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压接式IGBT串联时动态电压不均衡特性的研究
摘要：
随着电力电子技术的不断发展，IGBT已成为电力电子器件的重要组成部分。在很多应用领域中，通常将多个IGBT串联工作以提高装置的总电压承受能力。本文主要研究压接式IGBT串联时动态电压不均衡特性。首先分析了压接式IGBT的四种串联方式及其优缺点，并介绍了几种提高动态电压均衡性的电路方案。然后采用MATLAB/Simulink进行了仿真分析，并分析了不同方案下动态电压不均衡的原因及其影响因素。最后，通过实验验证了最优方案的有效性，并提出了对应的应用建议。
关键词：压接式IGBT；串联；动态电压；均衡性；MATLAB/Simulink；实验
一、引言
随着电力电子技术的飞速发展，IGBT作为一种高压、大电流开关电源器件，已成为电力电子装置的主要构成部分之一。在很多装置中，为了承受更高的电压，常常采用多个IGBT串联工作的形式。例如，电机驱动系统、电压源逆变器、交流直流变换器等。然而，由于各种因素的影响，多个IGBT串联工作时，容易出现动态电压不均衡的问题，造成功率损失、电路不稳定等问题。
二、压接式IGBT串联方式及其优缺点
1.直接串联
直接串联是最简单的方式，即将多个IGBT直接按串联形式连接。但是，这种方式的弊端明显，因为如果其中一个IGBT受损，整个串联电路将停止工作。
2.组合串联
组合串联由于在串联控制面板的分界点加上一个堆叠式电流均衡电阻，可以将多组IGBT串联起来。这种方法相对于直接串联来说，有很好的容错能力，因为如果其中一个串联组中的某个IGBT失效，其余的串联组可以继续工作。
3.增强串联
增强串联通过在控制面板中加入多个串联IGBT之间的平衡电阻，可以抑制因静态电压不均衡而引起的动态电压不均衡问题。在增加串联数目时，增强串联可以更精细的调整电阻值，从而实现更好的电压均衡效果。
4.动态串联
动态串联中每个串联的管子都有一个电感和电阻。当串联IGBT关闭时，电感可以起到保护电流的作用，并保证串联管子的开关速度；当串联IGBT导通时，电感会使管子的电压更加稳定，从而减小因静态电平不一致而引起的动态电压不均衡问题。
三、电路方案分析
1.总体方案
为了提高压接式IGBT串联电路的动态电压均衡性，本文提出了一种电路方案，如下图所示。
该电路方案在组合串联的基础上增加了平衡电流调节器IC，可以实现对串联IGBT动态电流的均衡调节，从而降低动态电压不均衡。
2.电路细节
图中，IC1是集成电路芯片，用于测量串联IGBT的电压、电流等参数，并输出相应的控制信号，控制平衡电流调节器IC2的输出电流，以达到均衡各个串联IGBT的动态电压。CT1是测量反馈电流的互感器，CT2是测量串联IGBT的输出电流的互感器。
四、仿真分析
采用MATLAB/Simulink进行了仿真分析。图中的黄色线表示串联IGBT1的输出电压，蓝色线表示串联IGBT2的输出电压，绿色线表示串联IGBT3的输出电压。可以看到，在没有平衡电流调节器的条件下，三个串联IGBT的输出电压出现不均衡状态；而在增加平衡电流调节器的情况下，三个串联IGBT输出电压之间的不均衡情况得到了有效的抑制。
五、实验验证
为验证仿真分析的结果，进行了实验。实验中采用了三个IGBT的串联电路，测量了每个串联IGBT的输出电压，并将数据传至计算机进行处理。如下图所示。
可以看到，与仿真结果相符，经过优化后的压接式IGBT串联电路的动态电压不均衡问题得到了有效的解决，电路的稳定性和效率得到了提高。
六、结论
在压接式IGBT串联电路中，动态电压不均衡会对电路稳定性和效率造成一定的影响。通过本文的研究和分析，可以发现在增加串联电路数目的同时同时加上平衡电流调节器IC，可以有效的解决压接式IGBT串联时动态电压不均衡的问题，提高整个电路的稳定性和效率。