串联IGBT动态均压方法综述.pdf

1、2013 年 电 工 技 术 学 报 Vol.28 Sup.1 第 28 卷增刊 1 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY 2013 串联 IGBT 动态均压 方法 综述 张春朋 1 张树卿 1 赵国亮 2 （ 1. 清华大学电机系 北京 100084 2. 中国电力科学院电力电子研究所 北京 100192） 摘要 随着现代电力系统对柔性高压直流输电技术和固态高压直流开关技术的需求不断增长， IGBT 串联技术日益受到关注。本文综述了国内外提出的串联 IGBT 动态均压的各种方法，并将门极控制方法归纳为电压钳位、门极同步和电压控制三类。通

2、过对各种方法的简要分析和对比，指出应综合考虑性能、损耗、体积、可靠性等多方面因素，通过几种方法的优势互补来实 现串联IGBT 的动态均压。 关键词： IGBT 串联 动态均压 有源钳位控制 有源电压控制 中图分类号： TM315 Review of Dynamic Voltage Balancing Methods for Series-Connected IGBTs Zhang Chunpeng1 Zhang Shuqing1 Zhao Guoliang2 （ 1. Tsinghua University Beijing 100084 China 2. China Electric Powe

3、r Research Institute 100192 China） Abstract With the increasing demands of flexible high-voltage DC transmission and solid-state high-voltage DC switch technologies, the series connection of IGBTs gets more and more attentions. This paper reviews various methods of dynamic voltage balancing for seri

4、es-connected IGBTs, and classifies the gate-control methods into three categories, voltage clamping, gate synchronization and voltage control. With brief analysis and comparison of these methods, it is indicated that multiple factors, including performance, loss, size and reliability, must be consid

5、ered and complementary advantages of more than one methods should be utilized to realize the balance of dynamic voltages of IGBTs in series connection. Keywords： Series-connected IGBT, dynamic voltage balance, voltage clamping control, active voltage control 1 引言 随着现代电力系统对柔性高压直流输电技术和固态高压直流开关技术的需求不断增

6、长， IGBT 串 联技术日益受到关注。在串联 IGBT 阀组中，各个元件的静态均压比较容易实现，但动态均压比较困难。 串联 IGBT 动态不均压的主要原因有： （ 1） IGBT 芯片制备工艺的分散性使得各个芯片中载流子浓度、寿命、寄生参数存在 一定的差异，从而导致芯片开关特性的不同，于是在串联 IGBT阀组中开通较慢和关断较快的器件，将承受较高的暂态电压； （ 2） IGBT 门极驱动信号不严格同步、外电路杂散参数有差异以及运行时的温升不同等，也会导致各 IGBT 集 射电压的动态过程有差异。 从 20 世纪 90 年代开始，就有国外的研究者开始探讨串联 IGBT 动态均压的方法。 ABB

7、 公司已经完成了多个基于 IGBT 串联技术的中高压静止无功发生器（ SVC Light）和轻型高压直流输电（ HVDC Light）工程。最近几年，我国也开始了这方面的研究，并取得了阶段性成果 ，但尚未在工程中应用。国家科技支撑计划（ 2011BAA01B03）和高等学校博士学科点专项科研基金（ 20110002120029）资助项目。 收稿日期 2012-09-20 改稿日期 2012-10-12 198 电 工 技 术 学 报 2013 年 目前，串联 IGBT 的动态均压方法主要包括缓冲电路和门极控制两大类，其中对后者的研究更多。本文将对国内外现有的动态均压方法进行综述，为该领域的研究

8、者提供一定的参考。 2 利用缓冲电路实现动态均压 与晶闸管、 GTO 和 IGCT 串联时的均压电路类似，串联 IGBT 也可以利用如 图 1 所示的 RCD缓冲电路 1-3或者改进的缓冲电路 4,5实现动态均压。缓冲电路能够减缓器件端电压的变化速率，从而减小各器件之间的动态电压差。因缓 冲电路在开关器件的负载端，故这种均压方式称为“负载侧”均压。要获得较好的均压效果，要求 RCD 元件的容量也较大。因此，在高压大功率的应用场合，缓冲电路的体积、损耗和成本就成了这种均压方法的制约因素。所以，“负载侧”均压一般作为辅助措施，而主要的动态均压手段往往要依靠在 IGBT 门极实施控制。 图 1 RC

9、D 缓冲电路 Fig.1 RCD snubber circuit 3 通过门极控制实现动态均压 基于 IGBT 中场效应元件与晶体管元件的工作原理和特性，在 IGBT 开关的暂态过程中，通过快速调整门极信号则能够 控制 IGBT 的集 射电压沿着期望值变化。门极控制的所需的电路体积较小、功耗很低，与缓冲电路相比具有明显的优势。迄今为止，门极控制的方法可大致分为三类：同步、钳位和控制。 3.1 同步的方法 IGBT 动态不均压，可以视为是由各个 IGBT 集射电压的暂态过程不同步引起的。同步的方法，就是尽可能让各个器件的暂态过程同时发生，减小动态过程中相互之间的电压差。 3.1.1 磁心同步 日

10、本的 Kiyoaki Sasagawa 等人提出了 基于 磁 心的 门极信号 同步 方法 4， 如 图 2 所示 。 注入各 IGBT门极的电流 通过磁心 相互感应 ，迫使 相互之间时间一致、形状相同 。 此文中设计的 磁心 尺寸 为 29.4mm 26.5mm29.5mm， 可 用于 2.5kV/1.8kA 的 IGBT 串联。 使用磁心同步时，磁路漏抗必须非常小（约为nH 级），否则会引起门极回路的振荡。 图 2 利用 磁心 实现门极信号同步 Fig.2 Synchronization by magnetic core 对于这种方法，有人提出疑问：门极电流完全一致的情况下，是否就一定能保证

11、各个 IGBT 的集 射电压相同？ 集 射电压的动态可近似用下式描述： CE GGCddVItC （ 1） 式中， VCE是集 射电压； IG是门极电流； CGC是集 门等效电容。可以看出，即使各 IG 相等，但如果CGC 有差异，仍然会导致各 VCE 的暂态过程不同。所以，在 IGBT 寄生参数不一致的情况下，各门极电流应该分别有相应的调整，才能抵消寄生参数不同引入的负面影响。 3.1.2 在线调整门极信号时延 有的研究者提出了在线分别调整各路驱动信号时延的方法 5-7，旨在抵消 IGBT 特性不一致的负面影响。文献 5是根据集 射电压与参考值的差值，用运放电路调整时延的大小；文 献 6是用

12、集成电路获取集 射电压超限的时间，据此调整各时延的大小；文献 7则是对集 射电压与参考值的差值进行积分，用阻容电路对时延进行调整。 采用门极信号时延调整时，要面临以下两个方面的问题：由于 IGBT 的存储时间随温升变化，因此，对门极信号时延的离线测试与调整并不充分，必须实施在线调整；时延调整的范围为几十到几百纳秒，调整动作必须非常精细。因此，此类方法一般不能作为单一的动态均压方法单独使用，而是作为其他方法的补充手段。 第 28 卷增刊 1 张春朋 等 串联 IGBT 动态均压方法综述 199 3.1.3 门 射电容伺服控制 意大利学者 Alfio Consoli 等提出 一种门 射电容伺服控制

13、的方法 8，如 图 所示， VT1、 VT2 的门 射之间分别接入一个电容，开关 S11、 S21用于投切电容，开关 S12、 S22用于为电容预充电。假设 VT2关断早于 VT1，则 VT2的集 射电压较高。此时快速投入已经预充电的 C2，为 VT2的门极提供一个充电电流，减缓 VT2的关断速度，实现 VT1和 VT2的同步关断。这种方法的均压效果较好，但是实施起来必须要考虑：电容参数和预充电量的选择；开关 S11和 S12、 S21和 S22之 间死区对控制 特性的影响。 图 3 门 -射 电容伺服控制 Fig.3 Servo-control of gate-emitter capacit

14、ors 3.1.4 集 门电容伺服控制 韩国学者 Beom-Seok Seo 提出了一种集 门电容伺服控制的方法 9，通过改变 IGBT 的存储时间使得各 IGBT 同步关断。其基本原理如 图 4 所示。图 4 中， C1、 C2为电容， S1、 S2为快速切换开关。在 IGBT 接收到关断信号时， S1、 S2 关断， C1、 C2被分别接到 VT1、 VT2的集 门之间，显著增大米勒阻 抗。当 VT1、 VT2的存储时间结束后， S1、 S2导 通，C1、 C2 被分别接到 VT1、 VT2 的集 射之间，实际容值较小，对 IGBT 开关暂态的影响可以忽略，避免了开关损耗的增加。这种方法的

15、关键是界定各个 IGBT的存储时间，作为 S1、 S2投切的时刻。用于高压 IGBT串联时， S1、 S2的器件选 型可能会有些困难。 图 4 集 门 电容伺服控制 Fig.4 Servo-control of collector-gate capacitors 3.2 钳位的方法 这类方法通过对集 射电压峰值较高的 IGBT进行峰值电压钳位，迫使其他 IGBT 所承担的电压快速上升，从而使得所有串联 IGBT 的电压相互趋近。这类方法不太关心暂态过程是否同步，而主要关心集 射电压的瞬时值大小。 3.2.1 有源电压钳位 有源电压钳位控制 最初是 在 IGBT 的 集 门 之间跨接 串联齐纳二

16、极管 ，如 图 5中的 Z1 Zn所示 10。Z1 Zn的转折电压总和就是 VCE峰值的钳位值， 当VCE 达到 此值时， Z1 Zn 启动，反馈 电流 从集电极经 过 Z1 Zn给门极电容充电，门极电压 VGE升高 ，从而抑制 VCE 继续上升 。 这种电路的钳位启动不是平滑的，导致均压效果不太理想，于是， Alstom 和ABB公司的研究人员 改进了钳位电路，如 图 6所示，在 Zn 启动之前，利用附加米勒电容预先减缓dVCE/dt，改善钳位效果。他们还尝试 将钳位电路与IGBT 芯 片 封装 到同一块基板上 11-13，使结构更为紧凑 。 图 5 有源电压钳位电路 Fig.5 Activ

17、e voltage clamping circuit 图 6 改进的有源电压钳位电路 Fig.6 Improved active voltage clamping circuit 笔者所在的课题组进一步改进了钳位电路，增加了斜率调节支路，完成了 30kV/800A 的 IGBT 串联阀组的动态均压和持续脉冲功率实验 14,15。目前来看，有源电压钳位电路简单，均压效果较好，是非常值得关注的一种方法。 3.2.2 基于模拟电路的钳位 韩国的 Soonwook Hong等采用了基于运放的方法 16，如 图 7 所示，利用运放电路，比较 VCE与给200 电 工 技 术 学 报 2013 年 定的峰

18、值参 考值 Vref。若 VCE越限，则调节门极驱动电路的输出电流；否则，不调节。这种方法的均压效果比较令人满意，不过，在实用中应考虑抗干扰的问题。 图 7 基于运放的电压钳位控制 Fig.7 Voltage clamping control based on operational amplifier 与上述方法类似， 我国学者提出一种基于三极管钳位的方法 17，如 图 8 所示。 IGBT 的集 -射电压经过电阻分压后，由稳压管 Z1 充当钳位门限。当VCE越限时，直流电源 Vdc通过三极管向 IGBT 门极反馈电流，升高 VGE，从而将 VCE 钳位。这种方法电路简单，比较容易实现，是一

19、种值得深入研究的方法，文献 18给出了相关的实验数据。 图 8 基于三极管的电压钳位电路 Fig.8 Voltage clamping control based on transistors 3.2.3 RCD网络钳位 韩国学者 Ju Won Baek 等提出了一种利用 RCD网络实现 IGBT 动态均压控制的方法 19，并进行了16 个 IGBT 串联的实验。意大利的 C. Abbate 等也研究了同样的方法 20，而我国学者刘文华则进行了一些改进 21。每个 IGBT 配置一套 RCD 电路，如 图9 所示，由于主要起门极反馈控制的作用，故 RCD元件体积很小。电压较高的 IGBT 会引

20、起其 RCD 电路的充放电行为，充放电电流流入门极，调节 VGE，从而将 VCE钳位。这种方法对 IGBT 串联的数目没有限制，可以将各个 IGBT 的电压大致均衡于直流电压的 1/N（ N 为串联个数）。这种方法的关键在于合理选取 RC 元件的参数。因这种方法采用了二阶网络，故 其面临的主要问题包括：第一， RCD 网络的充放电行为以及与杂散电感之间的振荡会表现在VCE 的振荡；第二，换流器直流电压发生突然波动时，可能引起 IGBT 误动作。 图 9 基于 RCD 网络 的电压钳位控制 Fig.9 Voltage clamping control based on RCD network 3

21、.3 控制的方法 这类方法是在开关暂态过程中控制各个 IGBT集 射电压的轨迹跟踪给定的参考曲线，从而实现多个 IGBT 的电压均衡。 3.3.1 主 从式控制 意大利学者 Angelo Raciti 等提出一 种主 从式控制策略 22,23，如图 10 所示。 VT1为主器件， VT2为从器件， VCE1作为 VCE2的参考值，当 VCE2跟踪上VCE1时，即实现了 VT1和 VT2的均压。该方法要求将主器件的集 射电压反馈给从器件，这在多个器件（尤其是高压器件）串联时，是难以实现的。因而，主 从式控制策略只适用于少数 IGBT 串联的情况。另外，由于 VCE1的轨迹是随着工况变化的，所以

22、VCE2的参考值是不确定的，尤其是在异常工况下，存在一定的安全隐患。 图 10 主 从式控制 Fig.10 Master-slave control 3.3.2 有源电压控制 英国的 Patrick R. Palmer 提出一种串联数目不受限制的有源电压控制方法 24-26。 它利用 FPGA 和D/A 芯片，给出特定的 VCE参考值 Vref（如图 11 所示）： IGBT 关断时， Vref 先是几微秒长的低台阶，再变为骤升的斜坡。 IGBT 开通时， Vref先是较缓的斜坡，再变为骤降的斜坡。当所有串联的 IGBT 都第 28 卷增刊 1 张春朋 等 串联 IGBT 动态均压方法综述 2

23、01 跟踪上 Vref 时，就实现了动态均压。这种特殊设计的 Vref 对串联 IGBT 的动态均压非常有利，但需要数字和模拟混合控制电路，可靠性可能是这种方法面临的主要问题。 图 11 有源电压控制 Fig.11 Active voltage control 4 结论 对于上述各种动态均压方法，下表给出了大致的对比。 表 各种动态均压方法的比较 Tab. Comparison of various dynamic voltage balancing methods 方法名称 均压效果 附加损耗 附加电路 可靠性 负载侧均压 良 大 体积大 高 RCD 网络 钳位 良 大 简单 高 有源电压钳

24、位 优 中 简单 高 模拟电路钳位 优 中 简单 中 在线 调整 时延 良 小 复杂 低 磁心同步 良 中 简单 高 门 射 电容伺服 良 中 偏复杂 中 米勒电容伺服 良 小 偏复杂 中 主 从式控制 良 中 复杂 中 有源电压控制 优 中 复杂 中 工程应用中，要实现串联 IGBT 的动态均压，必须要综合考虑性能、损耗、体积和可靠性等多方面因素。并且，仅仅依靠单一的方法很难获得满意的均压效果，往往要将多种方法进行优势互补（比如将缓冲电路与有源电压钳位控制相结合），才能获得具有应用前景的解决方案。 参考文献 1 Gerster C. Fast high-power/high-voltage

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