IGBT串联用的有源电压控制技术

3.3 IGBT开关损耗

IGBT的开关损耗是IGBT应用的重要指标。图11所示为有源电压控制下的单个IGBT关断的波形，其中的红色波形为电压与电流的乘积，即损耗功率。图11（a）的参考信号较慢，因此相应的损耗也较大，而图11（b）中的参考信号缩短了tRISE和tOFF的时间，也即增大了dVCE/dt，IGBT损耗也相应较小。

与传统的传统开关方式相比，图11（b）中的损耗主要是tRISE部分多出来的，而其损耗大小占关断的总损耗的比例并不大。事实上，采用有源电压控制法，使用者可以在IGBT的损耗和dVCE/dt等参数中选择平衡点，获得理想的性能。同时，由于有源电压控制法不需要缓冲电路来实现动态均压，又减小了一部分损耗。因此，采用合理的参考信号，有源电压控制法的损耗可以控制到与传统的传统开关方式相近的程度。即使是在特殊的情况下，需要较小的dVCE/dt，损耗的增加一般也不会超过50%。

（a）

（b）

图11 有源电压控制下单个IGBT开关波形及损耗：

（a）较慢参考信号；（b）：较快参考信号

（黄：参考信号，绿：VCE，紫：IC，红：损耗）

4 讨论

从以上实验结果可以看出，有源电压控制法在IGBT开通和关断过程中，可以有效的实现动态均压，两个串联的IGBT的集电极-发射极电压差别很小。同时，有源电压控制法也可以实现IGBT关断过程中过冲电压的有效箝位，使其不超过预先设定的箝位电压值，保证器件不会由于过压造成损坏。有源电压控制法还可以实现对电压变化率dVCE/dt的控制，这样可以根据系统的要求来设定相应的电压变化率参数，防止电压变化率过大对系统造成危害。

但是从波形和分析中我们也可以看到，由于有源电压控制法可以控制dVCE/dt，在需要较慢的dVCE/dt时，会增加开关损耗。对于此，我们可以通过优化参考波形来减小损耗。同时，由于有源电压控制法不需要缓冲电路来实现动态均压，又减小了一部分损耗。

另外，在相同工作条件下，工作在较高频率时，通过低耐压IGBT串联实现高电压所产生的开关损耗，要比使用单只高耐压IGBT所产生的开关损耗小，具体比较见表1。

进行比较的3种英飞凌IGBT分别为1700V/1200A的器件FZ1200R17KF6C，3300V/1200A的器件FZ1200R33KF2C以及6500V/600A的器件FZ600R65KF2 （英飞凌6500V的IGBT没有1200A的，因此只能采用两个600A IGBT并联实现1200A电流等级）。

表1中进行比较的3种方案分别是：4个1700V器件串联，2个3300V器件串联和2个6500V器件并联。数据完全来自于3个IGBT相应的手册。串、并联后的测试条件包括：

⑴ 电流IC=1200A；

⑵ 电压VCE=3600V；（每个1700V器件承受900V，每个3300V器件承受1800V，每个6500V器件承受3600V）；

⑶ 栅极电压VGE=±15V；

⑷ 温度TVJ=1250C；

⑸ 占空比50%。

表1中的数据计算公式见[附录]。

从表1中可以看出，随着IGBT的耐压的升高，开关损耗和导通损耗等相应增大。其中导通损耗增大的幅度相对不大，而开关损耗增大的幅度则相当大。1700V/1200A IGBT一个开关周期消耗的能量仅为0.81J，3300V/1200A IGBT一个开关周期消耗的能量增加为3.7J，而6500V/600A IGBT一个开关周期消耗的能量达到了9.4J。如果用两个6500V/600A IGBT并联，实现1200A的电流等级，则一个开关周期消耗的能量达到了18.8J。如此大的差距，在高频情况下，将产生极大的损耗差别。

通过串并联实现相同的电压、电流等级后，在开关频率为500Hz时，3种方式的损耗相近，其中3300V/1200A IGBT的损耗最小。随着频率的升高，高耐压IGBT的开关损耗越来越高。当工作频率为10kHz时，采用6500V IGBT方案的总损耗已达到191.18kW，而采用4个1.7kV IGBT串联的总损耗仅为39.84kW，相差4.8倍，而采用3300V IGBT的方案总损耗居中。

即使考虑到增加冗余量，通过使用5个1700V IGBT来实现一个6500V IGBT的应用，损耗仍然小很多，但是增加的冗余量，使得在有一个IGBT损坏的情况下，将其短路后，系统仍然能够正常工作。

而考虑到使用有源电压控制技术，基于控制dVCE/dt的考虑，而相比传统开关方式多甚至50%的损耗，采用多个低耐压IGBT串联的损耗仍然比使用高耐压IGBT要低很多。

除了损耗和冗余度的优势外，在价格方面采用串联低耐压IGBT的方案，也往往具有优势。并且低耐压IGBT由于需求量大，渠道畅通，供货周期也相对较短。