IGBT串聯用的有源電壓控制技術

1 引言

絕緣柵雙極晶體管IGBT自上世紀80年代問世以來，由于其輸入阻抗高、開關速度快、通態電壓低、阻斷電壓高、承受電流大的性能，在電力電子領域中得到了廣泛的應用。然而，由于半導體器件本身的材料和結構原因，IGBT目前的電壓等級最高是6.5kV，無法達到電力系統中很多場合的電壓等級（如10kV、35kV的電壓等級），限制了IGBT在高壓領域的應用。

采用IGBT器件直接串聯進而實現電壓等級的提升具有巨大的吸引力。然而，IGBT串聯技術有兩個難點必須要克服：第一是要保證控制信號的同步，并且必須在關斷后，各個信號之間的延遲在一個可以接受的范圍內；第二是要保證在開通和關斷過程中，電壓被平均的分配在各個器件上，各個器件上的電壓差別必須在一個合理的范圍之內，否則會造成某些器件被擊穿或者過早老化。

圖1列舉了幾種具有代表性的IGBT串聯方案，并根據其采用的方法進行了分類。

無源緩沖電路，一般是在IGBT器件的C、E兩端并聯緩沖電路[1, 2]。緩沖電路包括RC型、RCD型等。無源緩沖電路可以實現IGBT串聯的均壓，但是會降低IGBT的開關速度并且增大開關損耗，而且無源緩沖電路需要較多器件，參數較難設置，會降低系統的可靠性。

柵極控制的方法，可以分為同步控制和有源控制兩類。同步控制包括通過控制關斷點來實現電壓均衡的關斷點選擇法，以及通過同步控制實現均壓的電壓均衡法[3, 4]。但是，由于IGBT的負溫度系數特性，同步控制法有一定的局限性，因而在實際應用中并不多見。

有源控制法，通過對柵極進行注入電流或加減柵極控制電壓等方法來實現均壓，但是同時會帶來額外的功率損耗。本文介紹的有源電壓控制技術（Active Voltage Control，簡稱AVC），是通過引入集電極反饋來控制IGBT柵極電壓以實現串聯均壓。

圖1 IGBT串聯技術分類

2 有源電壓控制技術

IGBT有源電壓控制技術，由英國劍橋大學Patrick Palmer博士提出[5]。此技術通過在IGBT控制過程中引入多重閉環反饋，使IGBT開通和關斷過程中，集電極-發射極電壓VCE的軌跡始終跟隨預先設定的參考信號，從而實現高壓應用中IGBT器件直接串聯的同步工作和有效均壓。

如圖2所示，IGBT的集電極-發射極電壓VCE經過分壓電路分壓后再反饋回來，與預先設定好的參考信號進行比較，兩者的差值經過一定的電流放大，加在IGBT的柵極上，控制IGBT開通、關斷或工作在有源區，實現VCE電壓跟隨參考信號。

圖2 有源電壓控制技術示意圖

有源電壓控制技術中，可以控制的IGBT參數很多，包括集電極-發射極電壓VCE、集電極-發射極電壓變化率dVCE/dt、關斷箝位電壓VCLAMPING、IGBT

開通和關斷的時間等。通過合理的設定參考信號，既可以控制開通和關斷過程中絕緣器件的電壓過沖，防止絕緣器件由于過電壓而損壞，并減少高電壓變化率dVCE/dt和過電壓對絕緣系統的影響，大幅提高設備的可靠性和穩定性，又可以使同樣電壓等級的IGBT器件工作在更高的電壓，并在保障可靠性的前提下提高器件的利用率，省去常用的緩沖吸收電路，降低系統成本。更重要的是，有源電壓控制技術可以有效解決IGBT器件在中、高壓應用場合，直接串聯時的電壓VCE暫態均壓問題。由于串聯的每個IGBT器件的電壓VCE，在暫態過程中都跟隨合理設定的相同參考信號，每個IGBT器件的電壓VCE能夠有效保持在合理范圍內，達到理想的均壓效果。此方法也同樣適用于MOSFET等其它絕緣柵器件。

圖2所示的有源電壓控制技術，可以實現最基本的IGBT集電極-發射極電壓VCE跟隨參考信號。其具體實施方式為：用戶輸入驅動信號（一般為方波），可編程器件被驅動信號觸發，產生集電極-發射極參考信號VREF。IGBT的集電極-發射極電壓VCE經過分壓電路得到反饋電壓VFB。反饋電壓VFB與參考信號VREF在一個高速運算放大器中比較，所得的差值再經過電壓放大以及緩沖放大電路，通過柵極電阻RG加在IGBT的柵極上以驅動IGBT。其中，參考信號的設定尤為關鍵，針對不同IGBT和不同應用有所不同。圖3所示為其中一種參考信號的示意圖。

圖3 參考信號示意圖

如圖3所示，參考信號包括tRISE、tOFF、tFALL、tON四個階段。四個階段的時間長度和電壓大小的選擇都很重要。（VOFF -VRISE）/tOFF是設定的dVCE/dt，VOFF是設定的箝位電壓。tRISE+tOFF是關斷時間，tFALL+tON是開通時間。開通、關斷時間的長短影響著電壓VCE跟隨的精度，也影響開關損耗[6]。

為了增強反饋系統的穩定性及提高跟隨的精度，有源電壓控制技術可以引入多重閉環反饋。

如圖4所示的多重閉環負反饋有源電壓控制電路，與普通的有源電壓控制技術基本相同，但是增加了VGE反饋電路和dVCE/dt反饋電路。VGE反饋電路輸出與IGBT柵極-發射極電壓VGE形成一定比例關系的反饋電壓VFB2，dVCE/dt反饋電路輸出與IGBT集電極-發射極電壓變化率dVCE/dt形成一定比例關系的反饋電流IFB1。用戶輸入驅動信號產生集電極-發射極參考電壓VREF，與反饋電壓VFB1進行比較，再依次與反饋電壓VFB2和dVCE/dt反饋電流比較、疊加，由緩沖放大電路放大后，通過柵極電阻RG加在IGBT的柵極上驅動IGBT。