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基于有源箝位的IGBT过电压抑制技术
作 者:华中科技大学控制科学与工程系   雷明 程善美 于孟春 申勇哲

1 引言
绝缘门极双极性晶体管(igbt)集功率场效应管(mosfet)和双极性功率晶体管(bjt)的优点于一身,既具有输入阻抗高、开关速度快,热稳定性好和驱动电路简单的特点,又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点,因此在现代电力电子技术中得到越来越广泛的应用[1]。igbt应用的关键技术之一是过电压抑制。过电压抑制不仅直接关系到igbt本身的工作特性和运行安全,还影响到整个系统的性能和安全。本文在研究igbt产生关断过压原理的基础上提出了基于有源箝位技术的过电压抑制策略。

2 igbt过电压产生原理
因为电路中寄生电感是无法消除和不能忽略的,在igbt关断的过程中,这些寄生电感因变化的电流而产生感生电压叠加直流母线电压一起加在igbt的c、e两端,会产生很大的关断尖峰电压[1]。图1显示了换流回路中的寄生电感。
将所有寄生电感的综合作用等效为一个电感lб,则尖峰电压为:




图1 寄生电感分布
igbt关断时的门极电压,集电极电压和电流的波形如图2所示。由式(1)可知,关断尖峰电压和集电极电流的变化速率紧密相关,而门极电阻和门极关断电压直接影响了关断电流的下降速率。由图2可知,关断时门极电压并不是理想地从正开通电压(一般情况下为+15v)直接降到负关断电压(一般为-15v),而是有一个缓慢下降的过程,并且在集电极电压vce上升的过程中,由于寄生电容cgc的作用,有一部分集电极电流流过门极使门极电压基本不变[2][3]。门极电压的下降和门极电阻有很大关系:门极电阻越大,门极电压下降越缓慢,则集电极电流ic下降速率也越缓慢,则引起的尖峰电压也会越小。


图2 igbt关断电压、电流和门极电压

3 传统过电压抑制方法
传统的抑制关断尖峰电压的方法如图3所示,其原理是在正常的关断过程中,门极关断电阻使用rg,一旦检测到过压的情况,则使用阻值较大的rg(soft-off),使门极电压下降变缓以减小集电极电流ic的下降速率,以此减小关断尖峰电压[4]。

图3 抑制关断尖峰电压的传统方法
但是它有以下一些缺点:首先整个控制是开环控制,而且rg(soft-off)阻值恒定,不能满足任意情况下的过电压尖峰,如果ic下降很快以致使用阻值大的rg(soft-off)也不能有效抑制过电压,则保护失败。其次,检测过压需要一定的时间,而igbt承受过压的时间是有限的,而且随着过电压的变大其承受时间会变短,如果检测时间较长,即使进行了保护,igbt仍然会损坏。

4 有源箝位过电压抑制
针对传统过电压抑制的缺点,本文提出了有源箝位过电压抑制策略。有源箝位过电压抑制的原理如图4所示。

图4 有源箝位保护电路原理图
图4中实现箝位功能的主要是瞬态电压抑制器(tvs)。瞬态电压抑制器是一种二极管形式的高效保护器件,但不同于一般的二极管。传统二极管是不会让电流反向通过的,如果反向电压过大,则会发生雪崩,二极管会被击穿。tvs与传统二极管有同样的特性,只是雪崩电压比传统二极管大大降低,而且在它达到雪崩电压后,会使反向电流导通而不被击穿并且能把电压抑制下来。
有源箝位过电压抑制正是利用了tvs的特性,在集电极端的电压达到tvs的雪崩电压后,集电极电流就会有一部分通过tvs而流向门极,向门极与发射级间的寄生电容cge充电,抬高门极的电压,以减小ic的下降速率,来减小尖峰电压。
有源箝位过电压抑制过程中的集电极电压vce,集电极电流ic和门极电压vge的波形如图5所示。

图5 有源箝位过程的vce、ic、vge
相比较于传统的保护过电压抑制的方法,有源箝位有如下优点:
(1)有源箝位保护是闭环控制;
(2)有源箝位保护不需要专门的检测过压电路,它根据tvs的特性自动的感应到igbt是否过压,因此它的响应很及时;
(3)有源箝位保护可以动态地改变门极电压,及时调整门极电压使得ic的下降速率变缓直到过电压变小到安全范围。

5 仿真研究
下面基于saber的仿真验证有源箝位的抑制效果。首先按照图1的拓扑结构进行仿真,其中的寄生电感用一个电感lσ=200μh代替,直流母线电压设为600v,负载电感lσ=220μh,驱动模块由脉冲电压源和驱动阻值为6.2ω的电阻组成。仿真结果如图6所示。

图6 无保护时igbt的vce、ic、vge
图6中第二张图左方的坐标轴(0—1kv)为vce的坐标,右方坐标轴(0—200a)为ic的坐标轴。从图6可以看出,没有采用有源箝位单元时,igbt的关断电压vce的最图6中第二张图左方的坐标轴(0—1kv)为vce的坐标,右方坐标轴(0—200a)为ic的坐标轴。从图6可以看出,没有采用有源箝位单元时,igbt的关断电压vce的最大值达到了900v左右,超过稳态值300v。

图7 有源箝位抑制下igbt的vce、ic、vge
图6中第二张图左方的坐标轴(0—1kv)为vce的坐标,右方坐标轴(0—200a)为ic的坐标轴。从图6可以看出,没有采用有源箝位单元时,igbt的关断电压vce的最大值达到了900v左右,超过稳态值300v。
在图1的拓扑上加上有源箝位抑制单元,形成如图4所示的拓扑。saber里面没有tvs模块,但是saber提供的编程语言mast可以让用户编写自己需要的任何模型,所以根据tvs的特性曲线,编写了一个雪崩电压为700v的tvs模块。有源箝位抑制单元的另一个普通二极管使用的是saber自带的二极管模型。所得仿真结果如图7所示。
图7中第二张图左方的坐标轴(0—750v)为vce的坐标,右方坐标轴(0—200a)为ic的坐标轴。比较图6和图7可以发现,vce的电压由最大值900v降为700v左右,箝位效果还是很明显的。电流的下降时间由不到0.2μs变为大约0.3μs,这是因为tvs将电流引向门极后,使门极电压停止了下降,这样减小了ic的下降速率,这样也减小了寄生电感上感生的电压。ic下降结束后,寄生电感上产生的电压也变小,tvs停止工作,门极电压则继续下降,直到整个关断过程结束。
从仿真的结果可以看到有源箝位抑制过电压的实时性,一旦vce超过设定的值,tvs就会立即工作,箝位到设定的值,不需要任何检测电路。这是有源箝位的最大优点。

6 结束语
本文详细讨论了igbt关断时产生过电压的原理以及解决办法,着重研究了有源箝位抑制过电压技术,并在saber仿真环境下验证了有源箝位抑制过电压的效果。仿真结果表明:有源箝位能实时抑制过电压,动态地改变门极电压使ic的下降速率满足安全的要求,该技术在igbt驱动电路中具有广阔的应用前景。

作者简介
雷明(1987-)男 硕士研究生,研究方向为电力电子及电力传动。
程善美(1966-)男 博士/教授,研究方向为电力电子及电力传动。

参考文献
[1] vinod kumar khanna. the insulated gate bipolar transistor (igbt): theory and design[m]. new york: ieee press, 2003.
[2]s. musumeci, a. raciti, a. testa, etc. switching-behavior improvement of insulated gate-controlled devices[j]. ieee trans. on power electronics,1997,12(4):645~653.
[3]petar j. grbovic. an igbt gate drive for feed-forward control of turn-on losses and reverse recovery current[j]. ieee trans. on power electronics, 2008,23(2):643~652.
[4]刘志星,刘憾宇,李明等.用于风力发电系统的大功率igbt短路保护的研究[j].变频器世界,2010 (2):43~45.

[我要评论] | 本文来自:2012年第4期“技术探讨与研究”上 ,已经被阅读过72639
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