基(ji)於驅動信(xin)號同(tong)步(bu)的(de)串聯(lian)IGBT動態(tai)均(jun)壓電路設計(ji)

 絕緣柵雙晶體(ti)管IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor)綜合(he)了(le)GTR和MOSFET的(de)優點(dian)，具(ju)有(you)通流能力強(qiang)、開關速(su)度(du)快、輸(shu)入(ru)阻抗(kang)、熱(re)穩定(ding)好和驅動簡(jian)單的(de)優點(dian)，作為(wei)半導(dao)體(ti)電力開(kai)關具(ju)有(you)明顯的(de)優勢。目(mu)前(qian)，IGBT的(de)耐(nai)壓等達到幾(ji)十(shi)千伏(fu)，但(dan)因(yin)其價格昂(ang)貴(gui)，了(le)單個(ge)IGBT在(zai)大功率電壓場合的(de)應用(yong)。文獻(xian)將耐(nai)壓等低(di)的(de)多個(ge)IGBT串(chuan)聯(lian)使(shi)用(yong)，不(bu)提(ti)了(le)功率變(bian)換(huan)器的(de)電壓等，降低(di)了(le)成(cheng)本，而(er)且(qie)減(jian)小(xiao)了(le)開關損(sun)耗(hao)。
  然(ran)而(er)，在(zai)IGBT串聯(lian)使(shi)用(yong)中(zhong)存在(zai)的(de)主要(yao)問題是(shi)驅動信(xin)號不(bu)同(tong)步(bu)引起(qi)串(chuan)入(ru)的(de)IGBT集(ji)射(she)電壓不均衡(heng)問題，嚴(yan)重(zhong)時會(hui)造(zao)成(cheng)某個(ge)器件(jian)上出(chu)現過電壓而(er)損(sun)壞(huai)。為(wei)了(le)IGBT在(zai)開關狀態(tai)改(gai)變(bian)的(de)瞬態(tai)和其進入(ru)穩定(ding)工(gong)作狀態(tai)後(hou)合理的(de)電壓均衡(heng)，學者(zhe)提出(chu)大量(liang)的(de)靜態(tai)和動態(tai)電壓均衡(heng)措(cuo)施(shi)。靜態(tai)電壓均衡(heng)可以通過每(mei)個(ge)器件(jian)兩(liang)端並聯(lian)個(ge)均(jun)壓電阻來實現(xian)。而(er)動態(tai)電壓均衡(heng)是(shi)IGBT串聯(lian)均壓研(yan)究(jiu)的(de)難點(dian)。為此(ci)，外提(ti)出(chu)了(le)很(hen)多動態(tai)均(jun)壓電路: 無源(yuan)緩(huan)沖(chong)電路、端電壓鉗位電路、柵電壓、柵電流和柵驅動信(xin)號延時調整(zheng)。
  使(shi)用(yong)同(tong)步(bu)變(bian)壓器將驅動同(tong)步(bu)的(de)方(fang)法具(ju)有(you)良好的(de)均壓效(xiao)果(guo)，並且沒有影響(xiang)IGBT的(de)。但由於同步(bu)變(bian)壓器的(de)設計(ji)的(de)局限(xian)，很(hen)難使(shi)得(de)驅動信(xin)號同(tong)步(bu)，出(chu)現了(le)的(de)電壓不均衡(heng)現象(xiang)，隨著(zhe)器件(jian)承受電壓的(de)增加(jia)，電壓不均衡(heng)加(jia)劇(ju)，嚴(yan)重(zhong)時同(tong)樣(yang)會造(zao)成(cheng)器件(jian)因(yin)過電壓而(er)損(sun)壞(huai)。因(yin)此(ci)，文(wen)本結合同步(bu)變(bian)壓器均壓電路和端電壓鉗位均壓電路的(de)優點(dian)，提出(chu)種基(ji)於驅動信(xin)號
同(tong)步(bu)的(de)動態(tai)均(jun)壓電路，並基(ji)於該方(fang)法進行(xing)了(le)仿真(zhen)研(yan)究(jiu)。
 
  1. 串(chuan)聯(lian)IGBT的(de)動態(tai)均(jun)壓
  1.1 基(ji)於驅動信(xin)號同(tong)步(bu)的(de)均壓電路工(gong)作原(yuan)理(li)
  為了(le)實現(xian)串聯(lian)IGBT動態(tai)均(jun)壓，引入(ru)圖(tu)1 所(suo)示的(de)同步(bu)變(bian)壓器，將驅動信(xin)號相互(hu)耦合在(zai)個(ge)磁芯(xin)上實現(xian)驅動同(tong)步(bu)。圖(tu)中(zhong)T是(shi)同步(bu)變(bian)壓器，兩(liang)個(ge)繞(rao)組(zu)變(bian)比為1：1，這個(ge)變(bian)壓器連接在(zai)驅動單元GDU₁、GDU₂和Q₁、Q₂之間(jian)，將兩(liang)路驅動信(xin)號耦合。

圖(tu)1 基(ji)於驅動信(xin)號同(tong)步(bu)的(de)串聯(lian)IGBT均壓電路

 
  假設驅動信(xin)號GDU₁要(yao)快於GDU₂，用ΔT 表(biao)示驅動信(xin)號之間(jian)的(de)時間(jian)差(cha)。開通(tong)時，若(ruo)無均(jun)壓電路，Q₁先(xian)於Q₂開通(tong)，則(ze)在(zai)ΔT 時間(jian)內，Q₂仍然(ran)處(chu)於關斷(duan)狀態(tai)，電源(yuan)電壓VDC加(jia)在(zai)Q₂上，出(chu)現電壓不均衡(heng)現象(xiang)。關斷(duan)時，Q₁先(xian)關斷(duan)，電源(yuan)電壓VDC加(jia)在(zai)Q₁上，出(chu)現電壓不均衡(heng)現象(xiang)。
  引入(ru)同步(bu)變(bian)壓器後，Q₁導通時，同(tong)步(bu)變(bian)壓器次側(ce)感(gan)應出(chu)電壓VT₁，由於磁耦合作用(yong)，則(ze)在(zai)另(ling)次(ci)也產生(sheng)相應(ying)的(de)感應(ying)電壓VT₂，這就相當(dang)於GDU₁同時向兩(liang)個(ge)IGBT發(fa)送(song)驅動信(xin)號，從(cong)而(er)使(shi)兩(liang)個(ge)IGBT開(kai)關動作(zuo)致(zhi)。Q₁關斷(duan)時，同(tong)理(li)可知(zhi)。
  然(ran)而(er)，由於IGBT柵射(she)間(jian)電容的(de)非線(xian)，設計出(chu)耦合驅動信(xin)號的(de)同步(bu)變(bian)壓器十(shi)分困難，這樣勢必會影響(xiang)均壓效(xiao)果(guo)。器件(jian)在(zai)關斷(duan)前(qian)不(bu)受靜態(tai)均(jun)壓電阻的(de)影響(xiang)，因(yin)此(ci)關斷(duan)瞬態(tai)的(de)電壓不均比開(kai)通(tong)瞬態(tai)的(de)電壓不均明顯(xian)。為(wei)了(le)防(fang)止關斷(duan)瞬間(jian)二(er)次電壓不均引起(qi)的(de)過電壓，引入(ru)圖(tu)1所(suo)示的(de)由快恢(hui)復(fu)二(er)管和齊(qi)納二(er)管組(zu)成(cheng)的(de)端電壓鉗位電路。快恢(hui)復(fu)二(er)管了(le)電流單向流動，齊(qi)納二(er)管決(jue)定(ding)了(le)鉗位(wei)的(de)啟(qi)動閾(yu)值(zhi)。當(dang)器件(jian)集(ji)射(she)電壓過齊(qi)納二(er)管的(de)閾(yu)值(zhi)，反饋電流流(liu)過(guo)快恢(hui)復(fu)二(er)管和齊(qi)納二(er)管，註(zhu)入(ru)柵，使(shi)得(de)集(ji)射(she)電壓被鉗位(wei)於某閾(yu)值(zhi)。可以說，端電壓鉗位電路改善(shan)了(le)同步(bu)變(bian)壓器的(de)均壓效(xiao)果(guo)，增加(jia)了(le)串聯(lian)IGBT的(de)。
 
  1.2 同步(bu)變(bian)壓器的(de)設計(ji)
  為了(le)達到良好的(de)動態(tai)均(jun)壓效(xiao)果(guo)，同步(bu)變(bian)壓器中(zhong)激磁電感和漏(lou)感的(de)選(xuan)擇(ze)十(shi)分重(zhong)要。Q₁導(dao)通而(er)Q₂關斷(duan)的(de)ΔT_on時間(jian)內，圖(tu)1的(de)等效(xiao)電路如圖(tu)2所(suo)示。

 
Lm——同(tong)步(bu)變(bian)壓器激磁電感;
L_s1、L_s2——同(tong)步(bu)變(bian)壓器漏(lou)感;
i_m——激磁電感上流過(guo)的(de)電流;
i_g——驅動電源(yuan)輸(shu)出(chu)電流;
R_g——柵(zha)電阻;
C_ies1、C_ies2——柵射(she)輸(shu)入(ru)電容( Q₁、Q₂) ;
V_F、V_R——驅動電壓(正偏壓、負偏壓) 。
圖(tu)2 等(deng)效(xiao)電路圖(tu)

 
  (1) 激磁電感L_m的(de)計算(suan)
  i_g+ i_m和i_g分別向柵射(she)輸(shu)入(ru)電容C_ies1和C_ies2充電。假設(she)C_ies1和C_ies2都與(yu)C_ies相等(deng)，則(ze)Q₁、Q₂驅動電壓V_g1、V_g2之間(jian)的(de)電壓差(cha)ΔV_g，即是(shi)i_m在(zai)ΔT_on時間(jian)內造(zao)成(cheng)柵射(she)輸(shu)入(ru)電容C_ies1和C_ies2之間(jian)的(de)電壓差(cha):

  其中(zhong)，ΔQ_m是(shi)在(zai)ΔT_on時間(jian)內向C_ies1充電的(de)電荷量(liang)，i_mp是(shi)i_m的(de)zui大值(zhi)，V_T1是(shi)同步(bu)變(bian)壓器次側(ce)的(de)感應(ying)電壓。
                   
  在(zai)時間(jian)ΔT_on內，V_T≈V，V為驅動電源(yuan)電壓。假定(ding)ΔV_g≤V/100，得(de)同(tong)步(bu)變(bian)壓器激磁電感L_m的(de)設計(ji)指(zhi)標為(wei):

 
  (2) 漏(lou)感Ls的(de)計算(suan)
在(zai)ΔT_on時間(jian)之後(hou)，Q₂驅動信(xin)號由VR翻轉為VF，這時Q₁、Q₂都導通(tong)，柵(zha)射(she)間(jian)輸(shu)入(ru)電容C_ies1、C_ies2上的(de)電壓分別由其驅動電路的(de)電流i_g1、i_g2決(jue)定(ding)，驅動電路對稱(cheng)，i_g1= i_g2，VT₁=VT₂= 0。漏(lou)感L_s1、L_s2為驅動線(xian)路的(de)寄(ji)生(sheng)電感，由於等效(xiao)電路呈(cheng)容，會(hui)引(yin)起(qi)電路振蕩(dang)，為防(fang)止IGBT柵(zha)射(she)出(chu)現過電壓而(er)擊(ji)穿，要求驅動電路的(de)品質因(yin)數(shu):

  2. 仿真(zhen)驗(yan)證
  為驗(yan)證上述均(jun)壓電路的(de)，利用(yong)Saber仿真(zhen)軟(ruan)件(jian)建(jian)立(li)IGBT串聯(lian)動態(tai)均(jun)壓的(de)仿真(zhen)電路。本仿真(zhen)中(zhong)采用(yong)2個(ge)IGBT的(de)型(xing)號(hao)為(wei)IRG4BC30K，其zui大(da)集(ji)射(she)間(jian)電壓V_ces為600V，輸(shu)入(ru)電容C_ies為(wei)920 pF。柵(zha)驅動電阻R_g為50Ω; 均壓電阻R₁、R₂為240kΩ; 兩(liang)路驅動信(xin)號頻率fs為(wei)10 kHz; 占空比(bi)D為0.4; 輸(shu)出(chu)電流I_out為(wei)10 A。假(jia)設(she)驅動信(xin)號GDU₁、GDU₂相差(cha)200ns; 由式(7)、(10)選(xuan)擇(ze)同步(bu)變(bian)壓器激磁電感Lm為(wei)2200μH，漏(lou)感L_s1、L_s2為1μH。
  下(xia)面具(ju)體(ti)仿真(zhen)分析以下(xia)4種情(qing)況下(xia)，Q₁、Q₂開通(tong)與(yu)關斷(duan)的(de)動態(tai)均(jun)壓情(qing)況。
  ( 1) 電源(yuan)電壓600V，無動態(tai)均(jun)壓電路情(qing)況
  圖(tu)3 為(wei)GDU₁比(bi)GDU₂延遲(chi)200ns 開通(tong)時，Q₁、Q₂的(de)驅動電流和開通瞬間(jian)的(de)波形(xing)。圖(tu)3可知(zhi)，Q₁先(xian)於Q₂開通(tong)200 ns，先(xian)開通(tong)的(de)Q₁集(ji)射(she)電壓V_ce1迅速由額(e)定(ding)電壓下(xia)降為(wei)飽和壓降，此(ci)時Q₂還(hai)處(chu)於關斷(duan)狀態(tai)，Q₂集(ji)射(she)電壓V_ce2迅速由額(e)定(ding)電壓上升為電源(yuan)電壓，易(yi)造(zao)成(cheng)Q₂因(yin)過電壓而(er)損(sun)壞(huai)。

圖(tu)3 無(wu)均(jun)壓電路時Q₁、Q₂的(de)開通(tong)驅動電流和集(ji)射(she)電壓 

 
  圖(tu)4為(wei)GDU₁比(bi)GDU₂延遲(chi)200ns 關斷(duan)時，Q₁、Q₂的(de)驅動電流和關斷(duan)瞬間(jian)的(de)波形(xing)。由圖(tu)4可知(zhi)，Q₁先(xian)於Q₂關斷(duan)200ns，先(xian)關斷(duan)的(de)Q₁集(ji)射(she)電壓V_ce1迅速由飽和壓降上升為電源(yuan)電壓，易(yi)造(zao)成(cheng)Q₁因(yin)過電壓而(er)損(sun)壞(huai)。

圖(tu)4 無(wu)均(jun)壓電路時Q₁、Q₂的(de)關斷(duan)驅動電流和集(ji)射(she)電壓

 
  (2)電源(yuan)電壓600V，帶同步(bu)變(bian)壓器的(de)動態(tai)均(jun)壓電路情(qing)況
  圖(tu)5 為(wei)GDU₂比(bi)GDU₁延遲(chi)200ns 開通(tong)時，Q₁、Q₂的(de)驅動電流和開通瞬間(jian)的(de)波形(xing)。加(jia)入(ru)同步(bu)變(bian)壓器後，雖然(ran)GDU₂比GDU₁延遲(chi)200ns 開通(tong)，但由圖(tu)5可知(zhi)，同步(bu)變(bian)壓器將Q₁、Q₂的(de)驅動信(xin)號耦合在(zai)起(qi)，使(shi)i_g1、i_g2保(bao)持同步(bu)，從而(er)Q₁、Q₂在(zai)開通瞬間(jian)電壓均衡(heng)，使(shi)器件(jian)處(chu)於工(gong)作區。

圖(tu)5 帶(dai)同(tong)步(bu)變(bian)壓器時Q₁、Q₂的(de)開通(tong)驅動電流和集(ji)射(she)電壓

 
  圖(tu)6 為(wei)GDU₂比(bi)GDU₁延遲(chi)200 ns 關斷(duan)時，Q₁、Q₂的(de)驅動電流和關斷(duan)瞬間(jian)的(de)波形(xing)。加(jia)入(ru)同步(bu)變(bian)壓器後，雖然(ran)GDU₂比GDU₁延遲(chi)200 ns 關斷(duan)，但(dan)由圖(tu)6可知(zhi)，同步(bu)變(bian)壓器將Q₁、Q₂的(de)驅動信(xin)號耦合在(zai)起(qi)，使(shi)i_g1、i_g2保(bao)持同步(bu)。由於IGBT柵射(she)間(jian)電容的(de)非線(xian)，同步(bu)變(bian)壓器保持驅動信(xin)號的(de)同步(bu)卻很(hen)困難(nan)。特別是(shi)在(zai)關斷(duan)瞬間(jian)，Q₁、Q₂在(zai)關斷(duan)瞬間(jian)出(chu)現輕微的(de)電壓不均衡(heng)，其集(ji)射(she)電壓V_ce1為330V，zui大集(ji)射(she)電壓為靜態(tai)均(jun)壓值的(de)10 %，此(ci)時器件(jian)仍(reng)處(chu)於工(gong)作區。

圖(tu)6 帶(dai)同(tong)步(bu)變(bian)壓器時Q₁、Q₂的(de)關斷(duan)驅動電流和集(ji)射(she)電壓

 
  (3)電源(yuan)電壓800V，帶同步(bu)變(bian)壓器的(de)動態(tai)均(jun)壓電路情(qing)況
  圖(tu)7為(wei)GDU₂比(bi)GDU₁延遲(chi)200 ns 開通(tong)和關斷(duan)時，Q₁、Q₂的(de)驅動電流和開關瞬間(jian)的(de)波形(xing)。由圖(tu)7可知(zhi)，同步(bu)變(bian)壓器將Q₁、Q₂的(de)驅動信(xin)號耦合在(zai)起(qi)，使(shi)i_g1、i_g2保(bao)持同步(bu)，達到的(de)均壓效(xiao)果(guo)。但隨著(zhe)器件(jian)所(suo)承受電壓的(de)增大，在(zai)電源(yuan)電壓為800V 情(qing)況下(xia)，輕微的(de)驅動信(xin)號不(bu)同(tong)步(bu)卻使(shi)Q₁在(zai)關斷(duan)瞬間(jian)，其集(ji)射(she)電壓V_ce1600V，zui大集(ji)射(she)電壓為靜態(tai)均(jun)壓值的(de)5，此(ci)時則(ze)很(hen)難器件(jian)處(chu)於工(gong)作區。

圖(tu)7 帶(dai)同(tong)步(bu)變(bian)壓器時Q₁、Q₂的(de)開關瞬態(tai)的(de)驅動電流和集(ji)射(she)電壓

 
  (4)電源(yuan)電壓800V，鉗位電壓440V，帶同步(bu)變(bian)壓器和端電壓鉗位動態(tai)均(jun)壓電路情(qing)況
  圖(tu)8為(wei)GDU₂比(bi)GDU₁延遲(chi)200ns開通(tong)和關斷(duan)時，Q₁、Q₂的(de)驅動電流和開關瞬間(jian)的(de)波形(xing)。由圖(tu)8可知(zhi)，同步(bu)變(bian)壓器將Q₁、Q₂的(de)驅動信(xin)號耦合在(zai)起(qi)，使(shi)i_g1、i_g2保(bao)持同步(bu)。在(zai)關斷(duan)瞬間(jian)，驅動電流i_g1突(tu)然(ran)升並降低(di)，這是(shi)由於此(ci)時Q₁集(ji)射(she)電壓過齊(qi)納二(er)管的(de)閾(yu)值(zhi)，反饋電流流(liu)過(guo)快恢(hui)復(fu)二(er)管和齊(qi)納二(er)管，註(zhu)入(ru)柵，使(shi)得(de)集(ji)射(she)電壓被鉗位(wei)於440V，zui大集(ji)射(she)電壓為靜態(tai)均(jun)壓值的(de)1，使(shi)得(de)Q₁、Q₂處(chu)於工(gong)作區。

圖(tu)8 帶(dai)同(tong)步(bu)變(bian)壓器時和端電壓鉗位電路時Q₁、Q₂

 
  3. 結束語
  本文在(zai)研(yan)究(jiu)和分析外IGBT串(chuan)聯(lian)動態(tai)均(jun)壓的(de)基(ji)礎上，采用(yong)將驅動信(xin)號同(tong)步(bu)和端電壓鉗位結合(he)的(de)均壓電路，通過(guo)仿真(zhen)驗(yan)證了(le)基(ji)於驅動信(xin)號同(tong)步(bu)的(de)均壓電路在(zai)IGBT串聯(lian)電路中(zhong)能地使(shi)IGBT電壓均衡(heng)。同步(bu)變(bian)壓器將驅動信(xin)號同(tong)步(bu)，其響(xiang)應速度(du)快，端(duan)電壓鉗位電路能夠使(shi)開(kai)關瞬態(tai)的(de)過電壓≤10 %，防(fang)止了(le)過電壓的(de)發(fa)生(sheng)，降(jiang)低(di)了(le)串聯(lian)IGBT的(de)電壓不均衡(heng)。故(gu)該方(fang)法能夠很(hen)好地使(shi)串(chuan)入(ru)電路的(de)IGBT均壓。