐，有关人员对此实行了研究。
1.IGBT简介传统的高压直流输电是以晶闸管作为换流阀，用相控换流器（PCC）技术为核心。
但是，晶闸管具有单向导电性，导致PCC技术只能控制阀的开通，只有通过交流母线电压过零，把阀电流减小到阀的维持电流以下，才能实现阀的自然关断。
IGBT就是在这种情况下发展而来的。
IGBT的全称是Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管。
与传统的晶闸管器件相比，它的开关损耗和驱动功率都比较小、通态压也明显降低，但速度和输入阻抗则比较高，因此在高压固态开关、柔性直流输电等需要大功率的设备和场合更为适用。
但这些大功率的设备同时也需要较高的电压，通常能达到数十甚至数百千伏，然而目前单个IGBT 最高只能达到6.5千伏的电压，因此急需提升容量的方法。
研究人员要兼顾经济性和器件的可靠性，因此就需要对多只IGBT采取串联或并联的措施，以实现大功率的需要[1]。
2.对大功率IGBT串联的研究2.1 大功率IGBT串联及动态不均压原因的简述对IGBT器件直接串联是实现大功率IGBT的一种方式，这种串联的电路依据的理论就是在触发IGBT的时间和器件参数相同时，可以根据其耐压值，串联任意数量的器件。
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、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、IGBT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。
第3章IGBT串联不均压分析及措施研究 3
第3章IGBT串联不均压分析及措施研究3．1串联IGBT与单管IGBT的性能比较单管IGBT耐压等级的相对有限严重制约了其应用和发展，将多个同种IGBT 模块进行串联使用可以迅速满足装置的电压等级要求。
此外，多个低量级的IGBT串联应用较单管大功率的IGBT在开关动作时间、能量损耗以及工作频率等方面都有着较大的优势。
为了模拟实际应用中断路开关动作不同步的情形，又知当两路驱动信号的延迟小于300ns时，串联!GBT集射极两端不会出现明显的分压失衡现象，这是因为在这个时间段里，每一个IGBT都还没有达到完全饱和状态，故仿真中在两个串联IGBT间设定了一个500ns的延迟，即At=500ns，假定Gl的开通和关断均较G2晚500ns。
仿真实验中，Ud。
=900V，Lload=1 00uH，R3=R4=lO，L。
=1 uH。
文中应用了阻容二极管有源均压法来实现串联IGBT的均压过程，其他参数选取如示C1=100×C iec=100×60nF=6uF，取8uF：C=1/100×C1=C iec=60nF，取62nF：R1+R2<U ces/10I ces=60k故：R2=5940，文中取R2--5100，则有尺l=51kO。
为了能达到良好的均压效果，反馈电阻尺3的选值也比较关键。
可知，集电极电流I c一定时，反馈电阻R3与集射极过电压幅值有着密切的关系，图3．2给出了集射极过电压与反馈电阻的关系。
实际应用中，如果将IGBT的过压阈值设定在其额定电压的95％，则计算可知必须限定集射极过电压不超过120V，故而可以确定R3=2．350。
仿真过程中，文中涉及到的能量损耗包括IGBT及其反并联寄生二极管的开通损耗、通态损耗以及关断损耗。
波形曲线表明，在一定的集电极电流范围内，串联IGBT组合在能量损耗方面有着很明显的优异表现，其总体损耗更是展现出了巨大的优势。
仿真结果从理论上说明了将低量级的IGBT串联应用替代单管大功率的IGBT有着很广泛的应用前景，对大功率应用场合中的断路开关的选择具有二定的指导意义。
IGBT串联用的有源电压控制技术
IGBT串联用的有源电压控制技术1 引言绝缘栅双极晶体管IGBT自上世纪80年代问世以来，由于其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的性能，在电力电子领域中得到了广泛的应用。
然而，由于半导体器件本身的材料和结构原因，IGBT目前的电压等级最高是6.5kV，无法达到电力系统中很多场合的电压等级（如10kV、35kV的电压等级），限制了IGBT在高压领域的应用。
采用IGBT器件直接串联进而实现电压等级的提升具有巨大的吸引力。
然而，IGBT串联技术有两个难点必须要克服：第一是要保证控制信号的同步，并且必须在关断后，各个信号之间的延迟在一个可以接受的范围内；第二是要保证在开通和关断过程中，电压被平均的分配在各个器件上，各个器件上的电压差别必须在一个合理的范围之内，否则会造成某些器件被击穿或者过早老化。
图1列举了几种具有代表性的IGBT串联方案，并根据其采用的方法进行了分类。
无源缓冲电路，一般是在IGBT器件的C、E两端并联缓冲电路[1, 2]。
缓冲电路包括RC型、RCD型等。
无源缓冲电路可以实现IGBT串联的均压，但是会降低IGBT的开关速度并且增大开关损耗，而且无源缓冲电路需要较多器件，参数较难设置，会降低系统的可靠性。
栅极控制的方法，可以分为同步控制和有源控制两类。
同步控制包括通过控制关断点来实现电压均衡的关断点选择法，以及通过同步控制实现均压的电压均衡法[3, 4]。
但是，由于IGBT的负温度系数特性，同步控制法有一定的局限性，因而在实际应用中并不多见。
有源控制法，通过对栅极进行注入电流或加减栅极控制电压等方法来实现均压，但是同时会带来额外的功率损耗。
本文介绍的有源电压控制技术（Active Voltage Control，简称AVC），是通过引入集电极反馈来控制IGBT栅极电压以实现串联均压。
图1 IGBT串联技术分类2 有源电压控制技术IGBT有源电压控制技术，由英国剑桥大学Patrick Palmer博士提出[5]。
IGBT直接串联技术的应用与电力电子时代
２１ 年第 ２ ００ 期
ＩＢ Ｇ Ｔ直接 串联 技 术 的应 用 与 电力 电子时 代
吴 加 林
（ 都佳灵电气制造有限公司 ， 成 四川 成 都 ６ ０ ４ ） １ ０ １
摘
要 ： 缘 栅 双极 晶体 管 （ＧＢ 作 为 电 子 开 关 功 率 器 件 因 其 只 能 应 用 于 低 电压 、 功 率 范 围 内 ， 响 了 电 绝 Ｉ Ｔ） 小 影
压 电 机 变 频 调 速 仍 显 不 足 。 如 ３ｋ ６ｋ １ Ｖ Ｖ、 Ｖ、０ｋ
等级 的变频 器 ， 用 的功 率 器 件 应取 交 流 工 作 电 采
压 的 ３倍 ， ９ｋ １ Ｖ 、０ｋ 即 Ｖ、 ８ｋ ３ Ｖ。 而 要 对 交 流 电 网 的 １ Ｖ、５ｋ 、 ５ Ｖ、 ０ Ｖ 的 电 压 进 ０ｋ ３ Ｖ ７ ０ｋ １０ ０ｋ
件 全 部 击 穿 。 在 目 前 的 电 流 型 直 流 输 电 中 ， 多 大
采用 在线 路 中串 入 大 电感 来 限 制 电 流 瞬变 ， 断 关
时 利 用 电 网换 相 让 其 电 压 自然 降 到 零 ， 时 加 大 同
动态 、 态 吸收 电路 的损 耗 ， 低频 工作 方式 来解 静 用
数 倍 ， 功 率 开 关 器 件 的 特 点 是 一 旦 瞬 时 击 穿 就 而
不 可 能 恢 复 ， 往 造 成 雪 崩 效 应 ， 致 Байду номын сангаас 有 串联 器 往 导
配 与使用 方 面的 巨大潜 力 。但 在 电力 电子 技术 中 扮演 主 角的 电子 开关 功率 器 件 ， 目前 仅 在 几 百伏
到 １万 伏 以下 ， 与 电 力 系 统 所 需 的 几 万 至 上 千 这
IGBT模块的并联和串联
外接平衡组件并联
IGBT模块的并联
半桥电路的输出端使用输出电感，通过RC电路实现du/dt滤波器
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
7
IGBT模块的并联 静态并联
三个EconoDUALTM 3的AC母线并联示意图
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
8
动态并联
动态并联 注意事项：
21
IGBT模块的串联
IGBT模块串联时，无论模块是开通还是关断，还是处于阻 断状态，面临的主要挑战都是确保均匀分配电压。
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
22
IGBT模块的串联
改善开关特性和动态及 其静态均压的主要措施：
平衡电阻 缓冲电路 有源钳位 校正开关时间 du/dt控制
18
外接平衡组件并联
IGBT模块的并联
三个桥臂互相连接，系统能够实现自平衡。扼流线圈的损耗 与电流的平衡密切相关，系统越不平衡，产生的损耗就越大
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application 19
外接平衡组件并联
IGBT模块的并联
采用铁粉芯磁环的扼流线圈环形连接，如果电流平衡，则电场 会互相抵消；如果电流不平衡，电场就会相互叠加
一种有源驱动补偿的IGBT串联技术研究
ELECTRIC DRIVE 2017 Vol.47 No.8
一种有源驱动补偿的 IGBT 串联技术研究
2 2 2 2 2 王圆圆 1， ， 赵森 1， ， 秦金垒 1， ， 廖源 1， ， 范林涛 1，
（1. 南瑞集团公司 （国网电来自科学研究院） ， 江苏 南京 211000； 2. 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司， 湖北 武汉 430074）
2. Wuhan Nari Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute ， Wuhan 430074 ， Hubei ， China）
Abstract: The electric system on high voltage condition requires fast switches as circuit breakers to cut off the
1
双阶段有源门极驱动触发时间补 偿技术
串联 IGBT 器件能否同步开通及关断对 IG-
作者简介： 王圆圆 （1987-） ， 女， 硕士研究生， 工程师， Email： 136718728@
王圆圆， 等： 一种有源驱动补偿的 IGBT 串联技术研究
电气传动 2017 年 第 47 卷 第 8 期
Method of Series-connected IGBTs with Trigger Time Compensation
power supply as soon as possible when failure occurs. Series connected IGBTs is an idea choice in this case. The main issue of series connected IGBTs is the voltage balance. An active gate trigger time compensation method was presented. proves that the method can improve the voltage balance of IGBTs.
串联IGBT保护模块设计和故障诊断分析
Ｌ Ｉ Ｕ Ｊ ｉ ａ ｎ — ｐ ｉ ｎ ｇ， ＨＯＵ Ｋａ ｉ ， Ｌ Ｉ Ｗｅ ｉ — ｂ ａ ｎ ｇ ， Ｆ ＡＮ Ｚ ｈ ｅ ｎ — ｑ ｉ
（ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｎ Ａ Ｒ Ｉ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｏ ｒ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ １ １ ０ ０ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉｓ ｒ ｔ ｉ ｃ ． Ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ａ ｔ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ １ ＧＢ Ｔ ｃ ｎｎ ａ ｏ ｔ ｍｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｆ ｏ ｈ ｉ 【 ｇ ｈ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｉ ｎ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｓ Ｏ Ｉ ＧＢ Ｔ ｉ ｎ ｓ ｅ ｉ ｒ ｅ ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｅ ｘ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ． Ｈｏ ｗ ｅ ｖ ｅ ｒ ，ｖ ａ ｉｏ ｒ ｕ ｓ ｌ ｏ ａ ｄ ｏ ｖ ｅ ｒ ｖ ｏ ｈ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｏ ｖ ｅ ｒ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｐ ｏ ｏ ｒ ｈ ｅ ａ ｔ ｄ ｉ ｓ ｓ ｉ ｐ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｈ ｅ ｎ ｏ ｍｅ ｎ ｏ ｎ ｍａ ｙ ｏ ｃ ｃ ｕ ｒ ｉ ｎ ｅ ｖ ｉ ｔ ａ ｂ ｌ ｙ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｍａ ｙ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｉ ｎ
串联igbt的一种新型单信号驱动电路
• 133•单个IGBT 的耐压水平有限，通常通过串联使用来提高耐压值。
在IGBT 的串联使用中，各个IGBT 的集电极和发射极两端电压不均衡是需要解决的关键性问题。
针对IGBT 串联中以往各种均压驱动技术，本文提出了一种串联IGBT 均压驱动的新思路，使用单一信号驱动串联IGBT 的设计方法，其电路结构简单可靠，均压效果理想，导通关断延时基本取决有IGBT 器件本身。
通过Multisim 软件进行了仿真，验证了可行性。
1 引言功率绝缘栅双极晶体管（insulate gate bipolar transistor ，IGBT ）为电压控制型器，其具有输入阻抗高、驱动功率小、导通电阻小、开关损耗低的特点，已经广泛应用于电力电子和高压变频等领域。
然而单个IGBT 器件的耐压值有限，IGBT 串联使用可以提高其耐压值，是现今最常用的方法。
在IGBT 的串联使用中，各个IGBT 的集电极和发射极两端电压不均衡是IGBT 串联使用中的关键性问题。
2 串联均压技术在IGBT 串联使用中，集电极和发射极两端电压不均衡有几个原因导致的（周晓畅，IGBT 串联型中压变频器关键问题研究[D].天津：天津大学电气工程与自动化学院，2011）：器件本身的参数不一致造成的开启和关断动作不一致；寄生电感和寄生电容不一致；由于驱动信号的延时不同而引起的开通和关断延时的不同；与IGBT 直接串联的外电路存在差异；分布电感、分布电容和串联模块的漏电流不一致。
串联IGBT 两端电压不均衡，会导致某些IGBT 因过压而损坏，严重影响到电路的安全工作。
针对IGBT 的工作过程，可以分为静态和动态两个过程进行均压分析。
静态均压最常用最有效的方法是并联均压电阻，在串联了均压电阻之后，静态均压效果能够达到令人满意的效果。
动态均压问题是串联IGBT 的关键问题，好为了达到较好的均压效果，针对IGBT 串联均压驱动技术，国内外学者进行了深入的研究，并提出了多种解决方法，这些方法主要分为缓冲电路均压法、栅极端控制均压法和电压钳位电路均压法三类（刘磊，IGBT 串联均压技术的研究[D].南京：南京航空航天大学自动化学院，2009；梁昊，IGBT 串联模块化的研究[D].杭州：浙江大学电气工程学院，2012），其各有优缺点。
IGBT串联技术动态均压电路的研究_金其龙
IGBT 串联技术动态均压电路的研究金其龙1,2,孙鹞鸿1,严 萍1,张东东1,欧阳文敏1,2(1.中国科学院电工研究所,北京100190;2.中国科学院研究生院,北京100190)摘 要:IGBT 串联技术的关键在于保持每个IGBT 开通或关断同步,至少应该保证任何时刻,尤其在IGBT 开通或关断过程中,使每个I GBT 的电压不能超过其额定值。
为了达到这个目的,在研究多种IG BT 串联的控制方法后,采用了一种结构简单、控制容易的均压辅助电路并对其工作机理进行了详尽的说明。
实验结果表明,所采用的辅助分压电路在IGBT 串联运行时能够很好地抑制IGBT 开通和关断不同步造成的过电压,能够使开关不同步造成的过电压[10%,确保IG BT 串联顺利运行。
对工程实际具有一定的参考意义。
关键词:IGBT ;动态;串联;均压;开通关断同步;驱动信号中图分类号:T N386文献标志码:A 文章编号:1003-6520(2009)01-0176-05基金资助项目:国家自然科学基金(50777061)。
Project Su pported by National Natural Science Foundation of C hina(50777061).Application of the Dynamic S haring -voltage C ircuit in IG BT S eries T echnologyJIN Q-i long 1,2,SU N Yao -hong 1,YAN Ping 1,ZH ANG Dong -dong 1,OUYANG Wen -m in 1,2(1.Institue of Electrical Eng ineering ,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.Graduate U niversity of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)Abstract:T he key point of I GBT-ser ies techno log y is t o keep each connected IGBT in a circuit turned on o r tur ned off synchronously.T he v olt age acro ss ever y IG BT can no t sur pass its rated v oltage value,especially at the moment of turning on or tur ning off IGBT s.In o rder to achieve the g oal,we intr oduced a simple easily contr olled circuit and used it to make vo ltag e across ever y IG BT equal,and v erif ied how the circuit wo rks in detail,w hich can further be appro ved by the ex periment data.Experimental data sho ws that the auxilia ry sharing -vo ltag e cir cuit taken in the ar -ticle can diminish ov erv olt age acro ss IG BT s o bv iously ,w hich is g ener ated because o f IGBT s t ur ned on o r off at dif -fer ent time.T he o verv oltage can be limited to no more than 10%o f IG BT static voltage so as to guar antee that a cir -cuit including IG BT ser ies can be operated in a goo d state.Key words:I GBT ;dynamic;ser ies;sharing voltage;on and off sy nchro no usly;dr iver signal0 引言绝缘门极双极型晶体管(IGBT )结合了电力场效应晶体管(P -M OSFET )和电力晶体管通、断机制的优点,作为半导体电力开关具有明显的优势[1]。
IGBT浅析,IGBT的结构与工作原理
IGBT浅析，IGBT的结构与工作原理IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
在绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）得到大力发展以前，功率场效应管MOSFET被用于需要快速开关的中低压场合，晶闸管、GTO被用于中高压领域。
MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点；但是，在200V或更高电压的场合，MOSFET的导通电阻随着击穿电压的增加会迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在着不能得到高耐压、大容量元件等的缺陷。
双极晶体管具有优异的低正向导通压降特性，虽然可以得到高耐压、大容量的元件；但是它要求的驱动电流大，控制电路非常复杂，而且交换速度不够快。
IGBT正是作为顺应这种要求而开发的，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十KHz频率范围内。
基于这些优异的特性，IGBT一直广泛使用在超过300V电压的应用中，模块化的IGBT可以满足更高的电流传导要求，其应用领域不断提高，今后将有更大的发展。
IGBT的结构与特性：如图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。
直接串联IGBT的核心关键技术
开关同步:因为IGBT开关时间短，只有微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。
否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个】200V的管子加上6000V(或10000 V )，只能烧掉，而且是一烧一串。
(2)正弦波技术:高压电动机对变频器的输出电压波形有严格的要求。
国内有公司解决变频器输出电压波形，从两方面着手，即一是优化PWM波形，二是研制出特种滤波器。
艾米克变频器
(3)抗共模电压技术:仅解决IGBT的串联，并不能去掉输人变压器，原因在于共模电压的存在。
在低压变频器领域，近年来发现的电动机轴承损坏，共模电压就是影响之一。
在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。
共模电压(也叫做零序电压)是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。
共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。
无论是电流源，变温器还是电压源变频器产生共模电压是必然的。
一些公司根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。
文章来源：深圳市艾米克电气有限公司。
大功率IGBT串联电压不平衡机制研究
第31卷第21期中国电机工程学报V ol.31 No.21 Jul.25, 20112011年7月25日Proceedings of the CSEE ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1 文章编号：0258-8013 (2011) 21-0001-08 中图分类号：TM46 文献标志码：A 学科分类号：470·40大功率IGBT串联电压不平衡机制研究庞辉，温家良，贺之渊，汤广福(中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192)Unbalancing Voltage of High Power Series Connected IGBT ValvePANG Hui, WEN Jialiang, HE Zhiyuan, TANG Guangfu(China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China)ABSTRACT: With the fast development and widely application of power electronic technologies, the requirement for high power converters has been constantly increased. The connection of high power insulation gate bipolar transistor (IGBT) in series is a key issue in the high voltage and power self-commuted converter application. The bottleneck for the operation of series connected high power IGBTs is the unbalanced voltage distributed among the IGBTs. But systematic theories and studies in this respect have always been absent. The systematic study must be commenced on the unbalanced voltage to advance the research on high power converter equipment. Based on the static and dynamic processes during operation of the seriesly connected IGBT valve and considering the IGBT characteristics, the corresponding influences of the unbalancing voltage on the series connected IGBT valve were induced; and the grade of unbalancing voltage among the devices was analyzed, which laid a foundation for keeping the voltage balance of the seriesly connected IGBT.KEY WORDS: insulation gate bipolar transistor (IGBT); series connected; switching transient; unbalancing voltage摘要：随着电力电子技术及其应用的快速发展，高压大功率换流器的应用越来越多。
IGBT并联技术分析
IGBT并联技术分析通过电力电子器件串联或并联两种基本方法，均可增大电力电子装置的功率等级。
采用这两种方法设计的大功变流器，结构相对简单，加之控制策略与小功率变流器相兼容，功率提升主要靠电力电子器件串并联数目的增加来实现，因此具有成本较低，便于不同功率等级变流器进行模块化设计和生产等优点。
通过串联IGBT可以提高变流器的电压等级，而通过并联IGBT则可以提高变流器的电流等级，从而提升变流器的功率等级。
考虑到前者功率密度相对较低，从性价比出发，IGBT并联技术是最好的选择。
1 IGBT并联运行分析1.1 影响并联IGBT均流的主要因素1) IGBT和反并联二极管静态参数的影响IGBT的饱和压降V ce(sat)、反并联二极管的正向压降V f主要影响静态均流效果；IGBT的跨导g fs和栅极－发射级阈值电压V ge_th、反并联二极管的反向恢复特性（反向恢复时间t rr和反向恢复电荷Q rr等）主要影响动态均流效果。
2) IGBT驱动电路参数的影响并联IGBT的门极驱动电压V ge的大小主要影响并联IGBT的静态均流，而门极驱动信号的变化率、门极驱动电阻R g、驱动线路的布局和感抗等参数则对并联IGBT的动态均流有很大的影响。
3) IGBT安装的散热考虑，如果IGBT散热出现热量过于集中，IGBT温度差别大，会影响的温度特性，形成正反馈现象。
4) 主电路结构的影响主电路的结构会造成线路感抗差异，并对并联IGBT的动态均流产生影响，而线路的电阻则影响静态均流。
1.2 并联技术遵循的原则1) 模块的选择：通过选择具有正温度系数并且最好是同一批次的IGBT单元，可以提高器件参数的一致性，实现最好的静态均流。
2) 共用驱动电路通过IGBT驱动电路参数的合理设计和共用同一驱动电路，可以提高IGBT开关速度、减小器件参数分布性的影响，改善动态均流的效果。
3) 对称布局并联回路中所有的功率回路和驱动回路须保持最小回路漏感及严格的对称布局，模块应尽量靠近，并优化均衡散热，以提高并联IGBT的均流效果。
IGBT串联技术进展综述
IGBT串联技术进展综述摘要综述了IGBT串联技术的背景，技术难点及原因。
总结介绍了近年来国际上IGBT的主要串联技术其应用情况，并对比分析了各种技术的优缺点。
关键词IGBT；串联均压；主动控制0引言换流器大都使用绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作为开关器件。
由于器件的容量限制，在进行较大功率变换的场合，如灵活交流输电、高压固态开关、直流输电等需要采用一定的措施来提升装置的容量，常用的有多电平、移相变压器、级联技术、模块化多电平或者串联技术等。
1串联技术难点IGBT串联静态电压不平衡的主要原因是静态参数不一致，如饱和导通压降和断态漏电流差异。
动态电压不平衡主要原因是：驱动电路的时间延迟和驱动电流差异；IGBT器件导通和关断延迟时间差异；导通过程电压下降率和电路上升率差异；关断过程电压升率和电流下降率差异；线路杂散电感差异。
2IGBT串联技术2.1无源缓冲电路文献[1]采用了无源缓冲电路进行IGBT串联均压，该方法的显著特点就是简单，缺点就是增加了系统损耗，存在门极延迟时间。
文献[2]采用主动能量恢复的缓冲电路，用传统的感性导通、容性关断缓冲电路控制动态电压，有源电路将缓冲电路的能量恢复给直流母线，减小了损耗。
文献[3]文中用3300V/1200A IGBT串联，通过简单可靠的辅助电路，实现了器件均压。
同时与单个6500V IGBT模块做了比较。
在开关损耗、电压电流变化率方面有优势。
2.2主动控制技术主动控制的目的在于：1）减小di/dt和dv/dt，降低IGBT器件开关应力、降低EMI水平；2）降低开关损耗；3）降低导通时电流过冲值和关断时电压过冲值；4）减小导通和关断延迟时间。
文献[4]提出了主动门极控制技术可以根据预先设定的参考信号控制IGBT的开关特性，通过改变导通时的参考信号，二极管恢复特性可以优化。
总结IGBT串联均压的二种方法优缺点如下：1）无源缓冲电路：通过无源器件决定开关动态性能，是一种有效的均压方法，但会增加整体的功率损耗。
第3章IGBT串联不均压分析及措施研究 3
第3章IGBT串联不均压分析及措施研究3．1串联IGBT与单管IGBT的性能比较单管IGBT耐压等级的相对有限严重制约了其应用和发展，将多个同种IGBT 模块进行串联使用可以迅速满足装置的电压等级要求。
此外，多个低量级的IGBT串联应用较单管大功率的IGBT在开关动作时间、能量损耗以及工作频率等方面都有着较大的优势。
为了模拟实际应用中断路开关动作不同步的情形，又知当两路驱动信号的延迟小于300ns时，串联!GBT集射极两端不会出现明显的分压失衡现象，这是因为在这个时间段里，每一个IGBT都还没有达到完全饱和状态，故仿真中在两个串联IGBT间设定了一个500ns的延迟，即At=500ns，假定Gl的开通和关断均较G2晚500ns。
仿真实验中，Ud。
=900V，Lload=1 00uH，R3=R4=lO，L。
=1 uH。
文中应用了阻容二极管有源均压法来实现串联IGBT的均压过程，其他参数选取如示C1=100×C iec=100×60nF=6uF，取8uF：C=1/100×C1=C iec=60nF，取62nF：R1+R2<U ces/10I ces=60k故：R2=5940，文中取R2--5100，则有尺l=51kO。
为了能达到良好的均压效果，反馈电阻尺3的选值也比较关键。
可知，集电极电流I c一定时，反馈电阻R3与集射极过电压幅值有着密切的关系，图3．2给出了集射极过电压与反馈电阻的关系。
实际应用中，如果将IGBT的过压阈值设定在其额定电压的95％，则计算可知必须限定集射极过电压不超过120V，故而可以确定R3=2．350。
仿真过程中，文中涉及到的能量损耗包括IGBT及其反并联寄生二极管的开通损耗、通态损耗以及关断损耗。
波形曲线表明，在一定的集电极电流范围内，串联IGBT组合在能量损耗方面有着很明显的优异表现，其总体损耗更是展现出了巨大的优势。
仿真结果从理论上说明了将低量级的IGBT串联应用替代单管大功率的IGBT有着很广泛的应用前景，对大功率应用场合中的断路开关的选择具有二定的指导意义。
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２Ｉ １ ＧＢ － 本特性 帕基
２ １静 态特 性 。ＩＢ 的静 态特 性包 括伏 安特 性 、转移 特性 、通 态特 性 ． ＧＴ 以及 断态特 性 。 ＩＢ 的伏 安特 性 是指 以栅极 电压ＶＥ ＧＴ Ｇ 为参 变量 时 ，集 电极 电流 和集 射 电 的关 系 曲线 。 输 出集 电极 电流 受栅 极 电压 ＶＥ Ｇ 的控 制 ，Ｖ Ｅ 高 ， Ｉ越 Ｇ越 ｃ 大 。与Ｇ Ｒ Ｔ 的伏 安特 性相 似 ，也可分 为饱 和 区、放 大区和 击 穿区二 部分 。阻
茎Ａ Ｖ
－ Ｉ Ｔ串联 技术 探 析 ＧＢ
杨 素
甘肃 兰州 ７０ ２ ） ３ １ ４ （ 西北民族大学 Ｏ级 电气工程学院 ８
摘
要 ： Ｉ Ｂ 因其具有 高额 定电压 、电流 ，开关速度 快 ，易 于驱动等 优点 ，成 为低高 功率变 换应用 中的最佳选 择 。随 着 电力 电子技术 的发展 ，电压越来 越 ＧＴ
馈 回控制 电路 ，与给 定 的参考 信 号 比较 。控 制 电路 根据 比较 结 果输 出相应
ＩＢ 的转 移 特 性 是 指 输 出 集 电 极 电流 Ｉ与 栅 射 控 制 电 压Ｖ Ｅ ＧＴ Ｃ Ｇ 间的 关 系 曲线 。 它 与 Ｍ Ｓ Ｅ 的 转 移 特 性 相 同 ， 当 栅 射 电 压 Ｖ Ｅ ￣ 开 启 电 压 ＯＦＴ Ｇ ｄ十
Ｖ Ｅ （ ｈ 时 ， Ｉ Ｂ 处 十 关 断 状 态 。在 Ｉ Ｂ 导 通 后 的 漏 极 电流 范 围 内， Ｇ ｔ） ＧＴ ＧＴ
科 Ｈ 琳
ＩＢ 的结 构 剖 面 图如 下 图 ＧＴ 所示 。 由 图可 知 ，在Ｖ ＭＳ Ｄ Ｏ 中引 入 电 导 调制 结 构 ， 对 Ｎ区 的 导 ＋ 通 电 阻进 行 适 度 调制 ， 以降 低 通态 电 阻 ，提 高 了工 作 电流 密 度 ，打 破 了通 态 电 阻 的制 约 ， 使其 向高 电压方 向迈进 。 ＩＢ 是在 ＶＭ Ｓ ＧＴ Ｄ Ｏ 的栅 极侧 引入 一 个ＰＮ ，即在 适 当厚度 的Ｎ 层 —结 ＋
极 ，所 以 Ｉ Ｂ 也 为二端 四层 的 电力半 导体器 件 。 ＧＴ
４■ 极 主动 均压 策略 串联 ＩＢ 的栅极 信号 的延 迟是 引起 电压 失衡 的主 要原 因之 一 。同步变 ＧＴ 压器 控制 的 具体 思路 就是 将 串联 的ＩＢ 的栅 极通 过变 压 器相 互祸 合 ，这样 ＧＴ 的话 当某 一个 驱动 电路较 其他 驱动 电路 提前 发 出驱 动信 号 ，由十 同步 变压 器 的祸合 作用 ，在 其他 开 关器 件 的栅极 也会 产 生 同样 的驱动 电压 ，保 证所 有器 件同 时动作 。 此 方 法优 点 如下 ：① 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 ；② 控 制 电路及 ＩＢ损 耗较 小 ， 目一 ＧＴ 不会 影响开 关速度 。 缺 点：① 对 器件 参数 的 分散 性 等其 他原 因 引起 的分 压不 均 不起任 何
下增 添 一个 Ｐ 层 发射 极 ，形 成 十
负 载侧被 动缓 冲 电路 图 如 上 图所示 ，在 ＩＢ 上并 联一 个缓 冲 电路 ，可 以抑 制器 件端 电压 的变 ＧＴ 化率 ，从 而抑 制 开关 瞬间 的过 电压 ， 防止器 件 因过 电压 损坏 。 同时 ，缓冲 电路 可 以抑 制静 态 电压 失衡 。该 电路 结构简 单 ，易于 实现 。 该 电路 对 串联器 件 的动态 电压 分配 不均 的情 况有 一定 的改 善作用 ，但 不能 完全消 除这种 现象 。此 方法 电路结 构简 单 ，易于 实现 ： 可靠 性高 ，能够 有效 减小 电压 不平 衡 度 。但是 在 ＩＢ 本 身特 性 区别较 大 时会产 生 很大 的损 ＧＴ 耗： 缓冲 电路 上 的损 耗较 大 ，并 且影 响 ＩＢ 的开关 速度 ： ＧＴ 缓冲 电路 的兀 件 的
断状 态下 的Ｉ Ｂ ，正 向 电压 由Ｊ 结承担 ，反 向 电压 由Ｊ 结承 担 。 ＧＴ ： ｌ
作用 ，对 串联器 件参 数一致 性要 求较 高：② 同步变 压器 的参数 设计 比较麻 烦反 馈控制 。
反馈 控制 就是将 开 关器件 的端 电压 通过 反馈 网络 按一 定 比例 缩 小，反
高。如高压逆变器 、高压直流输 电系 统和柔性直流输 电系统。在这些应用 中， 电压通常高达 数十 千伏 ，不可 能使 用单个开关器件 实现 。因此有必要将开 关器件 串联 使用。
关键词： ＩＢ ：串联；动态均 压：反馈控制 ＧＴ 中图分类号 ：Ｔ Ｉ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ７ －７ ９ ２ １ ）０ １０ ２ ０ Ｍ ６ １ ５ ７（ ０ ０ ４ ０ ３ － １
电压和 大 电流特性 和Ｇ Ｒ Ｔ 的工 作频率 低 、驱动 电路功 率大 等不 足而 出现 的双
机 理 复合器 件 （叫 ｂｅ ｅｈｎ ｓ ｅ ｉｅ Ｄ １Ｍｃ ａ ｉｍ Ｄｖ ｃ ）。
扫
ａ Ｒ Ｃ穗缓 冲 电 路 ｂ Ｒ Ｄ 缓 冲 电 路 Ｃ
１Ｇ盯 的基 本结构 和工 作原 理 ｉ
０引曹
绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 （Ｉ ｓ ｌ ｔ ｄ ａ ｅ ｉｏ ａ ｒ ｎ ｉ ｔ ｒ ｎ ｏ ａ ｅ Ｇ ｔ Ｂ ｐ ｌ ｒ Ｔ ａ ｓ ｓ ｏ —
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ＩＢ ）， 是上 世纪 ８年 代初 为 解决Ｍ Ｓ Ｅ的 高 导通 电压 、难 以制 成 兼有 高 ＧＴ Ｏ Ｏ ＦＴ