IGBT串联均压电路设计及仿真_李可生

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IGBT串联均压电路设计及仿真

李可生

（南华大学，湖南衡阳421001）

摘要：为了解决IGBT串联运行时的电压不均衡问题，设计出了一种栅极侧动态均压控制电路，并建立了一个由三只IGBT串联组

成的斩波仿真电路，通过模拟电压失横现象，验证了该均压电路的可行性。

关键词：绝缘栅双极型晶体管；串联；均压中图分类号：TM41文献标识码：B引言

IGBT由于具有驱动简单，保护简易，开关频率高，通态压降低，载流能力强越来越多的在现代变频装置中应用。但是目前单只IGBT的耐压和耐流还不能满足高压变频器的要求，需要将多只IGBT串联使用。然而，在串联应用中，由于各器件的静态伏安特性和动态参数的不同，将引起各器件间电压分配不均匀而产生过电压失衡现象，造成IGBT器件的损坏，甚至是高压设备的损坏，所以在IGBT模块串联使用中必须采取有效的静态和动态均压措施。只有在串联IGBT模块处于理想的静态和动态均压状态时，才能最大程度地利用其耐压值，发挥其优势。

IGBT伏安特性的差异会使串联IGBT工作在阻断状态时产生静态电压不均衡现象，而在IGBT的开通瞬间和关断瞬间，由于IGBT的栅极电荷和输出电容的不同，则会造成IGBT串联运行的动态电压不均衡。针对这些不利因数，本文提出了一种栅极侧均压控制的方法，来达到均压的目的。

1IGBT均压控制电路图

均压控制电路如图1所示。电路由两只小电容器，三只小电阻和一只小二极管及一只稳压二极管组成。其中，电阻R1和R2是静态分压电阻；电容C1和C2是动态均压电容；Rg为栅极二极管，用以引入过压信号，同时还起到隔离驱动信号的作用；Rg1和Rg2为栅极电阻，用以限制引入栅极的电流；DZ为钳位二极管，用以保护IGBT的栅极。

动态电压的均衡由栅极条件及器件和电路的结构决定。在开通和关断瞬态，栅极辅助电路对先关断和后开通IGBT的栅极电荷进行了调

其中Qmax为最大反向恢复电荷。

2）电阻的设计考虑

设IGBT1的漏电流为ICmin，其余n-1只IGBT的漏电流为ICmax，一般IGBT手册会给出额定电压和最高结温时的漏电流ICmax。在实际

应用中选取均压电阻时，应从最不利的情况出发，即ICmin=0，而且还要留有一定

的裕量，则有：（2.2）

但是静态均压电阻不能选取得过大。电阻应根据IGBT的开启电压进行选取，其端电压应

另外也应考虑到栅小于IGBT的栅极开启电压。

极电阻对动态均压的影晌，一般Rg1为10Ω左Rg2由具体实验确定。右，3）电感的设计考虑电感L太大，对减小di/dt和开通损耗有利，但在开关器件关断后，电感中储存的大量能量

需要释放，一般以续流的方式消耗掉，功耗比较大。电感也不易选得过小，否则将在开通瞬

间产生过大的损耗。电感值可由下式近似确定，即：(2.3)

其中△V为IGBT1上的过电压，△td为IG-BT1和IGBT2开通延迟时间差。3电路仿真波形分析

瞬间集电极电压波形图如图5所示。

从图4中可以看出，由于Z2，Z3开通信号的延迟，使得Z2，Z3落后于Z1开通，这样Z1的端电压迅速开始下降而Z2，Z3要承担大部分电源电压，使Z2，Z3的端电压在开通瞬间出现了电压尖峰，如果此电压尖峰过大，超过其额定值，将损

Z3的开通信号延坏Z2和Z3。仿真结果表明Z2，

迟得越长，Z2，Z3上的电压尖峰越高。

图4（左）无均压电路开通瞬时电压仿真图5（右）有均压电路的开通瞬时仿真从图5中可以看出，虽然Z2，Z3开通信号的延迟仍然存在，但是由于均压控制电路的作用，使Z2，Z3的端电压尖峰得到了很好的抑制。

3.3关断瞬间仿真波形

三只IGBT串联关断瞬间无均压电路的电压仿真波形如图6所示。从图中可以看出，由于Z1关断信号的延迟，使Z1的端电压在关断瞬间出现了电压尖峰。同样，如果此电压尖峰过大，超过其额定值，将损坏Z1。而且由于串联IGBT漏电流的差异，使稳定断态时各只IGBT的阻断电压产生了很大差异，这将增加串联器件的损耗。

节和控制，从而达到了均压的目的。

2栅极侧均压电路器件参数选择

假设n只IGBT串联使用，电源总电压为VC，第一只IGBT承受的电压为V1。

1）电容的设计考虑为了检测过电压，在IGBT开关瞬间，电容器C1上的电压应保持基本不变，而电容器C2上的电压应尽快跟随IGBT端电压的变化，因而电容C1应远大于C2。根据实际经验，C1应大于C2一百倍以上。从串联器件端电压最不均衡的情况出发，并要留有一定裕量，则有：

图2（左）IGBT串联无均压电路仿真模型图3右）（IGBT串联有均压电路仿真模型

3.1采用国内外通用的Pspice仿真软件为了验证栅极侧均压电路的合理性，采用国内外通用的Pspice仿真软件，搭建了无均压电路设计的IGBT串联电路和有均压电路设计的电路，分别进行仿真操作。电路图如图2和图3：

在这两个仿真电路中，Z1代表IGBT1，Z2代表IGBT2，Z3代表IGBT3。电路中各元器件的参数是根据前面的计算公式和对电路中工作电流

另外，为了模拟过电压失衡的考虑进行设定的。

现象，在开通瞬间，Z2，Z3的开通信号被延迟了3

Z1的关断信号被延迟了3us。us；在关断瞬间，

Z1和Z2，Z3的开关频率设为lKHZ。

3.2开通瞬间仿真波形

三只IGBT串联无均压电路的开通瞬间集电极电压波形如图4所示，有均压电路的开通

图6（左）无均压电路的关断瞬时电压仿真图7（右）有均压电路的关断瞬时仿真

关断瞬间有均压电路的电压仿真波形如图7所示。如图示，Z1的端电压尖峰被抑制了，而且稳定断态时各只IGBT的阻断电压也基本得到平衡，同时减小了IGBT的损耗。

从以上仿真结果可以看出，在一定的电压

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