IGBT串联用的有源电压控制技术

和dVCE/dt反馈电路。VGE反馈电路输出与IGBT栅极-发射极电压VGE形成一定比例关系的反馈电压VFB2，dVCE/dt反馈电路输出与IGBT集电极-发射极电压变化率dVCE/dt形成一定比例关系的反馈电流IFB1。用户输入驱动信号产生集电极-发射极参考电压VREF，与反馈电压VFB1进行比较，再依次与反馈电压VFB2和dVCE/dt反馈电流比较、叠加，由缓冲放大电路放大后，通过栅极电阻RG加在IGBT的栅极上驱动IGBT。

3 实验结果

基于多重闭环反馈有源电压控制技术的“IGBT智能有源驱动电路”如图5所示。此驱动电路可接受电驱动信号和光驱动信号，内置的FPGA（现场可编程门阵列）可根据驱动信号生成参考信号。通过VCE反馈、VGE反馈及dVCE/dt反馈控制IGBT的开关过程，实现IGBT串联均压。

图5 AVC驱动电路

测试电路示意图如图6所示，为一个升压电路。串联后的IGBT充当开关器件，采用双脉冲触发方式。通过调节输入直流电压以及占空比，可以使串联的IGBT两端电压达到4000V以上，能满足多个IGBT串联的测试需要。图7是测试平台的照片。测试所用IGBT为英飞凌的FF800R17KF6C_B2，其额定电压为1700V，额定电流为800A。

图6 测试电路示意图

图7 测试平台照片

3.1单个IGBT测试结果

图8是有源电压控制下的单个IGBT关断和开通时的参考信号、VCE电压、IC电流以及VGE电压波形。

图8（a）中系统电压为500V，设定的IGBT箝位电压为1000V。从图中可以看出，IGBT的VCE电压跟随参考信号的效果很好，两者非常接近，数值相差100倍（由驱动电路设定）。因为箝位电压是1000V，所以图中没有电压箝位的现象。

图8（b）中系统电压为850V。在IGBT关断过程中，VCE电压出现过冲，但是被箝位在1000V，

随后进入稳态850V。在这个过冲的时候，可以看到VGE的电压保持在VGE(TH)之上，使得IGBT工作在有源区，从而保证电压不会超过设定的箝位电压。

图8（c）中系统电压仍为850V。从图中可以看出，在参考信号开始下降，即开通过程开始后不久，集电极-发射极电压VCE就开始跟随参考信号，此时IGBT工作在有源区，并逐渐进入开通状态。之后参考信号出现一个转折点，其dV/dt增大，目的是加快IGBT开通速度。VCE电压仍然试图跟随参考信号，但是由于参考信号的电压变化率过高，超出IGBT所能达到的最大值，因此IGBT的VCE电压无法紧密跟随参考信号，但是，还是以IGBT能达到的最大电压变化率下降。

图8 单个IGBT开通、关断波形：（a）关断波形

(VDC=500V)；（b）关断波形 (VDC=850V)；

（c）开通波形(VDC=850V)（黄：参考信号，红：VCE，绿：IC，蓝：VGE）

3.2 多个IGBT串联的测试结果

图9所示为有源电压控制下的两个IGBT串联的关断波形，其中红色和绿色为两个IGBT各自的集电极-发射极电压VCE，蓝色为串联IGBT的电流。图10所示为三个IGBT串联的关断波形，其中红色黄色和灰色分别为3个IGBT的VCE电压。可以看出，在关断阶段，IGBT的动态均压效果很好，电压差别很小。在关断过程结束后，由于IGBT的拖尾电流特性不同，使得VCE电压波形有分歧。这可以通过并联稳态均压电阻来解决，当IGBT彻底进入关断稳态后，其VCE电压将趋于一致[7]。

图9有源电压控制下的两个IGBT串联关断波形

（红：VCE1，绿：VCE2，蓝：IC）

图10有源电压控制下的三个IGBT串联关断波形

（红：VCE1，黄：VCE2，灰：VCE3）

3.3 IGBT开关损耗

IGBT的开关损耗是IGBT应用的重要指标。图11所示为有源电压控制下的单个IGBT关断的波形，其中的红色波形为电压与电流的乘积，即损耗功率。图11（a）的参考信号较慢，因此相应的损耗也较大，而图11（b）中的参考信号缩短了tRISE和tOFF的时间，也即增大了dVCE/dt，IGBT损耗也相应较小。

与传统的传统开关方式相比，图11（b）中的损耗主要是tRISE部分多出来的，而其损耗大小占关断的总损耗的比例并不大。事实上，采用有源电压控制法，使用者可以在IGBT的损耗和dVCE/dt等参数中选择平衡点，获得理想的性能。同时，由于有源电压控制法不需要缓冲电路来实现动态均压，又减小了一部分损耗。因此，采用合理的参考信号，有源电压控制法的损耗可以控制到与传统的传统开关方式相近的程度。即使是在特殊的情况下，需要较小的dVCE/dt，损耗的增加一般也不会超过50%。

（a）

（b）

图11 有源电压控制下单个IGBT开关波形及损耗：

（a）较慢参考信号；（b）：较快参考信号

（黄：参考信号，绿：VCE，紫：IC，红：损耗）

4 讨论

从以上实验结果可以看出，有源电压控制法在IGBT开通和关断过程中，可以有效的实现动态均压，两个串联的IGBT的集电极-发射极电压差别很校同时，有源电压控制法也可以实现IG