高壓大功率串聯(lián)igb運行中的電壓問題

0關(guān)于igbt的電壓平衡控制隨著能源電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模半主導(dǎo)電網(wǎng)裝置在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。尤其是在可再生能源得到日益重視的同時,四象限高壓換流器在直流輸電、電氣牽引、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電以及能源轉(zhuǎn)換等場合正得到越來越廣泛的應(yīng)用。而這些換流器大都使用絕緣柵雙極晶體管(insulationgatebipolartransistor,IGBT)作為開關(guān)器件。在大功率IGBT器件進行直接串聯(lián)使用時,由于它的開關(guān)速度較快,基本都在數(shù)μs內(nèi)完成,因此在其運行過程中對各個器件上的電壓均衡性要求非常高。因此研究影響大功率IGBT在各種運行情況下電壓不平衡的因素,從而對串聯(lián)IGBT中各個器件上的電壓進行平衡化的控制調(diào)節(jié),使其達到安全、可靠地運行,是非常有必要的。國外對于IGBT串聯(lián)電壓平衡控制技術(shù),已經(jīng)進行了深入的研究,使用了電壓電流反饋控制、門極側(cè)阻容回路均衡、時間延遲控制以及門極鉗位控制等方法來進行平衡控制。但這些研究都是針對串聯(lián)IGBT開關(guān)過程中的電壓平衡控制方法,一般只著重分析影響電壓平衡的某個方面,對于串聯(lián)IGBT在各個運行狀況下的電壓不平衡機制,沒有進行過系統(tǒng)全面地分析。國內(nèi)由于在IGBT的基礎(chǔ)性研究上起步比較晚,目前還主要集中在對IGBT器件的某些特性進行研究。對于IGBT的電壓不平衡機制的研究工作,相對開展地很少,只是對IGBT的電壓不平衡原因和控制方法有一些簡要的論述。本文通過對大功率串聯(lián)IGBT在串聯(lián)運行時各種狀態(tài)下的電壓不平衡機制進行系統(tǒng)化地分析和研究,找出影響串聯(lián)IGBT中各器件電壓不平衡的主要因素,并對開關(guān)狀態(tài)中的不平衡電壓進行分析,為大功率串聯(lián)IGBT的電壓平衡控制奠定了基礎(chǔ)。1igbt換流器較大功率場合下通常使用的換流器拓撲為兩電平或三電平結(jié)構(gòu),在直流輸電領(lǐng)域又以兩電平換流器最為常見,其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于電壓源換相直流輸電的換流器來說,它的每個橋臂都是由如圖2所示的多個IGBT單元串聯(lián)而成,在較高的傳輸功率下(例如數(shù)百MW)通常需要由數(shù)百個單元進行串聯(lián)來分擔直流側(cè)電壓。IGBT是一個雙極型晶體管,其結(jié)構(gòu)來源于VDMOSFET,只是用p+襯底取代了n+材料。IGBT的工作原理結(jié)合了MOSFET、雙極晶體管和功率二極管等3種結(jié)構(gòu)的功能。2由于串聯(lián)igt的電壓不平衡，igb2.1電壓不平衡的類型在串聯(lián)IGBT的運行過程中,各個IGBT器件都會經(jīng)過開通、通態(tài)、關(guān)斷、斷態(tài)等幾個階段。在這些階段中,通態(tài)和斷態(tài)為相對穩(wěn)定的狀態(tài),此時IGBT上的電壓基本保持不變或只有緩慢的變化;而在開通和關(guān)斷過程中,IGBT上承受的電壓則會發(fā)生迅速的變化,這是一個動態(tài)的過程。對于不同的狀態(tài)來說,影響各個IGBT上電壓分配不均衡的因素是有很大區(qū)別的,采取的控制手段也不盡相同。因此,在分析電壓不平衡機制時,可以將串聯(lián)IGBT的電壓不平衡分為穩(wěn)態(tài)不平衡和動態(tài)不平衡2種。穩(wěn)態(tài)電壓不平衡指的是串聯(lián)IGBT中的各個IGBT器件在通態(tài)和斷態(tài)情況下,其分擔的電壓具有一定的差異性。在通態(tài)時,每個串聯(lián)IGBT上承受的電壓為一個很小的通態(tài)電壓。因此通態(tài)下的電壓不平衡主要取決于IGBT通態(tài)壓降之間的不一致性。當IGBT處于完全關(guān)斷狀態(tài)時,其內(nèi)部的2個pn結(jié)都處于反偏狀態(tài),此時IGBT的集電極和發(fā)射極端只有微弱的漏電流流過,在斷態(tài)電壓的作用下,相當于一個較大的電阻。而由于IGBT器件在制造時的差異性,造成器件本身pn結(jié)特性的不一致,從而使得斷態(tài)時串聯(lián)IGBT中各個器件上的漏電流大小不同(即各個器件的等效電阻不同)。這樣在關(guān)斷狀態(tài)時,整個串聯(lián)閥中各個器件上的電壓分布也不均衡。溫度是影響電力電子器件性能的一個重要因素,對IGBT靜態(tài)電壓的不平衡也有一定的影響。當IGBT器件處于斷態(tài)時,其漏電流會隨著溫度的增加而顯著增大。一個IGBT器件的結(jié)溫從25℃增加到125℃時,其漏電流可能會增加到10倍以上,從而其等效電阻將急劇減小。因此串聯(lián)IGBT中各個器件上的溫度如有較大的差異,將會造成各器件上電壓分布的嚴重不平衡。2.2動態(tài)電壓平衡機制2.2.1動態(tài)電壓問題在IGBT開關(guān)動態(tài)過程中,可能受到很多不同因素的作用,使IGBT電壓分配受到影響,從而導(dǎo)致IGBT的電壓不平衡。在動態(tài)過程中,器件上會經(jīng)歷急劇的電壓、電流變化,給器件造成很大的應(yīng)力。并且這個過程一般比穩(wěn)態(tài)過程的時間要短得多,所以對其的控制也更加困難。目前所有半導(dǎo)體器件串聯(lián)的問題基本上都來自于在動態(tài)(開關(guān)暫態(tài))工作過程中的電壓不平衡,尤其是對于串聯(lián)IGBT來說,由于其開關(guān)速度比其它半導(dǎo)體器件(如晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管等)要快得多,因此造成的電壓不平衡問題也更加嚴重和難以解決。所以,只有解決器件在開關(guān)動態(tài)過程中的電壓分配問題,才有可能保證串聯(lián)IGBT的可靠運行。2.2.2igbt關(guān)斷過程IGBT作為全控型器件和晶閘管等半控型器件有一個顯著的差異,即它的開關(guān)動態(tài)過程主要受到門極側(cè)的控制,所以其開通和關(guān)斷的動態(tài)過程及其動態(tài)特性的變化也主要取決于門極側(cè),導(dǎo)致電壓分配不平衡的原因也主要來源于門極側(cè)。以一個常見的包含IGBT器件的開關(guān)電路為例對IGBT的開關(guān)過程進行說明(如圖3所示,其中包含了IGBT的主要寄生元件)。圖中RG為總門極電阻(包括門極電阻Rg和器件內(nèi)阻Ri),Cgc為門極–集電極電容,Cge為門極–發(fā)射極電容,Le1為器件雜散電感(包括發(fā)射極和集電極雜散電感),Le2為主回路雜散電感,RL和LL為負載阻抗;Uin為門極驅(qū)動電源電壓。圖3所示電路中的IGBT在關(guān)斷過程中電壓電流的變化波形如圖4所示(這里忽略了關(guān)斷電壓的尖峰)。由圖4中可知,IGBT的關(guān)斷過程分為4個階段。其中第1個階段從門極側(cè)電壓(Uge)開始下降到集電極電壓開始上升為止;第2個階段從集射極電壓(Uce)開始上升,到其上升到直流電壓時為止;第3個階段從集電極電流(Ic)開始降低到其達到最小值為止;在第4個階段里,門極電壓繼續(xù)降低,直到驅(qū)動器的關(guān)斷電壓為止。從上文對IGBT關(guān)斷過程的分析可以看出,IGBT在關(guān)斷過程中器件上所承受電壓的變化主要受到第1、2兩個階段中參數(shù)的變化影響。其中第1個階段即為IGBT的關(guān)斷延遲時間,第2個階段是IGBT關(guān)斷時的電壓上升時間,第3和第4兩個階段為IGBT的電流下降和電流拖尾時間。1關(guān)斷延遲時間此階段中,在t0時刻門極驅(qū)動電源電壓Uin突然從開通峰值電壓下降,關(guān)斷過程開始。門極總輸入電容Ciss(即門極–集電極電容Cgc和門極–發(fā)射極電容Cge之和)通過總門極等效電阻RG向門極驅(qū)動電路放電,經(jīng)過關(guān)斷延遲時間(tdoff=t1-t0)后,達到一個平臺電壓Um(即米勒平臺電壓)。在這個過程中可以將門極側(cè)電路等效為一個由RG和Ciss構(gòu)成的RC放電電路(如圖5所示),則門極的電壓變化可以根據(jù)RC電路放電公式來計算:式中:ΔUge為此過程中門極–發(fā)射極電壓的變化。根據(jù)圖4可知,在此過程結(jié)束時,有:而根據(jù)IGBT在開關(guān)過程中的門極電壓與集電極電流之間的關(guān)系,又有:式中:Uge(th)為門極閾值電壓;Ic為集電極電流;gm為器件的跨導(dǎo)。將式(2)、(3)代入式(1),可得IGBT在此過程持續(xù)的時間(即關(guān)斷延遲時間)為從式(4)可以看出,關(guān)斷延遲時間(tdoff)主要受到總門極電阻、門極–發(fā)射極和門極–集電極電容、門極驅(qū)動電壓、器件閾值電壓、器件跨導(dǎo)、集電極電流的影響。其中,總門極電阻、門極–發(fā)射極和門極–集電極電容與關(guān)斷延遲時間長度成正比;門極驅(qū)動電壓、器件跨導(dǎo)與關(guān)斷延遲時間成對數(shù)正比;器件閾值電壓和集電極電流與關(guān)斷延遲時間成對數(shù)反比。因此,總門極電阻、總門極電容對關(guān)斷延遲時間的影響最大,從而造成關(guān)斷時串聯(lián)閥上各器件電壓分布不平衡的效果也最為顯著。另外一個造成串聯(lián)閥中各器件關(guān)斷延遲時間差異的重要因素是門極觸發(fā)脈沖電壓的不同步。這是因為串聯(lián)閥的控制電路所發(fā)出的各個器件關(guān)斷脈沖的時間之間會有一定的差異,而且脈沖信號在經(jīng)過傳輸、光電轉(zhuǎn)換、驅(qū)動放大電路等環(huán)節(jié)時,也可能會造成一定的時間差,而不同的電路之間的時間差也不盡相同。所有這些最終將導(dǎo)致IGBT門極電壓開始從最大峰值下降時刻的差異,而這個差異將導(dǎo)致關(guān)斷延遲時間具有同樣的變化,因此其對于關(guān)斷過程中各個器件上的電壓均衡具有最直接的影響。如果這個時間差異比較大,那么將造成串聯(lián)閥中各個關(guān)斷延遲時間的不同,使得IGBT關(guān)斷過程中的電壓分布非常不均衡。2igbt關(guān)斷過程中電壓變化率的變化在第2個階段中,IGBT器件集射極兩端的電壓(Uce)將從飽和電壓開始上升,一直上升到直流側(cè)電壓(忽略由回路電感導(dǎo)致的電壓過沖峰值),在此過程中的電壓變化率可以表示為式中:Ls為回路總電感;其它參數(shù)含義與前文相同。由式(5)可以看出,在IGBT關(guān)斷過程中集射極電壓的變化率與器件閾值電壓和集電極電流成正比,與回路電感、門極電阻、門極–集電極電容和器件跨導(dǎo)等近似成反比。因此在關(guān)斷過程中,器件集射極電壓變化率的差異將主要由以上因素所決定。3關(guān)斷時的拖尾電流從圖4可以看出,在階段3開始的時刻,IGBT的集射極電壓已達到直流側(cè)電壓并且基本保持恒定(忽略回路電感造成的過電壓影響),但是由于IGBT一些特性的影響,它兩端的電壓仍有可能會發(fā)生變化,這些變化會加劇導(dǎo)致串聯(lián)閥中各個器件在關(guān)斷過程和關(guān)斷后的電壓不均衡。對于IGBT等雙極功率器件來說,載流子壽命的設(shè)計是其最重要的因素之一。由于剩余載流子的影響,雙極功率器件在關(guān)斷時都會存在拖尾電流現(xiàn)象。所謂的拖尾電流itail,就是指在器件關(guān)斷的末期,會存在一個有較大時間常數(shù)的呈指數(shù)性衰減的相對較小的電流(通常只有額定運行電流的百分之幾)。載流子壽命越長,則拖尾電流的大小和持續(xù)時間也就越大,造成的關(guān)斷功率損耗也越大。在高壓大功率IGBT器件中,為了將通態(tài)壓降保持在較低的水平,通常需要較長的載流子壽命,而且由于其運行電流較大,關(guān)斷的時間也相對較長,因此在關(guān)斷時的拖尾電流會比小功率的器件更為顯著。在圖4所示的波形中,拖尾電流主要存在于階段3的末尾和階段4開始的一段時間,其大小和波形主要受關(guān)斷時間、額定電流、器件溫度等因素的影響,這些因素導(dǎo)致各個器件的拖尾電流都不盡相同。當串聯(lián)IGBT關(guān)斷時,閥串中拖尾電流最先結(jié)束的IGBT器件會最先進入電流截止狀態(tài),此時其它的器件上還存在一定的拖尾電流itail。此拖尾電流會流經(jīng)先關(guān)斷器件的集射極之間的電容(Cce),對Cce進行充電,使其電壓升高,從而使得相應(yīng)IGBT兩端電壓繼續(xù)提升。因此,在整個串聯(lián)閥中的IGBT全部進入斷態(tài)后,拖尾電流先結(jié)束的IGBT器件上的電壓會比后結(jié)束器件上的要高,從而造成整個串聯(lián)閥電壓分配的不平衡,這個不平衡電壓與拖尾電流的持續(xù)時間、大小及集射極電容成正比,即:4igbt的最小電壓上升率根據(jù)以上的分析可以看出,對于由多個IGBT器件組成的串聯(lián)閥來說,電壓最不平衡的情況發(fā)生在閥中關(guān)斷延遲時間最短的IGBT器件,此IGBT具有最大的電壓上升率,而關(guān)斷延遲時間最長的IGBT具有最小的電壓上升率(du/dt),如圖6所示。最先關(guān)斷的IGBT將分擔最大的電壓(Uce1),而最后關(guān)斷的IGBT只分擔較小的電壓(Uce2)。這樣可以得到閥中器件電壓的最大值和最小值分別為從而可以知道器件關(guān)斷最大和最小不平衡電壓值與平均額定電壓的差分別為式中Un為具有n個器件的串聯(lián)閥的平均斷態(tài)電壓。而串聯(lián)閥中其余所有器件上的電壓都將位于Uce1和Uce2之間。2.2.3門極電源的上升過程IGBT開通過程中各個階段的波形如圖7所示(忽略開通時的電流過沖)?？梢钥闯銎渑c圖4中IGBT關(guān)斷過程的波形比較類似,也可以分為4個階段。其中第1個階段從門極電壓開始上升到集電極剛開始導(dǎo)通為止;第2個階段從集電極電流開始上升到其達到最大值時為止;第3個階段從集電極電壓開始降低到其達到最小值為止;第4個階段從門極電壓繼續(xù)上升到其達到門極驅(qū)動器電源電壓為止。從圖7可以看出,串聯(lián)IGBT閥在開通過程中的電壓分布主要取決于前3個階段中各個因素對各器件集射極電壓的影響,而其中最重要的是第1和第3個階段。1開通延遲時間的影響因素此階段和關(guān)斷過程的第1階段類似,門極側(cè)的等效電路也相同,只是門極側(cè)輸入電容此時由驅(qū)動電源對其進行充電。通過和相似的方法,可以計算出此階段的時間(即開通延遲時間)為從式(11)可以看出,開通延遲時間(tdon)也同樣受到總門極電阻、門極–發(fā)射極和門極–集電極電容、門極驅(qū)動電壓、器件閾值電壓等因素的影響。其中,總門極電阻、門極–發(fā)射極和門極–集電極電容與開通延遲時間長度成正比;而門極驅(qū)動電壓峰值則對開通延遲時間影響不大;器件閾值電壓則與開通延遲時間成對數(shù)正比。因此和關(guān)斷過程類似,總門極電阻、總門極電容對開通延遲時間的影響最大,而其它因素則相對較小或基本可以忽略。另外,開通時同樣也會存在串聯(lián)閥中各器件門極觸發(fā)脈沖電壓的不同步,這個和關(guān)斷過程基本相同。2器件內(nèi)的電流在此階段中,IGBT集電極電流開始出現(xiàn),并逐漸上升到最大的集電極電流為止(這里忽略掉了相應(yīng)二極管的反向恢復(fù)電流的影響)。由于每個閥中的所有器件為串聯(lián)結(jié)構(gòu),因此各個器件上的集電極電流是基本一致的(器件的集射極電容要分擔一定電流)。所以,雖然各個器件的開通延遲時間可能不盡相同,器件的集電極電流上升率可能也有些差異,但是由于各個器件會幾乎同時達到最大集電極電流,相當于在階段2中對各個器件的開通時間差異進行了一定的補償,使得各個器件能夠近似同時到達階段2的末尾。3器件壓降過程在階段3的開始,集射極電壓開始下降,經(jīng)過一定的時間之后達到器件的飽和電壓,器件完全開通,此時串聯(lián)閥上的電壓降為各器件的通態(tài)壓降之和,階段3結(jié)束。在此過程中電壓的下降速度與關(guān)斷過程的上升速度比較類似,影響因素和效果也基本相同。另外,根據(jù)上面所述的階段2的補償作用,使得串聯(lián)閥中各個器件在進入階段3的開始時刻比較接近,因此開通時的電壓不平衡度與關(guān)斷過程相比相對較小,串聯(lián)閥開通時的電壓均衡相對于關(guān)斷過程來說比較容易獲得。4器件開通前后電壓下降的變化由上文可知,對于由多個器件組成的串聯(lián)IGBT來說,電壓不平衡主要是由開通時的延遲造成的,最晚開通的器件可能要承受最大的過電壓,具體分析如下。如果串聯(lián)閥中的器件總數(shù)為n,假設(shè)某一個器件(設(shè)為器件A)最晚開通,并且最晚開通的器件相對于其它器件的時間延遲為ΔT,在器件A開通之前,其它n-1個器件的電壓都以du/dt的速率降落。那么當器件A開始導(dǎo)通時,其它器件兩端的電壓已經(jīng)有所降低,這樣最晚開通的器件上的過電壓ΔU可以計算如下:反之,如果器件1最先開通,經(jīng)過ΔT1的開通時間后,其它器件才開始開通,開通時的電壓下降斜率為du1/dt則其在開通之后經(jīng)過ΔT1時間后所降低的電壓ΔU1將被平均分配到其余的器件上。因此,對于其它n-1個器件,就會產(chǎn)生如下的過電壓:如果器件2又先于其它n-2個器件開通,經(jīng)過ΔT2的開通時間后,其它n-2個器件才開始開通,則此時剩余的n-2個未開通器件上所承受的過電壓為從而可以得出,在第k個器件開通后,其它剩余器件上的過電壓為3igbt開關(guān)開通時電壓不平衡的測試為驗證上文分析,搭建了實驗系統(tǒng)進行研究。實驗中采用3只型號為FZ1200R12KF3的IGBT,電路的主要參數(shù)如下:直流側(cè)電容為15mF,負載為4mH和0.03Ω的阻感性串聯(lián)。采用復(fù)雜可編程邏輯器件(complexprogrammablelogicdevice,CPLD)實現(xiàn)對IGBT門極驅(qū)動板控制脈沖的輸出。實驗使用的直流側(cè)電壓為180V,控制脈沖的頻率為2kHz,占空比為1:25,負載電流為150A。所有實驗電壓、電流波形通過泰克示波器DPO2000測得。首先將控制器中各器件驅(qū)動脈沖的發(fā)出設(shè)為完全同步,然后通過示波器測量門極電壓信號,發(fā)現(xiàn)由于在信號傳輸過程中造成的影響,當信號到達3個IGBT的門極電路后產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖已經(jīng)有了一定的時間差異,3只IGBT的門極電壓Uge1、Uge2和Uge3之間依次具有25ns左右的差距。這就會對IGBT的開關(guān)過程的電壓平衡造成一定的影響。在上述條件下,對3只IGBT進行開關(guān)實驗,實驗結(jié)果如圖8所示。可以看出3只IGBT在開通時電壓基本上是平衡的,而在關(guān)斷時則產(chǎn)生了明顯的電壓不平衡現(xiàn)象?？梢娫陂T極脈沖有限的時間差異之內(nèi),對IGBT開通過程的電壓不均衡沒有明顯的影響。也可以看出,對于IGBT開關(guān)過程的電壓平衡來說,關(guān)斷時的電壓不平衡問題遠比開通時要嚴重,這也證明了前面的分析結(jié)果。圖9給出了在將其中一個IGBT的控制脈沖延遲125ns后,所測量的IGBT開關(guān)波形。從圖中可以看出,經(jīng)過較大的脈沖延遲后,無論是在開通(如圖10所示)還是在關(guān)斷(如圖11所示)時,IGBT上的電壓都會產(chǎn)生較大的不平衡。但是開通過程中電壓不平衡的嚴重程度仍然遠遠小于關(guān)斷過程。從圖11中可以看出,在關(guān)斷過程中IGBT上的不平衡電壓最大達到了額定電壓的2.4倍。因此在門極側(cè)