IGBT串联动态均压特性分析与控制
南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室的研究人员丁顺、邢岩等，在2018年第14期《电工技术学报》上撰文指出，多个IGBT直接串联工作是实现高压功率变换的有效途径之一，而串联IGBT之间的动态均压是实现其安全可靠工作的关键。
基于对场截止型绝缘栅双极型晶体管（FS-IGBT）串联工作特性的实验测试与分析，发现其关断时刻差异与关断过程不均压程度的关系规律，并提出一种能反应串联IGBT特性并且可以通过实时调节各IGBT关断延时（或超前）时间而实现动态均压的控制策略。
该时间调节量由两段式调节算法生成，即在不均压程度较大时采用比例-二次方算法，实现均压快速性；在不均压程度较小时采用比例算法，实现均压稳定性。并将每个IGBT的延时调节量递推引入其相邻的下一个IGBT的延时形成单元，进一步优化均压调节速度。实验验证了所提出的动态均压控制方法的可行性和有效性。
在中高压功率变换领域，IGBT由于其良好的工作特性被广泛应用[1,2]。但是随着工作电压的升高，单个IGBT模块无法单独工作，往往需要将多个IGBT直接串联应用[3-5]。采用多个IGBT直接串联结构，存在串联IGBT之间的动态和静态均压问题，文献[6,7]深入分析了其电压不平衡机制。
为解决这一均压问题，一般有以下三种方案：
①加入吸收电路[8,9]，这是最简单的均压方法，但是在电压较高、频率较高、电压和电流变化率较大的场合，这种方案会产生很大的损耗；②加入钳位电路[10-13]，在IGBT集射极两端并接稳压装置，当IGBT的端电压超过预设的电压值时，稳压装置对电压进行钳位，限制电压进一步上升，这种方案的实现也比较简单，但是同样会在稳压装置上损耗很大的能量；③直接控制各IGBT的驱动电路，通过调节IGBT的开关边沿来实现均压[4,14]。这种方案实现均压的能耗代价最小，效率最高，但是对控制的要求很高，尤其是高频工作的IGBT，对均压控制的快速性和稳定性提出了很高的要求。
针对上述第③种方案的均压问题，已有一些文献在驱动控制方面提出了解决方案。文献[5]通过动态调整门极驱动电压和门极驱动电阻实现串联IGBT的均压，但是由于预设的驱动电压等级和驱动电阻数量有限，该方案无法实现平滑切换，可能会导致控制不稳定。
文献[15]提出主从式的门极驱动调节方案，采样各个“从管”IGBT的端电压，并分别与“主管”IGBT的端电压进行比较，以此来调节各个“从管”IGBT的驱动信号。但是该方案需要在开关瞬间完成调节过程，对控制速度有极高的要求。
文献[16]提出具有钳位功能的驱动控制方案，IGBT端电压超过预设值时触发钳位装置，控制装置采集各IGBT钳位装置工作时间后进行控制调节，调节各IGBT驱动信号边沿时刻，最终使各路钳位装置工作时间一致，实现各个IGBT均压。
文献[16]对多个IGBT进行均压调节时采用的是通用的积分调节算法，并未充分考虑IGBT串联不均压特性。鉴于此，本文在文献[16]的成果基础上，研究了串联IGBT的关断延时-不均压程度关系特性，进而提出了一种均压控制方法，有效地改善了动态均压控制的快速性和稳定性。
图6 IGBT串联测试平台示意图
理论分析和实验表明，本文所提出串联IGBT动态均压控制方法，较之现有控制方法进一步改善了动态均压的快速性和稳定性，其主要特点如下：
1）算法采用比例调节与比例-二次方调节相结合的两段式调节算法，源于本文对串联IGBT实验测试和分析而发现的其关断时刻差异与不均压程度的关系规律。在两个IGBT关断边沿的时间差较小时，其过电压时间与驱动边沿时间差呈比例关系；而两个关断边沿时间差较大时，其过电压时间与驱动边沿时间差值按二次方关系迅速增大。
2）将每个IGBT的延时调节量引入其相邻的下一个IGBT的边沿延时（或超前）生成单元，从而递推反映了其上游各IGBT的调节量，进一步优化了均压调节速度。
3）本文方法在关断时间、驱动限流电阻和驱动电压等不一致情况下，均可快速稳定实现均压控制。
本文的均压控制方法，需要根据母线电压对有源钳位电路稳压管耐压值进行优化设计，因此较适用于母线电压变化不大的应用场合。