IGBT串联均压电路的仿真研究

祁美华，徐善伟，侯姗，3

(1.晋中职业技术学院，山西 晋中 030600;2.太原理工大学，山西 太原 030024;3.中北大学，山西 太原 030051)

1 引言

高压大功率线路中，要求功率器件具有较高的耐压值，单一器件往往很难满足这一要求。利用功率器件串联均压可以简单有效地解决这一问题。它不仅保证了功率器件的变换效率，减小系统尺寸，还拓宽了器件的应用领域。例如晶闸管和门极可关断晶闸管器件的串联形式已被应用于高压直流电路和高压逆变器等设备中。然而，晶闸管等传统器件存在功率损耗大和开关速度慢等缺点，导致了它们无法在日益受到重视的PWM变流装置中得到应用。IGBT是20世纪80年代初出现的一种新型半导体功率器件，它不仅具有电压控制输入特性、低阻通态输出特性，还具有高输入阻抗、电压驱动、无二次击穿和安全工作区宽等优点，可以在众多领域替代电力晶体管GTR和功率MOSFET等器件。同时，由于它的结构特性，决定了它具有高速开关的能力，可以满足PWM变流技术的要求。应用IGBT的PWM变流器具有如下特点:(1)较高的系统工作频率;(2)电路结构更紧凑;(3)缓冲电路的功率损耗减小;(4)驱动电路简单。

然而，IGBT耐压值低这一缺点，限制了它在需求日益增多的高压设备中的应用，尽管一些厂家研制了高压IGBT，但其只能在一定程度上解决耐高压的问题，应用范围有限。IGBT串联使用是一种较为有效的提高耐压的方法。理论上，在IGBT器件参数触发时间相同的情况下，根据相应的耐压值，可以将任意多的器件进行串联使用以满足实际需要，而且同为提高耐压的方法，器件直接串联所构成的变流电路远比多重化和多电平等方法简单。然而，由于结构的特殊性以及触发装置的误差，实际应用中串联器件之间会产生动态电压不均的问题，将有可能导致过电压，进而大大影响器件的使用寿命和电路的工作效率，以致损坏设备，造成经济损失。通过IGBT串联来实行均压的目的是为了保证在关断瞬间使每个IGBT的过电压保持均衡，这就要求控制电路具有快速的响应能力，不允许产生更多的损耗和降低系统的开关频率;同时要求在工程上是经济有效的。因此，设计有效的动态均压控制电路十分必要。本文针对IGBT串联使用中的动态过压问题进行了分析，设计了一种有源缓冲均压电路，并通过MATLAB/SIMULINK进行了建模仿真。仿真结果表明，此电路具有很好的可行性。

2 串联IGBT过电压失衡原因分析

串联IGBT门极信号的延迟是引起端电压失衡的原因之一。门极信号延迟不同会造成开通过程中后导通的器件上产生电压尖峰。驱动信号的提前关断也会造成其他的功率器件器件过电压，而且会引起静态电压不均衡。如果这些信号的延迟或提前能限制在0.3μs以内，就不会引起严重的过电压失衡问题。所以必须优化设计门极驱动电路，将其信号延迟控制在0.1μs以内，才防止产生严重的过压问题。

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吸收电路的特性不一致。对于不同的IGBT，其引线电感不一样，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du/dt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IGBT的du/dt也会有所不同。由于吸收电容的作用，在门信号延时的情况下，电容容量的不同会产生严重的电压尖峰。因此，如果IGBT被串联于高压的条件下，就会在最小的吸收电容的IGBT两端产生严重的过电压。

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，运用MATLAB/SIMULINK进行了几种相关因素引起过电压失衡的仿真实验，波形如图2所示。图2中，(a)和(c)波形为同一桥臂两串联IGBT两端的电压波形，(b)和(d)分别为其触发信号波形。

图1 过电压失衡电路仿真模块图

图2 过电压失衡实验电路仿真波形图

分别选用不同容量的吸收电容和不同延时的门极驱动信号来观察不同情形下开关器件的过压失衡特性。

(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，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du/dt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IGBT两端在开通瞬间会产生电压尖峰。

(3)门极驱动关断延时的影响:关断的延迟会引起在先关断器件的两端产生很高的过电压，无论是在瞬态还是在稳态，电压均会不平衡。

3 IGBT端电压过冲均衡措施

针对IGBT串联使用中的动态过压问题，本文设计了一种有源缓冲均压电路，如图3所示。

图3 有源缓冲均压电路

两串联的IGBT在门极驱动开通延时这一过程中，主电路直流高电压直接加在开通延时的门极信号所驱动的IGBT两端，若没有缓冲电路此时便会产生一个很高的电压尖峰。加上如图3所示的有源缓冲电路之后，在给电容充电的过程中，VM通过检测其两端电压并使之与Relay中设置的电压上下限进行比较，以达到高于上限电压时驱动图3中IGBT开通使电容能通过它形成放电回路，直到电容两端电压降低到Relay中设置的电压下限即缓冲电路中右端的直流电压源的电压值时，使IGBT关断，电容电压箝位在这一值，电容不断的充放电直到均压电路连接的IGBT开通，从而达到IGBT串联均压的目的。

在门极驱动关断延时过程中，加在首先关断器件两端的有源缓冲均压电路发挥作用，工作原理与门极驱动开通延时过程中相同。

4 MATLAB仿真结果

在MATLAB/SIMULINK中建立如图4所示的仿真模型，其中subsystem模块内为如图4所示电路。IGBT1、IGBT2的门极驱动电压分别与 IGBT3、IGBT4的门极驱动电压信号互补且死区时间设置为2μs，得出的仿真波形如图5所示。

图4 IGBT串联均压电路

图5 IGBT1、IGBT2两端的电压波形

5 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。本文设计的有源缓冲均压电路，原理简单并通过MATLAB/SIMULINK进行了仿真研究，仿真结果验证了所设计电路的可行性。

［1］王兆安.黄俊.电力电子技术［M］.4版.北京：机械工业出版社，2003.

［2］刘卫国.MATLAB程序设计教程［M］.北京：中国水利水电出版社.

［3］姚俊，马松辉.基于MATLAB6.xSimulink建模与仿真［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2002.

［4］李勇，邵诚.IGBT串联应用中动态过压的控制［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2006.

［5］查申森，郑建勇，苏麟，等.基于IGBT串联运行的动态均压研究［J］.电力自动化设备，2005.

［6］熊承义，孙奉娄.IGBT串联运行时的动态均压［J］.中南民族学院学报(自然科学版)，2000.

［7］付志红，苏向丰，周雒维.功率器件IGBT串联的移相控制技术［J］.重庆大学学报，2003，26(2)：113-116.

［8］李恩玲，周如培.IGBT的发展现状及应用［J］.半导体杂志，1998(9)：22-24.

［9］丁道宏.电力电子技术［M］.北京：航空工业出版社，1995：1-3，163-168.

［10］付志红，苏向丰，周雒维.功率器件IGBT串联的移相控制技术［J］.重庆大学学报，2003，26(2)：