目前单管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的耐压能力还不足以满足高电压大功率整流器、逆变器、柔性输电等场合的需求。IGBT的串联使用是一种提高耐压能力的有效方法,解决均压问题则是实现IGBT串联应用的关键。本文详细分析了IGBT动态关断过程,并结合关断过程对栅极驱动信号延时导致的串联不均压机理进行了分析,在此基础上提出了一种基于栅极控制的IGBT串联动态均压控制方法,通过延长密勒平台和抑制集射电压斜率实现串联动态均压,并给出了该方法的电路结构和工作原理。在MATLAB/SIMULINK平台仿真验证了该方法的有效性和可行性。 At present, the voltage withstanding capacity of single insulated gate bipolar transistor (IGBT) is not enough to meet the needs of high voltage and high power rectifier, inverters, flexible trans-mission and other occasions. Series use of IGBT is an effective way to improve the voltage with-standing ability. Solving the problem of voltage equalization is the key to realize series application of IGBT. In this paper, the dynamic switching process of IGBT is analyzed in detail, and the mecha-nism of series unbalanced voltage caused by the delay of gate driving signal is analyzed. Based on this, a grid-controlled IGBT series dynamic voltage balancing control method is proposed. The dynamic voltage balancing in series is realized by extending Miller platform and suppressing the slope of collector voltage. The circuit structure and the working principle are given. The simulation on MATLAB/SIMULINK platform verifies the validity and feasibility of this method.
罗阳静宜,黄少锋,李轶凡,黄 罡
华北电力大学电气与电子工程学院,北京
收稿日期:2019年7月22日;录用日期:2019年8月6日;发布日期:2019年8月13日
目前单管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的耐压能力还不足以满足高电压大功率整流器、逆变器、柔性输电等场合的需求。IGBT的串联使用是一种提高耐压能力的有效方法,解决均压问题则是实现IGBT串联应用的关键。本文详细分析了IGBT动态关断过程,并结合关断过程对栅极驱动信号延时导致的串联不均压机理进行了分析,在此基础上提出了一种基于栅极控制的IGBT串联动态均压控制方法,通过延长密勒平台和抑制集射电压斜率实现串联动态均压,并给出了该方法的电路结构和工作原理。在MATLAB/SIMULINK平台仿真验证了该方法的有效性和可行性。
关键词 :IGBT,动态均压,密勒平台,串联
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目前,单管IGBT的耐压能力还不足以满足高电压大功率整流器、逆变器、柔性输电等场合的需求。IGBT串联使用是一种提高耐压能力的有效方法 [
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在此背景下,本文提出了一种基于栅极控制的IGBT串联动态均压方法,通过延长密勒平台、降低集射极电压斜率提高串联IGBT动态电压一致性。较于文献 [
IGBT串联使用过程中,栅极驱动信号延时导致的不均压问题涉及导通和关断两个动态过程。由于不均压机理相似,所以限于篇幅,本文以关断过程为主进行分析,相应地,所提出的控制方法同样适用于导通过程。
为了分析关断过程串联不均压机理,首先应对IGBT关断过程进行详细分析。
IGBT的关断过程可用图1(a)所示栅极等效电路进行分析。如图1(a)所示,RG表示栅极驱动电阻;VD表示栅极驱动电压;CGC、CGE、CCE分别表示栅极–集电极电容、栅极–发射极电容、集电极–发射极电容。其中,栅–集电容CGC又称为密勒电容 [
图1. 栅极等效电路和关断波形
对图1(a)中的IGBT栅极等效电路,其关断波形如图1(b)所示,VGE表示栅极–发射极电压,VCE表示集电极–发射极电压,IC表示集电极电流。忽略IC迅速降低导致的VCE电压尖峰,关断过程可简化为三个阶段:
阶段1(t0 − t1):t0时刻开始,驱动电压VD由正向偏置电压下降到反向偏置电压,栅–射电容CGE通过电阻RG进行放电,栅–射电压VGE随即下降,直到与密勒平台电压VM [
阶段2(t1 − t2):t1时刻开始,IGBT开始进入线性区,栅–射电压VGE保持密勒平台电压VM不变,集射电压VCE开始急剧升高,直到达到静态电压结束。之所以电压VGE在此期间保持不变,是因为栅射电容CGE在对栅极驱动电阻RG放电的同时受到密勒电容CGC充电,充放电迅速达到平衡后,栅射电压VGE将维持稳定不变,这一电压被成为密勒平台电压VM。根据文献 [
d V C E d t = − i G C G C = − V D − V M R G ∗ C G C (1)
其中VD为栅极驱动电压;VM为密勒平台电压;RG为栅极驱动电阻;CGC为密勒电容;iG为栅极驱动电流。
阶段3(t2 − t3):t2时刻开始,IGBT退出密勒平台,栅射电压VGE继续下降,内部MOSFET的沟道开始消失,IGBT开始关断,集电极电流IC开始下降,随着栅射电压VGE进一步下降,沟道完全阻断,内部晶体管基极电流被切断,IGBT完全关断。
以上IGBT关断过程中,密勒平台阶段使得集射电压VCE从饱和导通压降快速上升到静态电压,是电压变化的动态过程,也是动态均压控制所重点关注的阶段。多只串联IGBT进行关断时,影响各单管IGBT间集射极电压VCE动态均衡的主要因素是密勒平台的开始时刻和持续时间以及集射电压斜率 d V C E / d t 。若串联IGBT间的各栅极驱动信号出现非同步到达栅极,则各器件将会先后进入密勒平台,并非同步结束密勒平台进入阶段3。对于提前进入密勒平台的IGBT,其集射电压VCE将提前升高,电压斜率 d V C E / d t 越大,电压上升越快,与尚处于阶段1的IGBT间的电压失衡就越严重。
基于上述分析,若对提前进入密勒平台的IGBT采取控制,降低集射电压VCE升高的斜率,并延长其密勒平台持续时间,使所有器件同步进入阶段3,则该IGBT与其余IGBT的集射电压动态一致性将得到改善。由式(1)可以看出,影响电压斜率的因素包括VD、VM、RG和CGC,其中密勒平台电压VM和密勒电容CGC受多种因素影响,不易控制,而栅极驱动电压VD和栅极驱动电阻RG属于外部参数,方便控制。下文提出一种均压控制方法,通过调节栅极驱动电压VD实现均压控制。
图2(a)为所提出的基于栅极控制的IGBT串联动态均压方法的结构框图,每一单元IGBT的均压辅助电路由静态均压电路、监测发信电路以及驱动控制模块组成。图中,R1、R2两只电阻串联后并接在IGBT两端,构成静态均压电路;齐纳二极管Z1和光耦D1串联后与R2电阻并联,构成监测发信电路,对IGBT的端电压进行监测并适时发出均压控制信号;驱动控制模块作为IGBT的驱动电路,在关断过程中出现电压失衡时,以光耦D1发出的光信号作为动态均压动作信号Vi,对栅极驱动电压进行调整从而控制端电压、实现动态电压均衡。
图2(b)为驱动控制模块的内部电路结构,输出驱动电压信号VD由通断控制信号Von-off和动态均压控制信号Vi共同控制。
图2. 动态均压控制结构框图和驱动控制模块内部电路
为了详细分析串联IGBT动态均压过程,首先对IGBT驱动电路的工作原理进行分析。
如图2(b)所示,忽略动态均压控制信号Vi,受光三极管Q3处于关断状态,栅极驱动电压VD完全由通断控制信号Von-off决定。当施加导通信号(Von-off为高电平)时,光耦D流过电流,其输出端子随即导通,正电源+VCC、负电源−VCC对R2放电,三极管Q1因基极获取高电位+VCC而导通,正电源+VCC通过Q1、R6施加到栅极,栅极驱动电压VD = +VCC,IGBT导通。当施加关断信号(Von-off为低电平)时,光耦D无电流流过、其输出端子呈关断状态,三极管Q2因基极通过R3、R2获取低电位−VCC而导通,负电源−VCC通过Q2、R5、R6施加到栅极,栅极驱动电压VD = −VCC,IGBT关断。
若IGBT串联模块关断过程中,驱动电路出现时延,驱动电压VD由+VCC到−VCC的下降沿非同时到达每只IGBT的栅极,VD下降沿提前到达的IGBT将提前进入密勒平台,其端电压将提前升高,出现电压不均衡现象,最严重的情况下,该只IGBT将独自承全部静态电压。
增加均压辅助电路后,端电压VCE经静态均压电阻分压后按比例施加到齐纳二极管两端,一旦超过由二极管击穿电压决定的门槛值,串联的光耦流过击穿电流发出动态均压控制信号Vi,受光三极管Q3导通,三极管Q1因基极获取高电位+VCC而导通,正电源+VCC将施加到栅极,栅极驱动电压VD开始升高,电容CGE通过电阻RG的放电过程受到抑制进而和密勒电容的充电平衡关系将持续更久,因此密勒平台得到延长,有利于所有器件同步进入阶段3。此外,由式(1)可知,端电压斜率 d V C E / d t 将随VD升高而减小,VCE在上升过程中受到抑制,从而降低与其余非提前关断IGBT端电压的差值。因此,整个非同步关断过程,由于关断信号提前到达的IGBT密勒平台阶段得到延长、端电压斜率受到抑制,各器件间的端电压动态一致性得到改善。
为了验证所提方法的可行性和有效性,在matlab/simulink平台搭建了两管IGBT串联模型,如图3所示,直流电压VDC取300 V,并对驱动电压施加延时使串联IGBT间的各栅极驱动信号非同步到达栅极。图4为仿真波形。
图3. IGBT串联动态均压仿真模型
图4(a)为采取均压控制时的IGBT端电压VCE波形,图4(b)是无均压电路时的端电压VCE波形,可以看出,增加了均压电路后,每一关断瞬态时的不均压程度都受到有效抑制。对第一次关断过程进行分析,图4(c)为无均压电路时栅射电压VGE波形,VGE1、VGE2因驱动电压延时而非同步下降,IGBT1将先行关断。无均压电路时端电压波形如图4(d)所示,此时串联器件的均压效果不理想,提前关断的IGBT1的端电压最高达到224.3 V,最大斜率达到143 V/us。若定义端电压VCE与静态电压VDC/2的最大差值百分比为电压不均衡度α%,那么未采取动态均压控制时,电压不均衡度α1%:
α 1 % = ( V C E 1 max − 0.5 V D C ) / 0.5 V D C × 100 % = 49.5 % (2)
采取动态均压控制后的栅射电压VGE波形和端电压VCE波形如图4(e)、图4(f)所示,串联IGBT非同步关断过程中,IGBT1的集射电压VCE1提前上升。当超过门槛值Vref后,动态均压电路开始工作,VGE1密勒平台的持续时间约延长了0.37 us,端电压斜率降低到23 V/us,VCE1的峰值相较之前降到171.1 V。整个关断过程中,电压不平衡度α2%:
α 2 % = ( V C E 2 m a x − 0.5 V D C ) / 0.5 V D C × 100 % = 14.1 % (3)
可以看出,仿真结果与前述理论分析结果相吻合,动态均压辅助电路能有效地改善驱动信号延迟导致的串联不均压现象。
图4. 动态均压仿真波形
本文详细分析了IGBT动态关断过程,并结合关断过程对栅极驱动信号延时导致的串联不均压机理进行了分析,在此基础上提出了一种基于栅极控制的IGBT串联动态均压方法,给出了该方法的电路结构和工作原理。仿真数据表明,提出的均压控制方法将电压不均衡度从49.5%降低到14.1%,能够有效减轻串联IGBT非同步关断导致的电压不均衡程度,并且均压控制回路简单可靠、易于实现。
罗阳静宜,黄少锋,李轶凡,黄 罡. 一种基于栅极控制的IGBT串联动态均压方法 A Dynamic Voltage Equalization Method for Series IGBT Based on Gate Control[J]. 智能电网, 2019, 09(04): 157-163. https://doi.org/10.12677/SG.2019.94017