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]。此技术通过在IGBT控制过程中引入多重闭环反馈，使IGBT开通和关断过程中，集电极-发射极电压VCE的轨迹始终跟随预先设定的参考信号，从而实现高压应用中IGBT器件直接串联的同步工作和有效均压。

如图2所示，IGBT的集电极-发射极电压VCE经过分压电路分压后再反馈回来，与预先设定好的参考信号进行比较，两者的差值经过一定的电流放大，加在IGBT的栅极上，控制IGBT开通、关断或工作在有源区，实现VCE电压跟随参考信号。

图2 有源电压控制技术示意图

有源电压控制技术中，可以控制的IGBT参数很多，包括集电极-发射极电压VCE、集电极-发射极电压变化率dVCE/dt、关断箝位电压VCLAMPING、IGBT

开通和关断的时间等。通过合理的设定参考信号，既可以控制开通和关断过程中绝缘器件的电压过冲，防止绝缘器件由于过电压而损坏，并减少高电压变化率dVCE/dt和过电压对绝缘系统的影响，大幅提高设备的可靠性和稳定性，又可以使同样电压等级的IGBT器件工作在更高的电压，并在保障可靠性的前提下提高器件的利用率，省去常用的缓冲吸收电路，降低系统成本。更重要的是，有源电压控制技术可以有效解决IGBT器件在中、高压应用场合，直接串联时的电压VCE暂态均压问题。由于串联的每个IGBT器件的电压VCE，在暂态过程中都跟随合理设定的相同参考信号，每个IGBT器件的电压VCE能够有效保持在合理范围内，达到理想的均压效果。此方法也同样适用于MOSFET等其它绝缘栅器件。

图2所示的有源电压控制技术，可以实现最基本的IGBT集电极-发射极电压VCE跟随参考信号。其具体实施方式为：用户输入驱动信号（一般为方波），可编程器件被驱动信号触发，产生集电极-发射极参考信号VREF。IGBT的集电极-发射极电压VCE经过分压电路得到反馈电压VFB。反馈电压VFB与参考信号VREF在一个高速运算放大器中比较，所得的差值再经过电压放大以及缓冲放大电路，通过栅极电阻RG加在IGBT的栅极上以驱动IGBT。其中，参考信号的设定尤为关键，针对不同IGBT和不同应用有所不同。图3所示为其中一种参考信号的示意图。

图3 参考信号示意图

如图3所示，参考信号包括tRISE、tOFF、tFALL、tON四个阶段。四个阶段的时间长度和电压大小的选择都很重要。（VOFF -VRISE）/tOFF是设定的dVCE/dt，VOFF是设定的箝位电压。tRISE+tOFF是关断时间，tFALL+tON是开通时间。开通、关断时间的长短影响着电压VCE跟随的精度，也影响开关损耗[6]。

为了增强反馈系统的稳定性及提高跟随的精度，有源电压控制技术可以引入多重闭环反馈。

如图4所示的多重闭环负反馈有源电压控制电路，与普通的有源电压控制技术基本相同，但是增加了VGE反馈电路和dVCE/dt反馈电路。VGE反馈电路输出与IGBT栅极-发射极电压VGE形成一定比例关系的反馈电压VFB2，dVCE/dt反馈电路输出与IGBT集电极-发射极电压变化率dVCE/dt形成一定比例关系的反馈电流IFB1。用户输入驱动信号产生集电极-发射极参考电压VREF，与反馈电压VFB1进行比较，再依次与反馈电压VFB2和dVCE/dt反馈电流比较、叠加，由缓冲放大电路放大后，通过栅极电阻RG加在IGBT的栅极上驱动IGBT。