摘要：绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联应用的关键技术是均压控制。峰值控制技术是保证串联运行中每个IGBT的集射极电压都不超过**极限的有效技术。在介绍IGBT工作特性的基础上，对串联IGBT关断过程不同动态时段内的均压控制目标进行了分析，为设计不带RC缓冲回路的均压方法提供了理论基础。综合各阶段控制要点，采用基于稳压管箝位的峰值控制方法，在低压实验中实现了有效的串联均压，验证了理论分析的正确性。*后，针对该方法在高压应用时的缺点，提出了一种绝缘栅双极型晶体管；均压；峰值控制

1 引言

    随着电力电子技术的发展，高压大功率设备对IGBT的耐压等级提出更高要求，故IGBT串联技术成为研究热点之一。IGBT串联应用的关键问题是实现均压。在众多IGBT串联均压技术中，*简单、可靠的方法是并联RC缓冲回路。但在高压场合，考虑到损耗、体积及造价等因素，无RC缓冲回路的均压方法更实用。此外，基于电压轨迹控制和门极信号延时调整等有饱和区、有关断瞬态、关断稳态、开通瞬态、开通稳态。因IGBT不均压情况在关断时比开通时更复杂，在此以关断时的均压控制为主要研究目标。

    按外电路和器件内部参数不一致等因素对uCE不均压的影响效果，可将串联IGBT关断不均压过程分为关断瞬间的T1(uCE上升部分)、T2(拖尾部分)和关断稳态(T2以后)三阶段，如图1所示。T1阶段，主要是由外电路和器件内部参数的差异引起串联IGBT的uCE不均压。此时IGBT工作在有第2阶段电压变化率下降，以降低电压不均衡度，并为箝位电路赢得更多的响应时间。通过调节转折点和峰值箝位点的值，在IGBT关断过程的损耗与电压均衡度之间做出折中。在T2阶段，由拖尾电流的差异引起不均压，通过峰值箝位电路，向门极注入电流，改变uGE，使IGBT进入有Z1为100 V，Z2为330 V；C=2．2 nF；R1=24 Ω，R2=1．5 kΩ。

    图4为无均压电路时串联IGBT uCE波形。可见，在T1阶段，由于关断延时和关断速率不同，造成串联IGBT的uCE不均压。在T2阶段，由于串联IGBT拖尾电流不等，造成串联IGBT不均压。加入均压电路后，如图5b所示，在第1个箝位点实现了uCE波形两阶段的电压变化率控制；在第2个箝位点实现了峰值控制。均压电路对拖尾电流引起的不均压和关断稳态不均压都有显著控制效果。验证了稳压管箝位峰值控制均压原理的有效性。

    当串联单个IGBT承受电压较高时，电路中稳压二极管需串联。由于稳压二极管增多导致可靠性降低，其在高压大功率场合的使用受到限制。

3．2 IGBT雪崩箝位的峰值控制

    通常认为，一旦超过IGBT额定电压就会引起过电压击穿，导致不可逆的失效。其实IGBT发生过电压击穿时，雪崩电压击穿本身不会损坏器件，是个可恢复过程；过电压击穿失效本质在于雪崩电压击穿时产生的焦耳热累积引起结温不断上升的热击穿失效。在此通过实验验证IGBT具有可承受短时过电压击穿V关断，当V**极电压uCEv低于Vs2的雪崩电压U(BR)CE2，均压支路的漏电流很小，其阻抗可视为无穷大，Vs2承担整个uCEv，C上电压约等于零，均压支路不起作用。当uCEv达到Vs2的U(BR)CE2，通过回路R1-C1-Vs2-R2的电流，流入门极。该电流是集电极向门极的反馈电流，相当于增大了IGBT的米勒电容，使uCEv上升斜率下降。当C1两端电压达到Vs1的雪崩电压U(BR)CE1，流过回路Vs1-Vs2-R2的电流，注入门极。当该电流足够大时，IGBT进入有源区，使uCEv箝位在U(BR)CE1+U(BR)CE2，实现峰值控制。

    采用Saber软件仿真，主电路如图3所示，V1，V2采用主要描述IGBT静态特性、非线性极间电容及关断时拖尾电流等特性的IGBT模型，模型参数大部分参考MBN600E45A器件数据手册。均压电路如图7所示，Vs1，Vs2采用IGBT专有模型irg4bc40w。当串联的V1，V2关断时，部分参数波形如图8所示。其中，图8a为Vs1，Vs2的集电极电流iCVs1，iCVs2，集射极电压uCEvs1，uCEvs2；图8b为V1，V2的uGE，uCE波形，实线为有均压控制时的波形，虚线为无均压控制时的波形。在t1时刻，uCEv1超过Vs2的雪崩电压U(BR)CE2时，Vs2发生雪崩击穿箝位；随着uCEv1电压继续增加，C1充电，相当于增加了V1，V2的米勒电容，起到斜率控制的作用；t2时刻，C1两端电压超过Vs1的雪崩电压，Vs1发生雪崩击穿箝位，将uCEv1箝位到U(BR)CE1+U(BR)CE2，实现峰值控制作用。

4 结论

    综合考虑串联IGBT关断过程中3阶段不均压产生的特点，在800 V电压下测试了基于稳压管箝位的峰值控制方法，实现了较好的均压效果，验证了该均压原理的有效性。但该电路因稳压管器件功率、特性等因素，在高压场合使用受到限制，这里对该均压方法进行了改进，并通过仿真验证了其均压原理。为实际应用中的参数优化设计和高压实验验证提供了理论基础。