IGBT串聯(lián)用的有源電壓控制技術(shù)

3.3 IGBT開(kāi)關(guān)損耗

IGBT的開(kāi)關(guān)損耗是IGBT應用的重要指標。圖11所示為有源電壓控制下的單個(gè)IGBT關(guān)斷的波形，其中的紅色波形為電壓與電流的乘積，即損耗功率。圖11（a）的參考信號較慢，因此相應的損耗也較大，而圖11（b）中的參考信號縮短了tRISE和tOFF的時(shí)間，也即增大了dVCE/dt，IGBT損耗也相應較小。

與傳統的傳統開(kāi)關(guān)方式相比，圖11（b）中的損耗主要是tRISE部分多出來(lái)的，而其損耗大小占關(guān)斷的總損耗的比例并不大。事實(shí)上，采用有源電壓控制法，使用者可以在IGBT的損耗和dVCE/dt等參數中選擇平衡點(diǎn)，獲得理想的性能。同時(shí)，由于有源電壓控制法不需要緩沖電路來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)均壓，又減小了一部分損耗。因此，采用合理的參考信號，有源電壓控制法的損耗可以控制到與傳統的傳統開(kāi)關(guān)方式相近的程度。即使是在特殊的情況下，需要較小的dVCE/dt，損耗的增加一般也不會(huì )超過(guò)50%。

（a）

（b）

圖11 有源電壓控制下單個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)波形及損耗：

（a）較慢參考信號；（b）：較快參考信號

（黃：參考信號，綠：VCE，紫：IC，紅：損耗）

4 討論

從以上實(shí)驗結果可以看出，有源電壓控制法在IGBT開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，可以有效的實(shí)現動(dòng)態(tài)均壓，兩個(gè)串聯(lián)的IGBT的集電極-發(fā)射極電壓差別很小。同時(shí)，有源電壓控制法也可以實(shí)現IGBT關(guān)斷過(guò)程中過(guò)沖電壓的有效箝位，使其不超過(guò)預先設定的箝位電壓值，保證器件不會(huì )由于過(guò)壓造成損壞。有源電壓控制法還可以實(shí)現對電壓變化率dVCE/dt的控制，這樣可以根據系統的要求來(lái)設定相應的電壓變化率參數，防止電壓變化率過(guò)大對系統造成危害。

但是從波形和分析中我們也可以看到，由于有源電壓控制法可以控制dVCE/dt，在需要較慢的dVCE/dt時(shí)，會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗。對于此，我們可以通過(guò)優(yōu)化參考波形來(lái)減小損耗。同時(shí)，由于有源電壓控制法不需要緩沖電路來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)均壓，又減小了一部分損耗。

另外，在相同工作條件下，工作在較高頻率時(shí)，通過(guò)低耐壓IGBT串聯(lián)實(shí)現高電壓所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗，要比使用單只高耐壓IGBT所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗小，具體比較見(jiàn)表1。

進(jìn)行比較的3種英飛凌IGBT分別為1700V/1200A的器件FZ1200R17KF6C，3300V/1200A的器件FZ1200R33KF2C以及6500V/600A的器件FZ600R65KF2 （英飛凌6500V的IGBT沒(méi)有1200A的，因此只能采用兩個(gè)600A IGBT并聯(lián)實(shí)現1200A電流等級）。

表1中進(jìn)行比較的3種方案分別是：4個(gè)1700V器件串聯(lián)，2個(gè)3300V器件串聯(lián)和2個(gè)6500V器件并聯(lián)。數據完全來(lái)自于3個(gè)IGBT相應的手冊。串、并聯(lián)后的測試條件包括：

⑴ 電流IC=1200A；

⑵ 電壓VCE=3600V；（每個(gè)1700V器件承受900V，每個(gè)3300V器件承受1800V，每個(gè)6500V器件承受3600V）；

⑶ 柵極電壓VGE=±15V；

⑷ 溫度TVJ=1250C；

⑸ 占空比50%。

表1中的數據計算公式見(jiàn)[附錄](méi)。

從表1中可以看出，隨著(zhù)IGBT的耐壓的升高，開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗等相應增大。其中導通損耗增大的幅度相對不大，而開(kāi)關(guān)損耗增大的幅度則相當大。1700V/1200A IGBT一個(gè)開(kāi)關(guān)周期消耗的能量?jì)H為0.81J，3300V/1200A IGBT一個(gè)開(kāi)關(guān)周期消耗的能量增加為3.7J，而6500V/600A IGBT一個(gè)開(kāi)關(guān)周期消耗的能量達到了9.4J。如果用兩個(gè)6500V/600A IGBT并聯(lián)，實(shí)現1200A的電流等級，則一個(gè)開(kāi)關(guān)周期消耗的能量達到了18.8J。如此大的差距，在高頻情況下，將產(chǎn)生極大的損耗差別。

通過(guò)串并聯(lián)實(shí)現相同的電壓、電流等級后，在開(kāi)關(guān)頻率為500Hz時(shí)，3種方式的損耗相近，其中3300V/1200A IGBT的損耗最小。隨著(zhù)頻率的升高，高耐壓IGBT的開(kāi)關(guān)損耗越來(lái)越高。當工作頻率為10kHz時(shí)，采用6500V IGBT方案的總損耗已達到191.18kW，而采用4個(gè)1.7kV IGBT串聯(lián)的總損耗僅為39.84kW，相差4.8倍，而采用3300V IGBT的方案總損耗居中。

即使考慮到增加冗余量，通過(guò)使用5個(gè)1700V IGBT來(lái)實(shí)現一個(gè)6500V IGBT的應用，損耗仍然小很多，但是增加的冗余量，使得在有一個(gè)IGBT損壞的情況下，將其短路后，系統仍然能夠正常工作。

而考慮到使用有源電壓控制技術(shù)，基于控制dVCE/dt的考慮，而相比傳統開(kāi)關(guān)方式多甚至50%的損耗，采用多個(gè)低耐壓IGBT串聯(lián)的損耗仍然比使用高耐壓IGBT要低很多。

除了損耗和冗余度的優(yōu)勢外，在價(jià)格方面采用串聯(lián)低耐壓IGBT的方案，也往往具有優(yōu)勢。并且低耐壓IGBT由于需求量大，渠道暢通，供貨周期也相對較短。