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基于峰值控制的IGBT串联均压技术

作者:时间:2013-08-22来源:网络收藏

摘要:(IGBT)串联应用的关键技术是控制。技术是保证串联运行中每个IGBT的集射极电压都不超过安全极限的有效技术。在介绍IGBT工作特性的基础上,对串联IGBT关断过程不同动态时段内的控制目标进行了分析,为设计不带RC缓冲回路的方法提供了理论基础。综合各阶段控制要点,采用基于稳压管箝位的方法,在低压实验中实现了有效的串联均压,验证了理论分析的正确性。最后,针对该方法在高压应用时的缺点,提出了一种新的方法,并通过仿真验证了该方法均压控制的有效性。
关键词:;均压;峰值控制

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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/159275.htm

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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。

3 基于峰值控制的均压方法
IGBT均压最直接的目的就是保证串联运行中每个IGBT的uCE都不超过安全极限。所以,对电压峰值进行控制是很重要、有效的技术路线。峰值控制不关心uCE的中间变化轨迹,只有当uCE升至设定的电压水平时,均压控制才开始起作用。当所有串联IGBT的uCE峰值都被箝位在给定值之内,就实现了动态均压的目的。
3.1 稳压管箝位的峰值控制
通过上述对串联IGBT均压阶段特性的分析,综合各阶段均压控制的特点,采用基于稳压管箝位的峰值控制方法实现IGBT串联均压,均压电路如图2a所示。该方法将串联IGBT的关断过程进行优化,在T1阶段,使uCE具有两阶段电压变化率,如图2b所示。第1阶段电压变化率较快,以降低损耗:第2阶段电压变化率下降,以降低电压不均衡度,并为箝位电路赢得更多的响应时间。通过调节转折点和峰值箝位点的值,在IGBT关断过程的损耗与电压均衡度之间做出折中。在T2阶段,由拖尾电流的差异引起不均压,通过峰值箝位电路,向门极注入电流,改变uGE,使IGBT进入有源区,进而控制uCE电压,达到均压控制。在关断稳态时,均压支路还起到均压电阻的作用。

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