張雪珺 ，黃 萌 ，劉佳鴻 ，梁 琳 ，查曉明

（1.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430072；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

隨著綠色環(huán)保、靈活可控的柔性直流輸電技術(shù)和大功率的高壓直流斷路器等高壓大功率控制技術(shù)及其設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)絕緣柵雙極性晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）的耐壓和功率要求越來(lái)越高[1]。然而，由于目前IGBT工藝和制造水平的限制，單個(gè)IGBT的耐壓水平已無(wú)法滿足需求，多個(gè)IGBT串聯(lián)使用已經(jīng)成為解決這一問(wèn)題最直接最有效的方法。確保串聯(lián)IGBT器件間的分壓均衡是IGBT串聯(lián)技術(shù)的關(guān)鍵[2]。

在串聯(lián)IGBT運(yùn)行時(shí)，由于每個(gè)IGBT內(nèi)部參數(shù)可能存在的不一致和外圍電路等因素的影響，會(huì)造成串聯(lián)的器件之間存在電壓分配不均衡現(xiàn)象。串聯(lián)IGBT在開(kāi)斷過(guò)程中，存在的電壓不均主要分為靜態(tài)電壓不均衡和動(dòng)態(tài)電壓不均衡。靜態(tài)電壓不均衡是指當(dāng)IGBT處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，雖然各串聯(lián)IGBT器件兩端的電壓基本保持穩(wěn)定，但是每個(gè)IGBT器件的不同伏安特性及溫度變化會(huì)引起器件間不均壓；動(dòng)態(tài)電壓不均衡是指當(dāng)IGBT處于開(kāi)通和關(guān)斷瞬態(tài)時(shí)，IGBT自身參數(shù)的差異以及外圍電路參數(shù)（雜散電感、緩沖電路、驅(qū)動(dòng)電路和控制信號(hào)等）的不一致會(huì)導(dǎo)致各串聯(lián)IGBT器件兩端的電壓不均衡[3]。

為了解決串聯(lián)IGBT器件之間的不均壓現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出多種均壓方法。從均壓方式的控制方法來(lái)分類，可分為主動(dòng)均壓方法和被動(dòng)均壓方法2種。其中，主動(dòng)均壓方法主要通過(guò)輔助電路或控制策略直接或間接調(diào)整柵極側(cè)輸入，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)IGBT動(dòng)靜態(tài)均壓；被動(dòng)均壓方法主要在IGBT集電極-發(fā)射極側(cè)引入RC/RCD緩沖電路，利用緩沖電路吸收不均壓產(chǎn)生的過(guò)電壓，同時(shí)間接緩沖器件瞬態(tài)動(dòng)作過(guò)程[3]。

在不同的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中，需要選擇合適的串聯(lián)IGBT均壓方式以滿足不同的場(chǎng)合要求。因此，對(duì)不同串聯(lián)IGBT均壓方式進(jìn)行綜述總結(jié)，比較各種方法的均壓效果、均壓電路成本和復(fù)雜程度以及均壓損耗等因素下的原理特點(diǎn)是必要的。本文根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于串聯(lián)IGBT均壓方式的研究，分別歸納總結(jié)了被動(dòng)均壓控制方式和主動(dòng)均壓控制方式的研究現(xiàn)狀和特點(diǎn)，并對(duì)串聯(lián)IGBT均壓方式做了總結(jié)。

1 被動(dòng)均壓方法

被動(dòng)均壓控制方式是對(duì)串聯(lián)IGBT產(chǎn)生的不均壓進(jìn)行間接均壓控制的方式，即在每個(gè)串聯(lián)的IGBT外圍引入無(wú)源壓緩沖電路，當(dāng)串聯(lián)IGBT之間出現(xiàn)電壓不均衡現(xiàn)象時(shí)，引入的外圍電路可調(diào)節(jié)IGBT出現(xiàn)的過(guò)壓。

無(wú)源緩沖電路按照結(jié)構(gòu)主要分為RC緩沖電路和RCD緩沖電路[4]，如圖1所示。無(wú)源緩沖電路典型電路如圖1（a）所示，緩沖電容C和緩沖電阻R串聯(lián)后并在IGBT集射極兩端，當(dāng)串聯(lián)IGBT在關(guān)斷過(guò)程中出現(xiàn)不均壓現(xiàn)象時(shí)，IGBT集射極電壓開(kāi)始升高，并通過(guò)R向電容C進(jìn)行充電，此時(shí)如果IGBT集射極電壓過(guò)沖，電容C的存在會(huì)避免IGBT集射極電壓瞬間升得過(guò)高；當(dāng)IGBT從關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)殚_(kāi)通狀態(tài)時(shí)，如果IGBT集射極電壓過(guò)沖，電容C的電壓不能突變，將IGBT集射極電壓鉗位至電容C兩端的電壓，當(dāng)集射極電壓開(kāi)始下降時(shí)，電容C通過(guò)電阻R進(jìn)行放電，直至電容放電結(jié)束，為下一周期做好準(zhǔn)備[5]。

圖1 無(wú)源緩沖電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of passive snubber circuit

RC緩沖電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但用于大容量IGBT時(shí)，因?yàn)殡娙軨在IGBT工作的每個(gè)周期都要充放電1次，產(chǎn)生的緩沖損耗也較大。RCD緩沖電路加入了二極管D與緩沖電阻R并聯(lián)，當(dāng)IGBT集射極兩端出現(xiàn)電壓過(guò)沖時(shí)，二極管D旁路了電阻的充電電流，電阻R只在電容C放電時(shí)消耗能量，因此電阻R的功率要求為RC緩沖電路的一半，減少了產(chǎn)生的緩沖損耗[4]。

被動(dòng)均壓電路的參數(shù)選擇對(duì)均壓效果影響很大。1996年Jiann-Fuh Chen等[6]對(duì)IGBT串聯(lián)電路研究中選擇了RCD緩沖電路進(jìn)行均壓，并且分析了電路中參數(shù)的選擇條件。緩沖電阻R不能過(guò)大，以確保緩沖電容C在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)能夠完全放電；但R也不能過(guò)小，以確保電容放電電流不能過(guò)大從而損壞器件。緩沖電容用來(lái)減緩電壓的急劇變化并吸收器件兩端過(guò)電壓，如果C選擇過(guò)大，會(huì)影響切換時(shí)間；如果C選擇得太小，則不能抵抗電壓的急劇變化。2013年范振淇等[5]考慮了緩沖電阻R功率的影響，R的選取除了RC放電時(shí)間決定，必須保證電容在IGBT每次關(guān)斷過(guò)程中具有足夠的吸收能力。2016年 Kasunaidu Vechalapu等[7]對(duì) 15 kV SiC IGBT器件在較高直流母線電壓（10 kV直流母線）下串聯(lián)RC緩沖電路中元件值進(jìn)行了優(yōu)化，以減少開(kāi)關(guān)損耗和總損耗，關(guān)斷dVce/dt隨著緩沖電阻R增加而增加，隨著緩沖電容C增加而減少，因此，RC最優(yōu)范圍的選擇可以由dVce/dt和設(shè)備切換損失確定。2018年曲魯?shù)萚3]對(duì)直流斷路器研究中也通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)RC緩沖電路中元件值進(jìn)行了優(yōu)化，得到了與Kasunaidu Vechalapu等相似的結(jié)論。

對(duì)串聯(lián)IGBT的被動(dòng)均壓是在不均壓發(fā)生后產(chǎn)生的過(guò)電壓進(jìn)行吸收，一般與主動(dòng)均壓方法相結(jié)合使用。2017年Zhang Fan等[5]提出了一種混合有源柵極驅(qū)動(dòng)與無(wú)源緩沖電路相結(jié)合的串聯(lián)IGBT均壓方案，并在傳統(tǒng)RC緩沖電路基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)，即在緩沖電容兩側(cè)并聯(lián)無(wú)源鉗位回路（PC電路）[8]，改進(jìn)PC電路利用加入的鉗位支路對(duì)緩沖電容C放電，能量損耗與RC和RCD緩沖電路相比更小。2017年Chen Xiaotian等[10]在實(shí)現(xiàn)重復(fù)性大功率固態(tài)開(kāi)關(guān)中采用IGBT串聯(lián)模塊，并使用RCD緩沖電路與基于數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital signal processor）的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路相結(jié)合，將IGBT串聯(lián)個(gè)數(shù)和動(dòng)作過(guò)程中不均壓IGBT個(gè)數(shù)推廣到多個(gè)，在RCD緩沖電路的基礎(chǔ)上建立了各元件參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。Sadegh Mohsenzade等[11]基于RC緩沖電路，提出了一種利用箝位二極管和緩沖電容實(shí)現(xiàn)電壓自平衡的串聯(lián)IGBT均壓電路，并加入了能量反饋輔助電路。IGBT并聯(lián)的電容電壓可以在不需要控制的情況下進(jìn)行平衡，串聯(lián)IGBT模塊中最后一個(gè)IGBT中的不平衡能量通過(guò)能量回收電路回收。Mostafa Zarghani等[12]中提出一種集中式能量回收RCD緩沖電路，并給出了電路參數(shù)計(jì)算方法。

被動(dòng)均壓方法能夠減緩器件端電壓的變化速率，吸收過(guò)電壓來(lái)減小各器件之間的動(dòng)態(tài)電壓差，設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，可靠性高，但在高壓大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，緩沖電路的體積比較大，損耗和成本比較高，同時(shí)被動(dòng)均壓通常作為輔助措施，需要與其他均壓方法配合使用。

2 主動(dòng)均壓方法

主動(dòng)均壓方法根據(jù)其對(duì)柵極側(cè)輸入控制策略不同分為無(wú)源控制方法和有源控制方法。無(wú)源控制方法除了驅(qū)動(dòng)電路外，均壓過(guò)程僅依靠由無(wú)源器件構(gòu)成均壓電路的自我調(diào)節(jié)而不需要外加控制策略，主要包括電壓鉗位法、柵極動(dòng)態(tài)RCD法、準(zhǔn)有源柵極控制法和磁芯同步法。有源控制方法在均壓過(guò)程中需要硬件電路與控制策略互相配合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的實(shí)時(shí)控制，主要包括參考電壓法、主從控制法、自換相開(kāi)關(guān)控制法和柵極延遲控制法。

2.1 無(wú)源控制方法

2.1.1 電壓鉗位法

電壓鉗位法是一種基于齊納二極管分段鉗位的均壓方法[13]。均壓電路如圖2所示，均壓過(guò)程分為2部分，第1部分通過(guò)齊納二極管鉗位實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)IGBT的過(guò)電壓控制，當(dāng)IGBT集電極電壓高于設(shè)定電壓VZ1+VZ2值時(shí)，齊納二極管被擊穿并向IGBT柵極注入電流，加速（減慢）IGBT的開(kāi)通（關(guān)斷）；第2部分是在柵極和集電極之間添加了1個(gè)電容C1，使得IGBT的密勒電容CGC增大，減緩了開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程，使得IGBT的dv/dt降低，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)IGBT的動(dòng)靜態(tài)均壓。

圖2 電壓鉗位電路Fig.2 Voltage clamping circuit

但這種電路鉗位啟動(dòng)不平滑，在IGBT端電壓達(dá)到VZ1前電壓未得到控制，對(duì)瞬態(tài)過(guò)程無(wú)法做到全過(guò)程控制會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增大且控制效果削弱，鉗位電路瞬時(shí)功耗非常大。2010年Zhang Chunpeng等[16]在已有電壓鉗位電路的基礎(chǔ)上加入了斜率調(diào)節(jié)電路，通過(guò)增加齊納二極管組較為精確的實(shí)現(xiàn)電壓瞬態(tài)調(diào)節(jié)。

電壓鉗位法多與RC/RCD緩沖電路互相配合，2007年Will Crookes等[17]將RCD緩沖電路和齊納二極管鉗位電路混合使用，并根據(jù)不同的負(fù)載情況，從能耗的角度分析了該電路的優(yōu)勢(shì)；2014年Jiang Ye等[18]基于現(xiàn)有的采用有源鉗位和RC緩沖電路相結(jié)合的HV-IGBT串聯(lián)均壓方案，研究了有源鉗位電路的IGBT特性；2012年Ruchira Withanage等[14]將有源電壓鉗位和RCD緩沖電路相結(jié)合，可以用最少的元件數(shù)量和最小的電路總損耗實(shí)現(xiàn)良好的均壓；2012年Lu Ting等[15]針對(duì)緩沖與電壓鉗位相結(jié)合的均壓電路提出了參數(shù)設(shè)計(jì)方法，該參數(shù)設(shè)計(jì)方法綜合考慮了IGBT的開(kāi)關(guān)損耗、均壓電路的損耗、IGBT的電壓應(yīng)力和開(kāi)關(guān)頻率，以保證系統(tǒng)的效率可靠性和性能。

電壓鉗位法可以有效地抑制串聯(lián)IGBT的電壓不平衡，但是會(huì)有額外電流注入IGBT的柵極，在IGBT在有源區(qū)域中工作時(shí)使柵極電壓增加，電壓鉗位電路的長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通和頻繁動(dòng)作將導(dǎo)致IGBT的極高開(kāi)關(guān)損耗和串聯(lián)IGBT之間嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)損耗不平衡。2017年Lu Guanda等[19]利用鉗位二極管和緩沖電容器，提出了一種具有電壓自平衡能力的新型串聯(lián)IGBT電路拓?fù)洌⒃O(shè)計(jì)了一種能量反饋輔助電路，將能量進(jìn)行回收?？祫潘傻萚20]在傳統(tǒng)鉗位電路基礎(chǔ)上增加了一個(gè)反饋到驅(qū)動(dòng)端的反饋回路，在減少均壓過(guò)程中超調(diào)尖峰的同時(shí)可以降低均壓電路的損耗。陳玉香等[21]在分析IGBT模塊關(guān)斷過(guò)程中的載流子抽取機(jī)理的同時(shí)從載流子內(nèi)部機(jī)理角度分析了IGBT的有源箝位電路，有助于實(shí)現(xiàn)器件與電路最佳匹配。傳統(tǒng)電壓鉗位法需要使用多個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，各級(jí)驅(qū)動(dòng)電路需隔離高壓電源，元器件工作條件苛刻、電路復(fù)雜，不利于集成應(yīng)用，宋慧敏等[22]設(shè)計(jì)了一種電壓鉗位均壓與單驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出耦合電路，提高了均壓電路的穩(wěn)定性。

電壓鉗位法電路簡(jiǎn)單，可靠性高，對(duì)IGBT參數(shù)一致性要求不高，易于應(yīng)用到多個(gè)IGBT串聯(lián)。但是對(duì)于電壓變化沒(méi)有做到實(shí)時(shí)瞬態(tài)調(diào)節(jié)，需要配合被動(dòng)均壓以保證均壓效果。

2.1.2 柵極動(dòng)態(tài)RCD法

2001年Ju Won Baek等[23]提出柵極動(dòng)態(tài)RCD法，該方法利用IGBT柵極的全控性特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)柵極輸入電容的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)IGBT各VCE的均壓。圖3為IGBT串聯(lián)柵極動(dòng)態(tài)RCD均壓電路基本單元，參數(shù)的基本要求為 C1≥C2、R1≥R2。靜態(tài)時(shí)，R1～Rn主要起分壓功能，只要滿足

就可保證IGBT之間的靜態(tài)均壓。動(dòng)態(tài)時(shí)，當(dāng)串聯(lián)IGBT在關(guān)斷階段出現(xiàn)電壓不均時(shí)而產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí)，主電路對(duì)C1和C2充電。因?yàn)镃1≥C2，C1兩端電壓UC1基本不變，而C2兩端電壓UC2迅速上升，關(guān)斷時(shí)IGBT柵極的電位為低，D1導(dǎo)通，IGBT柵極會(huì)有電流流入，減緩器件兩端過(guò)壓。開(kāi)通時(shí)原理類似。由工作原理分析可知，這種電路不需要再加吸收電路，同時(shí)由于R1、R2要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載，消耗的功率很小，可提高電路的效率。由于引入了反饋通道，開(kāi)關(guān)的響應(yīng)加快，可以抑制IGBT串聯(lián)的過(guò)電壓。

圖3 輔助均壓電路單元Fig.3 Auxiliary voltage balancing circuit unit

圖4 帶BJT的輔助均壓電路單元Fig.4 Auxiliary voltage balancing circuit unit with BJT

Young-Chul Shin等[24]于2010年提出相似的電路拓?fù)洌撏負(fù)涞木鶋簡(jiǎn)卧?jiàn)圖4，電容C1、C2中點(diǎn)接于BJT的基極，經(jīng)電流放大后反饋回柵極。

柵極動(dòng)態(tài)RCD法避免了柵極側(cè)電路的復(fù)雜性，不需要檢測(cè)Vce，且均壓時(shí)串聯(lián)IGBT數(shù)目不受限制，但這種方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度要求很高，反饋電路參數(shù)對(duì)均壓效果影響較大。

2.1.3 準(zhǔn)有源柵極控制法

Evans和 Teerakawanic等[25-26]于 2011年提出了準(zhǔn)有源柵極控制法QAGC（quasi-active gate control）。該方法電路見(jiàn)圖5，僅使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，串聯(lián)IGBT下管S1開(kāi)始開(kāi)通關(guān)斷動(dòng)作，結(jié)合電阻、電容和二極管等簡(jiǎn)單無(wú)源器件構(gòu)成的輔助電路調(diào)節(jié)上管S2的開(kāi)通關(guān)斷時(shí)Vce2變化率dv/dt，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)IGBT動(dòng)靜態(tài)均壓。QAGC電路的平衡電容、寄生電感和柵極電阻的不同參數(shù)設(shè)置會(huì)在開(kāi)關(guān)期間影響IGBT的振蕩穩(wěn)定性[48]。根據(jù)QAGC電路的小信號(hào)模型，應(yīng)用參與因子和特征值靈敏度分析，可以進(jìn)行柵極電阻和平衡電容等電路元件的參數(shù)選擇，使振蕩得到改善。

圖5 兩器件串聯(lián)的QAGC電路Fig.5 QAGC circuit with two devices connected in series

Alireza Bagheri等[27]于2018年對(duì)QAGC的進(jìn)行了改進(jìn)，在已有電路結(jié)構(gòu)中，當(dāng)IGBT串聯(lián)數(shù)目增加時(shí)，現(xiàn)有的輔助電路不足以提供IGBT開(kāi)通所需的柵極電荷，上層器件不會(huì)完全開(kāi)通，通過(guò)加入改進(jìn)的輔助電路可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)IGBT的串聯(lián)連接，同時(shí)給出了級(jí)聯(lián)拓?fù)浜途植客負(fù)?種不同的電路結(jié)構(gòu)。

準(zhǔn)有源柵極控制法從根本上避免了柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)延不同問(wèn)題，能夠較為精確地調(diào)節(jié)器件開(kāi)關(guān)過(guò)程。但是輔助電路中各參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，有可能帶來(lái)額外的振蕩。

2.1.4 磁芯同步法

日本的Sasagawa等[28]于2002年提出磁芯同步技術(shù)，具體電路如圖6所示，這種方法是將串聯(lián)IGBT柵極與磁芯結(jié)合在一起，組成柵極平衡核Tg，Tg為匝數(shù)為1:1的2個(gè)繞組，分別連接?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)單元GDU和IGBT柵極。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出信號(hào)存在延時(shí)t時(shí)，由于電磁感應(yīng)原理，在時(shí)間間隔t內(nèi)流過(guò)2個(gè)繞組的電流Ig1和Ig2會(huì)與變壓器繞組成反比，即串聯(lián)IGBT柵極電流完全相同。IGBT開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程可以簡(jiǎn)化為柵極電阻對(duì)IGBT輸入電容充放電過(guò)程，當(dāng)器件參數(shù)相同時(shí)，開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程也會(huì)完全一致，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)IGBT動(dòng)態(tài)均壓。

圖6 磁芯同步技術(shù)[28]Fig.6 Gate-balancing core technology[28]

2007年Yasushi Abe等[29]在APS系統(tǒng)中串聯(lián)IGBT也采用磁芯同步法進(jìn)行均壓，并且考慮了柵極平衡核的漏感對(duì)均壓效果的影響。漏感越小2個(gè)繞組電流Ig1和Ig2的差值越小，均壓效果越好。

磁芯同步法適用于由驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)產(chǎn)生電壓不均的情況，且均壓效果較為理想，并且電路拓?fù)浜?jiǎn)單。但是耦合變壓器的存在，會(huì)使得驅(qū)動(dòng)部分的體積比較大，且復(fù)雜程度會(huì)提高，并且只能使用在串聯(lián)IGBT本身參數(shù)差異較小的情況，對(duì)于由IGBT參數(shù)不一致產(chǎn)生的動(dòng)靜態(tài)電壓不均不會(huì)有有效的均壓作用。

2.2 有源控制方法

2.2.1 參考電壓法

Patrick R.Palmer等[30-32]提出了參考電壓法以及相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。參考電壓法是利用預(yù)定義的參考電壓主動(dòng)鉗位器件兩端的電壓，電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，將各個(gè)IGBT的Vce與同一個(gè)給定的參考電壓進(jìn)行比較，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT兩端電壓的控制。最初的均壓思路是讓每一個(gè)串聯(lián)的IGBT的柵極都跟隨基準(zhǔn)Vce，Palmer在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了優(yōu)化的柵極控制信號(hào)，同時(shí)為了增強(qiáng)控制信號(hào)的穩(wěn)定性，在柵極增加了一層閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)將Vce鉗位到預(yù)設(shè)電壓實(shí)現(xiàn)串聯(lián)動(dòng)靜態(tài)均壓。

圖7 參考電壓法常見(jiàn)電路結(jié)構(gòu)Fig.7 Common circuit structure for the reference voltage method

文獻(xiàn)[33]提出一種相似的閉環(huán)控制的參考電壓均壓方法，具體電路見(jiàn)圖8，通過(guò)分壓電路來(lái)檢測(cè)IGBT電壓Vce,fb，并將該電壓與參考電壓進(jìn)行比較，比較電路輸出為

當(dāng)Vce,fb低于Vref時(shí)，反饋電路不工作；當(dāng)Vce,fb高于Vref時(shí)，TR2截止、TR3和TR4工作在有源區(qū)，即通過(guò)差分電路對(duì)柵極給一個(gè)正的驅(qū)動(dòng)電壓減緩器件動(dòng)作。該電路也在柵極驅(qū)動(dòng)器中設(shè)計(jì)了靜態(tài)電壓限制器，當(dāng)靜態(tài)出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)，迫使柵極驅(qū)動(dòng)器延遲開(kāi)啟器件。

針對(duì)IGBT的低開(kāi)關(guān)損耗需求，Yang Xin等[34]提出了一種改進(jìn)的參考電壓均壓電路結(jié)構(gòu)以及修正的參考電壓，該參考電壓根據(jù)開(kāi)關(guān)期間的IGBT開(kāi)關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)，在參數(shù)選擇時(shí)需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析。2012年，在文獻(xiàn)[35]的基礎(chǔ)上Patrick Palmer等[36]對(duì)靜態(tài)均壓引入了臨時(shí)鉗位技術(shù)。臨時(shí)鉗位參考信號(hào)是在正常參考信號(hào)的基礎(chǔ)上，在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)加入了可重復(fù)的電壓暫降，參考波形見(jiàn)圖9，這使IGBT再次進(jìn)入有源區(qū)并可改變其等效電阻和電容。

圖8 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)的有源控制電路Fig.8 Active control circuit for IGBT gate drive

圖9 臨時(shí)鉗位參考波形Fig.9 Reference waveform of temporary clamping

文獻(xiàn)[37-40]對(duì)提出的臨時(shí)鉗位技術(shù)進(jìn)行了建模和原理分析，通過(guò)使用基于傅里葉級(jí)數(shù)的IGBT仿真模型，從物理角度詳細(xì)解釋了臨時(shí)鉗位的原理。

參考電壓法具有良好的均壓效果，能夠?qū)Υ?lián)IGBT實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)電壓控制，但對(duì)系統(tǒng)的靈敏度和精度要求更高，且控制電路復(fù)雜程度高，需要數(shù)字和模擬混合控制電路，穩(wěn)定性低。

2.2.2 主從控制法

Angelo Raciti等[41]在2001提出了一種主從控制法。將串聯(lián)IGBT中某一開(kāi)關(guān)管的Vce作為參考電壓，其他開(kāi)關(guān)管為從管，跟隨主管電壓的變化而變化。通過(guò)對(duì)柵極電流控制來(lái)調(diào)節(jié)柵極信號(hào)的作用，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)IGBT動(dòng)靜態(tài)電壓平衡。

簡(jiǎn)化電路如圖10所示，主器件Tn的Vce變化過(guò)程由器件自身決定，從器件T1-Tn-1的Vce變化過(guò)程由控制電路控制，控制電路等效為由與主從器件Vce差值成比例的電壓控制電流發(fā)生器或電流吸收器，從而保證從器件的Vce跟隨主器件而變化。

Shao Xianqing等[42]于2013年提出了一種改進(jìn)的主從控制電路。由于有源鉗位法和主從控制法在某些時(shí)段都缺乏控制能力，因此提出了一種將改進(jìn)的主從方法與有源鉗位方法相結(jié)合的混合控制方法，以確保IGBT在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的均壓。

圖10 主從控制法簡(jiǎn)化電路Fig.10 Simplified circuit of master-slave control method

主從控制法中IGBT的損耗較小，且較參考電壓法來(lái)說(shuō)不用給定額外的參考電壓。但電路控制部分需要比較高的精度和靈敏度，尤其是運(yùn)放的帶寬要求大，控制電路還需要實(shí)現(xiàn)隔離，導(dǎo)致整套裝置復(fù)雜性大幅提升，串聯(lián)器件數(shù)量在3個(gè)以上時(shí)主從式控制不太適用。

2.2.3 自換相開(kāi)關(guān)控制法

Yang Lei等[43-44]于2014年與2017年提出了一種新的自換相開(kāi)關(guān)串聯(lián)方法。電路拓?fù)淙鐖D11所示，該方法通過(guò)使用附加的開(kāi)關(guān)，采用簡(jiǎn)單的控制算法調(diào)節(jié)主開(kāi)關(guān)兩端的電壓而實(shí)現(xiàn)均壓，并將開(kāi)關(guān)過(guò)電壓的能量反饋到直流母線。電路通過(guò)吸收電容吸收電壓不均時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，S1,i是主開(kāi)關(guān)，而S2,i是控制電容Ci能量釋放過(guò)程的輔助開(kāi)關(guān)。該串聯(lián)方法的均壓是通過(guò)根據(jù)電壓幅度調(diào)整各模塊中Ci的充放電過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于每個(gè)模塊的延遲時(shí)間不同，某些模塊的緩沖電容可以在開(kāi)啟和關(guān)閉期間充電。完整的開(kāi)關(guān)循環(huán)包括3種不同的狀態(tài)。首先，當(dāng)S1,i接通時(shí)S2,i斷開(kāi)，電流通過(guò) S1,i；第2階段，在S1,i被關(guān)斷的時(shí)刻，電流將通過(guò)快速恢復(fù)二極管切換到Ci的路徑，主電路電流給Ci充電；在第3階段，S2,i將打開(kāi)，將Ci中的能量釋放回直流母線側(cè)。利用可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)中的反并聯(lián)二極管，可以保證一旦S1,i斷開(kāi)，主電路電流將切換路徑通過(guò)Ci。由于所有電容器電壓之和等于恒定直流母線電壓，如果任何電容器電壓高于參考電壓，其余電容器的電壓將低于參考電壓。通過(guò)應(yīng)用延遲時(shí)間，每個(gè)模塊的電壓將自動(dòng)平衡。

自換相開(kāi)關(guān)控制法，可以采用較小尺寸的緩沖電容器，均壓電路整體損耗也較小，但在均壓過(guò)程中需要對(duì)主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)有精確的控制，且均壓過(guò)程不是實(shí)時(shí)控制，需要在幾個(gè)周期后才能實(shí)現(xiàn)較好的均壓效果。

圖11 自換相開(kāi)關(guān)串聯(lián)方法拓?fù)銯ig.11 Topology of series connection method for selfcommutating switches

2.2.4 柵極延遲控制法

柵極延遲控制法就是通過(guò)對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的延遲時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，由于IGBT自身具有開(kāi)關(guān)延遲，且驅(qū)動(dòng)電路存在傳輸延遲，因此可以通過(guò)控制各IGBT之間的相對(duì)延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)均壓，Christian Gerster等[45]于1994年提出對(duì)柵極信號(hào)進(jìn)行無(wú)差拍控制同步控制技術(shù)。它是通過(guò)均壓控制器對(duì)關(guān)斷電壓進(jìn)行采樣，延時(shí)提前關(guān)斷的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)斷信號(hào)的同步，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)IGBT均壓。

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)控制，調(diào)節(jié)柵極觸發(fā)時(shí)間，以保證各IGBT的VCE在同一時(shí)刻上升，實(shí)現(xiàn)良好的串聯(lián)均壓。Zhang Fan等[46]2015年提出一種主動(dòng)門(mén)電荷控制電路，硬件簡(jiǎn)化電路如圖12所示，該電路以電壓源為基礎(chǔ)的常規(guī)門(mén)驅(qū)動(dòng)CGD（conventional gate drive）作為IGBT的主驅(qū)動(dòng)，并添加互補(bǔ)電流源 CCS（complementary current source）來(lái)調(diào)節(jié)IGBT的切換速度。將FPGA作為控制器在給CGD提供驅(qū)動(dòng)的同時(shí)通過(guò)DA整流器控制CCS的電流幅值和作用時(shí)間來(lái)調(diào)整相應(yīng)IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

文獻(xiàn)[5]中，將固定電壓源驅(qū)動(dòng)VSD（voltage source drive）和數(shù)字控制電流源驅(qū)動(dòng)CSD（current source drive）混合形成了混合有源柵極驅(qū)動(dòng)HAGD（hybrid active gate drive），優(yōu)化了基于開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電壓平衡的電壓平衡控制策略。同時(shí)加入了無(wú)源緩沖電路。Wang Rui等[47]在有源柵極驅(qū)動(dòng) AGD（active gate drive）基礎(chǔ)上提出自適應(yīng)有源柵極驅(qū)動(dòng)SAGD（selfadaptive active gate drive），在動(dòng)態(tài)均壓的同時(shí)可將開(kāi)關(guān)損耗降至最低。周野等[48]提出了將柵極延遲控制法與電壓鉗位法相結(jié)合的多級(jí)鉗位均壓電路。Igor Baraia等[49]提出一種有源柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠把切換過(guò)程劃分成不同的時(shí)間間隔，驅(qū)動(dòng)器對(duì)每個(gè)時(shí)間間隔選擇適當(dāng)?shù)拈T(mén)電流電平，從而實(shí)現(xiàn)所需的電壓斜率和開(kāi)關(guān)瞬間同步。Lu Ting等[50]設(shè)計(jì)了一種基于DSP和FPGA的延時(shí)控制電路，其具有高采樣頻率，快速控制響應(yīng)速度和強(qiáng)大的抗EMI能力。Chen Gen等[51]提出了一種自適應(yīng)數(shù)字柵極控制ADGC（adaptive digital gate control）的策略。在所提出的控制策略中，對(duì)開(kāi)通di/dt和關(guān)斷dv/dt進(jìn)行數(shù)字采樣并反饋給控制單元FPGA。FPGA選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)參數(shù)，使串聯(lián)IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程同步。程植等[52]通過(guò)控制器提取IGBT關(guān)斷不一致的延遲時(shí)間，通過(guò)延遲時(shí)間先后給予門(mén)極關(guān)斷信號(hào)來(lái)補(bǔ)償預(yù)測(cè)出的總延遲時(shí)間。顏文旭等[53]針對(duì)傳統(tǒng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路會(huì)引入寄生電容干擾因素的情形，設(shè)計(jì)了一種只需從主電路獲取控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT所需功率的均壓電路，減少了寄生電容的引入，在一定程度改善了IGBT的串聯(lián)均壓。

圖12 硬件簡(jiǎn)化電路Fig.12 Simplified circuit of hardware

柵極延遲控制法可以精確地抑制電壓不均，電路整體損耗相對(duì)于其他主動(dòng)均壓方式也十分小。但是由于溫度等因素影響，柵極信號(hào)時(shí)延必須在線檢測(cè)和調(diào)整，時(shí)延時(shí)間較短，在幾十到幾百納秒，調(diào)整動(dòng)作必須非常精細(xì)，柵極延遲控制法通常無(wú)法單獨(dú)使用，而是作為其他方法的補(bǔ)充方法。

3 IGBT串聯(lián)均壓方法對(duì)比分析與展望

3.1 IGBT串聯(lián)均壓方法對(duì)比分析

不同的均壓方法因?yàn)榫鶋簷C(jī)理不同，均壓電路的均壓效果和實(shí)現(xiàn)的難易程度等均有差別。本文考慮均壓效果，從均壓電路是否能實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)均壓、附加損耗的大小和串聯(lián)數(shù)量擴(kuò)展的難易程度進(jìn)行對(duì)比分析；考慮均壓電路實(shí)現(xiàn)的難易程度，從均壓電路參數(shù)選擇和控制電路的復(fù)雜程度、對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的影響程度和電路可靠性進(jìn)行對(duì)比分析。

圖13給出了不同IGBT串聯(lián)均壓方法的電壓不均衡度和電壓等級(jí)對(duì)比情況。IGBT串聯(lián)的電壓不均衡度是每個(gè)串聯(lián)器件電壓和平均電壓的差值ΔVn與平均電壓Vn的比值[2]，電壓不均衡度越高，由于電壓不均對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的危害越大，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)均壓后電壓不均衡度的要求也不同。具體各種IGBT串聯(lián)均壓方法對(duì)比見(jiàn)表1。

圖13 不同均壓方法的電壓不均衡度和電壓等級(jí)對(duì)比Fig.13 Comparison of voltage imbalance degree and voltage level among different voltage balancing methods

表1 IGBT串聯(lián)均壓方法對(duì)比Tab.1 Comparison among voltage balancing methods for series-connected IGBTs

結(jié)合表1和圖13，被動(dòng)均壓方法和主動(dòng)均壓方法中電壓鉗位法、柵極動(dòng)態(tài)RCD法不需要控制電路，易于拓展，其應(yīng)用場(chǎng)景的電壓等級(jí)能夠達(dá)到15 kV以上，但均壓后電壓不均衡度較高，基本在10%以上[5,7,15,16]，同時(shí)對(duì)電路的均壓控制需要反應(yīng)時(shí)間，影響電路的開(kāi)關(guān)頻率，適合于高壓低頻的應(yīng)用場(chǎng)景。其中被動(dòng)均壓方法拓?fù)浜?jiǎn)單，最高可串聯(lián)64個(gè)IGBT模塊，串聯(lián)后可滿足44.8 kV的應(yīng)用場(chǎng)景[10]，且參數(shù)選擇容易，電路可靠性高，也可作為輔助方法與其他均壓電路相結(jié)合使用。

準(zhǔn)有源柵極控制法、參考電壓法和主從控制法能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)均壓，均壓后電壓不均衡度為10%以內(nèi)，準(zhǔn)有源控制法可以小于3%[26]，適合于高頻的應(yīng)用場(chǎng)景。但準(zhǔn)有源柵極控制法和主從控制法將驅(qū)動(dòng)與均壓電路相結(jié)合，使串聯(lián)數(shù)目的擴(kuò)展受到限制，目前文獻(xiàn)中最多串聯(lián)4個(gè)IGBT模塊[26,27,42]，應(yīng)用場(chǎng)景電壓等級(jí)最高[27]為1.6 kV。在高壓場(chǎng)景下需要多個(gè)IGBT串聯(lián)時(shí)，參考電壓法從驅(qū)動(dòng)側(cè)對(duì)電路進(jìn)行控制，器件擴(kuò)展數(shù)量不受限制；當(dāng)IGBT串聯(lián)數(shù)目較少時(shí)，準(zhǔn)有源柵極控制法使用單驅(qū)動(dòng)電路和簡(jiǎn)單的無(wú)源電路實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓，避免了由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲產(chǎn)生的電壓不均，同時(shí)不使用外加控制電路，顯著減少了系統(tǒng)復(fù)雜性和元器件數(shù)量，從而在相同電壓等級(jí)下產(chǎn)生較少的附加損耗。

磁芯同步法和柵極延遲控制法通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行均壓，均壓后可以將電壓不均衡度降至2%以下[28,43,52]，柵極延遲控制法最小可將電壓不均衡度降至1.3%[52]。但這兩種方法均是通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲時(shí)間的方法來(lái)調(diào)節(jié)電壓不均，僅適合于驅(qū)動(dòng)信號(hào)不一致導(dǎo)致電壓不均的應(yīng)用場(chǎng)景，磁芯同步法因耦合變壓器體積較大，不易于多個(gè)IGBT模塊串聯(lián)時(shí)使用，最多實(shí)現(xiàn)了4個(gè)IGBT模塊串聯(lián)[28]。

3.2 IGBT串聯(lián)均壓方法的挑戰(zhàn)與展望

上文已對(duì)各種均壓方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，隨著IGBT器件在耐壓等級(jí)、材料技術(shù)等方面的不斷提高，使用均壓電路的變流器電路拓?fù)洳粩喔?，IGBT串聯(lián)均壓方法還具有更大的挑戰(zhàn)和廣泛的發(fā)展空間。

（1）被動(dòng)均壓方法缺點(diǎn)為均壓電路產(chǎn)生的損耗較大，精確計(jì)算均壓損耗、分析損耗產(chǎn)生原因，有助于從源頭上減少整個(gè)電路帶來(lái)的損耗。在現(xiàn)有研究中，對(duì)串聯(lián)IGBT被動(dòng)均壓電路損耗計(jì)算還不夠精確。需要在考慮溫度等因素的情況下對(duì)IGBT器件和均壓電路精確建立損耗模型來(lái)實(shí)現(xiàn)損耗計(jì)算，減小被動(dòng)均壓方法對(duì)整個(gè)電路的不利影響。

（2）部分主動(dòng)均壓方法電路可靠性較低，在不同應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)均壓方法的分析應(yīng)包括均壓效果、電路可靠性等多個(gè)方面，在現(xiàn)有研究中，準(zhǔn)有源柵極控制法、參考電壓法等方法將驅(qū)動(dòng)電路與均壓電路結(jié)合以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)均壓，但復(fù)雜的參數(shù)計(jì)算或控制方法會(huì)給電路引入不穩(wěn)定因素，并且對(duì)電路可靠性的分析不夠深入。需要在參數(shù)選擇時(shí)加入電路的可靠性分析，并盡可能簡(jiǎn)化控制算法。同時(shí)，為便于不同均壓方法間的對(duì)比，可以建立包含串聯(lián)器件電壓不均衡度、均壓電路損耗、控制電路復(fù)雜程度和均壓電路穩(wěn)定程度等多種指標(biāo)為一體的評(píng)價(jià)體系。

（3）如何實(shí)現(xiàn)在高壓高頻下IGBT的串聯(lián)均壓，隨著IGBT工藝水平的進(jìn)步和SiC等新一代半導(dǎo)體材料的使用，單個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)速度越來(lái)越快、耐壓等級(jí)越來(lái)越高。在現(xiàn)有研究中，對(duì)高壓高頻或SiC IGBT應(yīng)用場(chǎng)合下串聯(lián)電壓不均研究較少。對(duì)于被動(dòng)均壓方法，需要考慮無(wú)源器件的耐壓值和均壓電路產(chǎn)生的損耗；對(duì)于主動(dòng)均壓方法，在優(yōu)化均壓反饋時(shí)間的基礎(chǔ)上，還可以考慮結(jié)合不同均壓方法優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)混合均壓，從而達(dá)到高壓高頻場(chǎng)景的應(yīng)用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在總結(jié)了IGBT串聯(lián)不均壓原因的基礎(chǔ)上，從主動(dòng)和被動(dòng)兩個(gè)方面綜述了IGBT串聯(lián)均壓方法的特點(diǎn)和基本原理，從瞬態(tài)均壓、附加損耗和參數(shù)選擇等多個(gè)指標(biāo)對(duì)比分析了不同均壓方法之間的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比得到在低頻應(yīng)用場(chǎng)景下，被動(dòng)均壓方法更能夠發(fā)揮拓?fù)浜?jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可作為其他均壓方法的補(bǔ)充方法；在高頻應(yīng)用時(shí)，參考電壓法更適用于器件擴(kuò)展數(shù)量較大的場(chǎng)景，當(dāng)器件串聯(lián)數(shù)目較少時(shí)，準(zhǔn)有源柵極控制法因均壓電路損耗較低且不需外加控制電路，能夠更好地滿足均壓要求。最后指出了IGBT串聯(lián)均壓方法研究面臨的挑戰(zhàn)和進(jìn)一步研究方向。