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IGBT串联,动态均压特性

文章出处:www.bianyaqi8.com 人气:发表时间:2018-09-03 10:02

多个IGBT直接串联工作是实现高压功率变换的有效途径之一,而串联IGBT之间的动态均压是实现其安全可靠工作的关键。
基于对场截止型绝缘栅双极型晶体管(FS-IGBT)串联工作特性的实验测试与分析,发现其关断时刻差异与关断过程不均压程度的关系规律,并提出一种能反应串联IGBT特性并且可以通过实时调节各IGBT关断延时(或超前)时间而实现动态均压的控制策略。
该时间调节量由两段式调节算法生成,即在不均压程度较大时采用比例-二次方算法,实现均压快速性;在不均压程度较小时采用比例算法,实现均压稳定性。并将每个IGBT的延时调节量递推引入其相邻的下一个IGBT的延时形成单元,进一步优化均压调节速度。实验验证了所提出的动态均压控制方法的可行性和有效性。
 
 
在中高压功率变换领域,IGBT由于其良好的工作特性被广泛应用[1,2]。但是随着工作电压的升高,单个IGBT模块无法单独工作,往往需要将多个IGBT直接串联应用[3-5]。采用多个IGBT直接串联结构,存在串联IGBT之间的动态和静态均压问题,文献[6,7]深入分析了其电压不平衡机制。
 
为解决这一均压问题,一般有以下三种方案:
 
①加入吸收电路[8,9],这是最简单的均压方法,但是在电压较高、频率较高、电压和电流变化率较大的场合,这种方案会产生很大的损耗;②加入钳位电路[10-13],在IGBT集射极两端并接稳压装置,当IGBT的端电压超过预设的电压值时,稳压装置对电压进行钳位,限制电压进一步上升,这种方案的实现也比较简单,但是同样会在稳压装置上损耗很大的能量;③直接控制各IGBT的驱动电路,通过调节IGBT的开关边沿来实现均压[4,14]。这种方案实现均压的能耗代价最小,效率最高,但是对控制的要求很高,尤其是高频工作的IGBT,对均压控制的快速性和稳定性提出了很高的要求。
 
针对上述第③种方案的均压问题,已有一些文献在驱动控制方面提出了解决方案。文献[5]通过动态调整门极驱动电压和门极驱动电阻实现串联IGBT的均压,但是由于预设的驱动电压等级和驱动电阻数量有限,该方案无法实现平滑切换,可能会导致控制不稳定。
 
文献[15]提出主从式的门极驱动调节方案,采样各个“从管”IGBT的端电压,并分别与“主管”IGBT的端电压进行比较,以此来调节各个“从管”IGBT的驱动信号。但是该方案需要在开关瞬间完成调节过程,对控制速度有极高的要求。
 
文献[16]提出具有钳位功能的驱动控制方案,IGBT端电压超过预设值时触发钳位装置,控制装置采集各IGBT钳位装置工作时间后进行控制调节,调节各IGBT驱动信号边沿时刻,最终使各路钳位装置工作时间一致,实现各个IGBT均压。
 
文献[16]对多个IGBT进行均压调节时采用的是通用的积分调节算法,并未充分考虑IGBT串联不均压特性。鉴于此,本文在文献[16]的成果基础上,研究了串联IGBT的关断延时-不均压程度关系特性,进而提出了一种均压控制方法,有效地改善了动态均压控制的快速性和稳定性。
 
 
IGBT串联动态均压特性分析与控制
图6  IGBT串联测试平台示意图
 
结论
理论分析和实验表明,本文所提出串联IGBT动态均压控制方法,较之现有控制方法进一步改善了动态均压的快速性和稳定性,其主要特点如下:
 
1)算法采用比例调节与比例-二次方调节相结合的两段式调节算法,源于本文对串联IGBT实验测试和分析而发现的其关断时刻差异与不均压程度的关系规律。在两个IGBT关断边沿的时间差较小时,其过电压时间与驱动边沿时间差呈比例关系;而两个关断边沿时间差较大时,其过电压时间与驱动边沿时间差值按二次方关系迅速增大。
2)将每个IGBT的延时调节量引入其相邻的下一个IGBT的边沿延时(或超前)生成单元,从而递推反映了其上游各IGBT的调节量,进一步优化了均压调节速度。
3)本文方法在关断时间、驱动限流电阻和驱动电压等不一致情况下,均可快速稳定实现均压控制。
 
本文的均压控制方法,需要根据母线电压对有源钳位电路稳压管耐压值进行优化设计,因此较适用于母线电压变化不大的应用场合。

此文关键字:IGBT串联动态均压特性分析与控制

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