IGBT应用于VSC-HVDC中的关键技术研究

雒明浩，孙志毅，刘立群

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)



IGBT应用于VSC-HVDC中的关键技术研究

雒明浩，孙志毅，刘立群

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)

摘要：IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的串并联组合作为VSC-HVDC(Voltage Source Convertor-High Voltage Direct Current)中换流桥的功率开关模块，在实际应用中会出现器件电压电流不均衡的状况，这主要是由器件参数的差异和栅极驱动信号的不同步造成的。本文利用并联等值电阻法、外加缓冲电路法、栅极电阻补偿法对IGBT器件参数和栅极驱动信号的校正进行了理论研究和仿真分析，有效解决了IGBT串并联的电压电流不均衡问题。

关键词：IGBT；静态均压；动态均压；并联均流

自20世纪80年代问世以来，IGBT因其驱动功率小，开关速度快，饱和压降低等优点，广泛应用于电力电子领域[1]。然而随着电力电子技术的高速发展，单个IGBT器件的电压、电流等级已经难以满足高压大功率电路的设计要求，尤其是在电力牵引，电力传输等领域。在VSC-HVDC的工程应用中，换流站每个桥臂上的功率开关模块均由多个IGBT器件串并联组合构成，这不仅提高了设备的电压电流等级，同时也降低了设备的成本和体积，在散热和物理布局等方面也有较大优势[2]。但是由于IGBT器件参数的差异和栅极驱动信号的不同步等主要因素，多个IGBT串并联应用时必须要解决电压电流不均衡的问题。

1IGBT串联均压技术

1.1　静态均压技术

串联均压是指在IGBT串联工作时，需要使每个器件所分配的集-射极电压VCE保持均衡，包括静态均压和动态均压[3]。在串联的IGBT器件处于稳定的开通和阻断状态时，使其集-射极电压保持均衡，此为静态均压。造成静态电压不均衡的主要原因是串联的IGBT器件参数不一致，主要为伏安特性的差异。

为了解决IGBT串联时静态电压不均衡问题，可以采用在器件的集电极和发射极之间并联等值电阻的方法。若等值电阻RS远小于IGBT的漏电阻，则器件处于阻断状态时的电压分配主要取决于RS，因此在每个IGBT器件的集射极之间并联等值电阻，就可以解决静态电压不均衡的问题。需要注意的是，RS的阻值过小的话，流过RS的电流就会变大，造成较大的功耗。所以，需要从均压和功耗两方面来选择均值电阻的阻值。

等值电阻RS的阻值可以按照下式来选取[3]:

(1)

(2)

其中，RS—等值电阻的阻值，n—串联的IGBT个数，U—漏电流最小的IGBT的额定电压，Udc—主电路直流电源电压值，ICmax—串联IGBT漏电流最大值，P—并联电阻功率值。

采用PSpice仿真软件对图1所示的静态均压电路进行仿真，仿真结果如图2所示。其中Z1、Z2分别为三菱电机公司生产的IGBT器件CM200DY-28H、CM200DY-12H，根据器件参数计算出等值电阻RS≤66.7 kΩ，取RS=65 kΩ.

图1　静态均压电路

图2a所示为未加入等值电阻的集-射极电压波形，在30 us处两管开始触发导通，Z1、Z2的集-射极电压严重不均衡，且在开通和关断瞬间有很大的尖峰电压。由图2b可以看出，两器件并联了等值电阻之后，Z1、Z2的集-射极电压在稳态时达到平衡，但开通和关断瞬间的尖峰电压并没有改善。因此可知，并联等值电阻可以在IGBT处于正向阻断时平均分配各器件的集-射极电压，但是不能改善IGBT开通、关断瞬间的集-射极尖峰电压。

图2　静态均压时电压波形

1.2　动态均压技术

动态均压是指在串联的IGBT器件处于开通、关断过程时，使其集-射极电压保持均衡。除了器件参数的差异之外，栅极驱动信号的不同步也会造成串联的IGBT动态不均压。目前，主要采用加入缓冲电路和补偿栅极驱动信号等方法来实现IGBT串联的动态均压[4]。前者主要是指在IGBT串联拓扑的外围加入缓冲电路，后者是指构成一个与IGBT栅极驱动信号形成反馈的闭环电路来实现动态均压，但是这种方法控制复杂，成本高。因此，本文采用外加RCD型缓冲电路[5]的方法。

如图3所示，为RCD型缓冲电路原理图，它由电容、电阻和二极管组成，与栅极驱动电路一起控制IGBT的开关过程。当某一IGBT发生过压时，缓冲电路会发出一路栅极驱动信号到该器件的栅极，动态调节IGBT的开通和关断过程，抑制IGBT串联时出现的电压不均衡现象。

图3　RCD型动态均压电路

为了保证RCD缓冲电路有效工作，其RC参数需满足下式[3]：

C11=C21≫C12=C22

(3)

R11=R21≫R12=R22≫R13=R23

(4)

在满足式3、式4的条件下，C11和C21的端电压UC11和UC21基本保持恒定且约等于一半直流母线电压。当某一IGBT出现过电压时，则该过电压值将加在C12或C22上，并通过二极管向其栅极注入驱动电流，实现动态均压。

在串联IGBT开通过程中，若Z2管先于Z1管开通，则直流母线电压全部加在Z1上，Z1管的集-射极电压迅速上升。当Z1管的集-射极电压大于UC11时，C12开始充电，电压由零开始上升，并通过二极管和R13向Z1管的栅极注入一路栅极驱动电流，使Z1管提前进入导通状态，将Z1管电压钳位在UC11处，抑制Z1管过压。

在串联IGBT关断过程中，若Z2管先于Z1管关断，则直流母线电压通过还未关断的Z1管向C21和C22充电，同时Z2管的集-射极电压开始上升。当C22端电压由负变正后，将会通过二极管和R23向Z2管的栅极注入一路正电流，延缓Z2管的关断时间，使其能与Z1管同时关断，抑制Z1管发生过压。

动态均压电路仿真波形如图4所示，Z1和Z2均采用同一型号的IGBT器件，将Z2延迟0.5 us开通，延迟0.5 us关断。由图4a可以看出，在0-0.5 us时，Z1导通，Z2处于关断状态，且集-射极之间产生很大尖峰电压；在1~1.5 us时，Z1关断，Z2导通，直流母线电压均加在Z1上，且在1.5 us以后，Z2依然处于导通状态，其集-射极电压为零。由图4b可以看出，加入动态均压电路之后，Z1、Z2集-射极电压的均衡情况得到明显改善，在器件开通和关断时，两管的集-射极电压基本一致，且消除了Z2的集-射极尖峰电压。

图4　动态均压时电压波形

2IGBT并联均流技术

2.1　并联均流措施

与串联工作时一样，IGBT并联时也需要解决电流不均衡问题。静态不均流主要是由IGBT的通态饱和压降不一致引起的，需要外加均流电路使器件处于稳定导通状态时电流保持均衡。导致动态电流不均衡的主要原因是并联IGBT器件的转移特性不一致，此外，栅极驱动信号不同步、并联拓扑不对称和IGBT模块温度的差异也会造成并联器件动态不均流[6-8]。在建立IGBT并联电路时，要保证并联IGBT模块的集电极电流均衡，需按以下要求进行设计：

1)尽量选取器件参数一致的IGBT进行并联；

2)栅极驱动电路布局要对称，每个IGBT器件需使用独立的栅极电阻，并联IGBT的拓扑结构也要尽量对称；

3)尽量将并联的IGBT器件放置于同一散热装置上，使并联器件的温差尽量要小。

2.2　静态降额率

由于IGBT的通态饱和压降对电流均衡的影响，当饱和压降不一致的IGBT器件并联时，必须降额使用。电流的静态降额率δs可按如下公式计算[6-7]：

(5)

其中IT为并联器件总额定电流，IM为单个器件最大额定电流np为并联器件的个数。

根据生产厂家的给出的不同电压等级IGBT器件的静态降额率，可根据式(5)推算出并联IGBT模块的总额定电流，由此可作为选择器件的依据。对于三菱电机公司生产的IGBT器件，可以参照如下比例将额[6-8]：600 V器件将Ic降额10%，1 200 V器件将Ic降额15%，1 700 V器件将Ic降额20%.

2.3　动态降额率

由于IGBT器件开关时刻的电流动态不均衡，当器件工作在高频环境下，需要考虑动态降额率。动态降额率δd可由如下公式计算[6-7]:

(6)

定义φ为动态不匹配度，φ=△IC(PK)/△IC(PK)max，其中△IC(PK)=△IC(PK)max-△IC(PK)min，△IC(PK)max，△IC(PK)min分别为单个IGBT器件独立运行时的最大和最小峰值电流。

通常情况下，IGBT器件的静态降额率高于动态降额率，在实际并联应用中需根据具体情况合理的降额使用。

2.4　并联均流的仿真分析

一般来说，IGBT并联应用时，器件的特性参数不能做到完全一致。对于此种情况，可以采用栅极电阻补偿法[6-8]来实现IGBT的动态、静态均流。栅极电阻补偿法是通过调节栅极电阻阻值的大小来调节栅极充放电的时间，从而使器件的集电极电流基本保持一致。

采用PSpice仿真软件中的IGBT模块CM200DY-28H、CM200DY24H进行仿真分析，饱和压降分别为3.1 V、2.5 V，门槛电压分别为7.05 V、6.85 V.开通过程的波形如图5所示。图5(a)中，未加入栅极补偿电阻，两管在10 us处开始导通，在开通过程中和稳态时，流过两管集电极的电流有明显差异，器件参数较小的管子要承担较大的集电极电流，增大了开通损耗。在图5(b)中，加入栅极补偿电阻后，在开通和稳态时，两管的集电极电流基本保持一致，不均流的状况明显得到改善。

图5　开通过程的集电极电流波形

如图6(a)所示，在关断过程中，流过两管集电极的电流不能保持同步，器件参数较小的管子要承受大部分电流，增大了关断损耗。图6(b)所示的集电极电流波形为加入栅极补偿电阻之后的波形，可以看出两管在60 us~60.75 us的关断时刻，两管的集电极电流基本保持一致，有效的改善了两管关断不均流的状况。

由图5和图6分析可见，门槛电压较小的IGBT器件，在开通时刻首先开通，在关断时刻最后关断，因而要分配较大的集电极电流。在稳态时，饱和压降较小的器件，会承受较大的集电极电流。对器件参数较小的IGBT加入栅极补偿电阻可以有效的抑制集电极电流分布不均的情况。需要注意的是，并联IGBT的拓扑结构和栅极驱动电路要尽可能对称。

3结论

经以上分析可知，并联等值电阻法可以有效抑制IGBT串联应用中的静态不均压问题，但是不能抑制其开通和关断过程的尖峰电压。外加RCD缓冲电路法对于由栅极驱动信号不同步引起的动态不均压现象有明显的改善效果，并且可以有效抑制集-射极尖峰电压。栅极电阻补偿法通过调节栅极充放电时间，实现了IGBT并联模块开关时刻和稳态过程的电流均衡。

图6　关断过程的集电极电流波形

鉴于现有IGBT器件的耐压耐流等级，将IGBT串并联技术应用于VSC-HVDC中，是非常有必要的。在设计IGBT串并联电路时，要尽可能的选用器件参数一致的IGBT，栅极驱动电路和IGBT串并联模块的电路拓扑要尽可能的一致，这样才有利于在器件串并联应用时达到理想的均压均流效果。在实际应用中，由于多种客观因素和限制条件，往往要折中考虑这些影响因素。

参考文献：

[1]秦硕，孙志毅，刘立群，等.光伏发电并网逆变器设计[J].太原科技大学学报，2015，36(1)：06-11.

[2]张静，VSC-HVDC控制策略研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[3]吴京秋，IGBT应用于固态断路器中的关键技术研究[D].南京：南京理工大学，2007.

[4]ABBATE C，BUSATTO G，FRATELLI L，et al.The robustness of series-connected high power IGBT modules[J].Microelectronics Reliability，2007，47：1746-1750.

[5]郑连清，罗洋，陆治国.电压源换流器中IGBT串联动态均压新方法[J].低压电器，2012(7)：27-31.

[6]孙强，王雪茹，曹跃龙.大功率IGBT模块并联使用中动静态均流特性研究[J].电工技术杂志，2004(9)：84-86.

[7]王建民，闫强华，董亮，等.大功率IGBT模块并联动态均流研究[J].电气自动化，2010，32(2)：10-12.

[8]王雪茹，大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究[D].西安：西安理工大学，2004.

Research on Key Technologies of IGBT in VSC-HVDC

LUO Ming-hao，SUN Zhi-yi，LIU Li-qun

(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science & Technology，

Taiyuan 030024，China)

Abstract：The voltage and current unbalancing must be resolved when the series and parallel combination of IGBT is used as the power switching modules in VSC-HVDC convertors.The difference of parameters of the device and the synchronization of gate pulses are the main reasons to this situation.The correction of IGBT device parameters and gate pulses has been analyzed and simulated by paralleling equivalent resistance，adding the buffer circuit and compensating gate resistance.And the voltage and current unbalancing have been resolved in application of IGBT series and parallel.

Key words：IGBT，static balancing，dynamic balancing，parallel connection balancing

中图分类号：TM89

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.01.005

文章编号：1673-2057(2016)01-0022-05

作者简介：雒明浩(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为现代电力电子与新能源发电技术。

基金项目：中国博士后基金(2014T70234)；中国博士后基金(2013M530895)

收稿日期：2015-05-07