大功率IGBT驱动电路及串并联特性研究

摘 要 近年来，以IGBT等全控器件为基础的轻型高压直流输电发展起来，随着行业的需求，人们对IGBT的功率也有了更高的要求。为此，人们选择的方式中，其中一种就是对功率等级较小的IGBT实行串并联，以符合大功率等级电路的要求。串联和并联各有特性和优缺点，本文将主要探讨两种电路的特性，并提出更好的设计方法。

【关键词】大功率IGBT 串联 并联

近年来，IGBT在电路中的应用越来越广，同时，诸如轨道交通等行业对兆瓦级大功率变流器的需求也增加，也就更需要大功率的IGBT。直接选用大功率等级的IGBT虽然满足要求，但会增加成本和驱动电路的复杂性，因此驱动电路简单而市场货源充足的串联或并联较小功率等级的IGBT的方法就受到了人们的青睐，有关人员对此实行了研究。

1 IGBT简介

传统的高压直流输电是以晶闸管作为换流阀，用相控换流器（PCC）技术为核心。但是，晶闸管具有单向导电性，导致PCC技术只能控制阀的开通，只有通过交流母线电压过零，把阀电流减小到阀的维持电流以下，才能实现阀的自然关断。IGBT就是在这种情况下发展而来的。

IGBT的全称是Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管。与传统晶闸管器件相比，它的开关损耗和驱动功率都比较小、通态压降也明显降低，但开关速度和输入阻抗则比较高，因此在高压固态开关、柔性直流输电等需要大功率的设备和场合更为适用。但这些大功率的设备同时也需要较高的电压，通常能达到数十甚至数百千伏，然而目前单个IGBT最高只能达到6.5千伏电压，因此急需提升容量的方法。研究人员要兼顾经济性和器件的可靠性，因此就需要对多只IGBT采取串联或并联的措施，以实现大功率的需要。

2 对大功率IGBT串联的研究

2.1 大功率IGBT串联及动态不均压原因的简述

对IGBT器件直接串联是实现大功率IGBT的一种方式，这种串联的电路依据的理论就是在触发IGBT的时间和器件参数相同时，可以根据其耐压值，串联任意数量的器件。它的优点是设计结构简单、易于控制而不必使用太多器件，因此深受欢迎。但是在使用时，这种器件的开关速度快，实际运行时一般仅需数十乃至数纳秒，也就意味着这种串联电路要求极高的单个器件均衡性。

然而，IGBT的个体之间在结构上和触发上都存在一定差异，尽管差异不大，但在整个IGBT组合开关的一瞬间，IGBT本身的反并联二极管被强制关断，由于它们的反向恢复电荷并不相同，导致速度差异，结果就引起动态电压不均衡的问题。

2.2 实行均压的方法

常见的动态均压技术有两种：栅极侧主动均压和负载侧被动均压。前者需要使用阻容二极管有源均压法和脉冲变压器耦合均压法，后者则是利用一个缓冲吸收电路或箝位电路。

为了测试不同方法的效果，需要对两种方式进行仿真试验。电压不均衡是因为延迟时间的差异，而当差异在300ns以下，电压不均的问题就不会很明显。因此，实验设定的延迟时间为500ns。

研究人员先根据不同的方法设计出合适的电路，给出合适的电压值或负载值，然后绘制相应的IGBT开通和关断波形图，比较采取均压措施前后的变化。实验发现，负载侧被动均压结构简单而且能有效减少电压的不平衡，但在IGBT特性区别较大时，电路上的损耗会增加，而且影响IGBT开关的速度，更适合功率相对较小的情况。脉冲变压器耦合法同样效果明显，而且对电路损耗、开关速度的影响都不大，但在变压器参数的设计和选择上要格外注意，否则效果会不理想。阻容二极管有源均压法的优势则是稳定电压的用时短，可以保证系统的工作效率，并能用于多模块IGBT的串联使用。

3 对大功率IGBT电路并联的研究

3.1 常用的并联方式

为了以经济的方式实现IGBT更高等级的功率，对IGBT采取直接并联的技术也是一种方法。常见的并联方式有功率模块级并联、驱动级并联和器件级并联。功率模块级并联是指并联相同功能和功率的模块，优势是开发周期短、容易实现同一变流器不同功率等级的系列化扩展需求、可靠性高；但器件工作时的均流性和同步保护性都较差。驱动级并联中的各IGBT器件都有独立驱动器，可以试验同步运行。由于不存在环流问题，其均流效果较好，但器件的故障保护不同步，且较多的驱动器意味着更高的成本。器件级并联可以实现1个驱动器驱动多个器件，在小功率IGBT中应用普遍，但在大功率的IGBT中，由于共射环流、主电路平衡和器件差别的影响，技术上难度较大；不过，它可以确保驱动信号及故障保护的一致性，有利于减少故障、降低成本。

3.2 并联电路的问题及研究

在IGBT并联电路中，由于器件参数不一致、电路布局不对称和设计不合理等原因，往往会引起通过IGBT器件的电流分配不均匀，而均流状况不佳会造成不理想的输出效果甚至器件和装置的损坏。因此，有关人员进行了仿真试验，以便研究不均流现象。

研究人员采取了电压型全桥逆变电路的主电路设计，4个电臂均由2个并联的三菱CM200DY-12E型号IGBT模块组成。试验发现，饱和导通压降和集电极、发射极引线的等值电阻都会引起静态不均流。第一种情况下，制造IGBT的工艺缺陷导致饱和导通压降不一致，压降较小的器件中，通过的电流更大。第二种情况里，引线长度有偏差时会导致两极的等值电感和电阻的不同。尽管电阻的差异微小，但会对静态电流产生较大影响，进而导致不均流。

当并联的IGBT开通和关闭时间不一致时，就会引起动态不均流。导致这种差异的因素有驱动电路设计、栅极电阻、门槛电压和密勒电容等。例如，电路设计时，进行共用驱动器和独立驱动器的对比，发现前者在延迟上没有差异，更容易实现动态均流。电容值越大，延迟时间就越长，越会影响电路的关断。

此外，设计电路时，要注意合理的布局。首先，尽可能选用参数完全一致/匹配的器件；其次，IGBT会受到温度影响，因此要保证把IGBT安装在同一个散热板上，实现对称散热。

4 结束语

在大功率的IGBT电路使用范围愈发广泛的过程中，不同电路设计各有优势，但缺陷也逐渐暴露。因此，目前重点研究了串、并联中的缺点，以尽可能减小乃至消除它们的影响，促进大功率IGBT驱动电路的普及。

参考文献

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作者单位

武汉大学电气工程学院 湖北省武汉市 430072