以IGCT和IGBT为例来分析电力半导体器件的串联使用。

器件的串联使用是扩大变换器电压处理能力的手段之一。已经有基于IGCT和IGBT串联的变换器在工业界使用。随着高压大容量变换器的使用需求越来越大，器件串联技术使用的范围会逐渐扩大。从目前看，IGCT和IGBT的串联技术，尤其是IGBT的串联技术呈现出多样化。总的来说，器件串联技术的关键问题是如何尽量降低串联各器件所承受电压的不均衡程度，目前存在两种不同风格的均压技术思路。

一种可以称之为开环式的串联均压方式，如图6-13所示，在保证门（栅）极信号同步的同时，这种方式需要进行串联结构优化，如尽量选取动态性能相近的管子，必要时引入动态均压电路等。存在很多不同的解决方案，其共同点是在降低串联各器件所承受电压的不均衡程度的过程中没有使用器件承担电压的反馈信息。

图6-13 开环式的串联均压方式

另一种技术思路通过设定参考反过来调整驱动时序，最终达到器件承受脉冲的一致性，称之为闭环式的串联均压方式。首先确定器件所承担电压的不均衡度，即确定器件承担电压的参考值，引入实际器件承担电压作为反馈，通过参考值与反馈值之间的误差进行一些控制措施调整，达到降低串联各器件所承受电压的不均衡程度的目的，如图6-14所示。在这类解决方案中，调整控制的终极目的并不是保证所有的驱动、器件动作等行为的一致性，而是期望最终实现器件承受电压在时序上（包括上升沿和下降沿在内）的整个范围内较好重合。

图6-14 闭环式的串联均压方式

在实际应用中，串联的电力半导体器件由于驱动信号发生、传输等的差异可能导致器件门极信号的不对称，导致器件承担电压的不均衡。但是即使器件门极信号可以做到完美的同步和对称，由于器件特性、运行温度和所在电路存在差异，也可能导致不同器件在串联运行过程中出现电压分布不均的情况。开环式的解决方法是通过降低所有不对称的因素来解决问题，而闭环式则通过反馈信息的参与来解决问题，两者有各自的优缺点。值得注意的是，在器件串联技术中，开环式和闭环式的技术思路可以进行有机结合，尤其是在IGBT的串联技术中两者结合的方式体现得更明显。

目前对于IGCT和IGBT串联（或许可以推广至大部分的电力半导体器件串联）研究的主要关键技术基本也是按照图6-13和图6-14两种思路展开，下面给出其中几种具有代表性的技术。

1）无源均压电路。在变换器工作过程中，为了保证串联的电力半导体器件之间不致出现较大的电压应力不均而导致器件损坏，在每个器件两端并联均压电路，包括动态均压电路和静态均压电路，使用无源器件来弱化器件特性和主电路参数差异，使得器件在串联工作时变得更加“鲁棒”，通过强化器件外电路特性（包括器件和均压电路）直接达到承受电压的均衡，如图6-15所示。均压电路的设计在后面的章节中有更详细的分析。

2）有源门极设计。检测每一个串联的器件两端承受电压，一旦检测到某只器件电压偏高，则下一个开关周期中将该器件的门极关断信号加入延迟；否则提前。通过调整门极信号的时序来实现串联均压，其示意图如图6-16所示。

图6-15 无源均压电路

图6-16 有源门极设计

3）过电压有源箝位电路设计。该方案一般只用于IGBT的过电压保护和串联技术中，如图6-17所示。利用IGBT开关过程跟栅极电压波形之间的密切关系，通过集电极电压的反馈参与IGBT的栅极电压控制，以调整器件承担电压。

所列的三种器件串联技术方案中，方案1）可以使用于所有的器件串联，包括IGBT、IGCT和二极管等；方案2）理论上可以同时适用于IGBT和IGCT，但一般在IGBT串联中，该方案需要负载的采样和控制系统，系统较复杂；方案3）仅适用于IGBT串联，一般来说实现起来增加的电路的体积非常小，但对IGBT的开关特性有一定影响，设计不当会增加器件的开关损耗。

以IGCT的串联为例，来分析器件串联中的不均衡因素和无源均压电路设计。IGCT串联中需要考虑器件稳态和动态电压不均衡情况。稳态电压不均衡主要是由串联器件的阻态漏电流不同而导致，该漏电流一般受到器件结温和工作电压的影响。动态电压不均衡主要是器件特性的差异，以及器件门极驱动信号在驱动器和器件之间传输延迟差异所导致。表6-3中对串联器件电压不均衡的部分主要原因进行了罗列。

图6-17 过电压有源 箝位电路设计

表6-3 串联器件电压不均衡的部分主要原因

图6-18 无源均压电路

当采用无源均压电路时，一种简单的均衡静态电压的方法是在每个IGCT两端并联电阻进行均压保护，如图6-18a所示，即稳态均压电路。其基本出发点就是让不均衡的漏电流从并联的电阻流过，从而只产生较小的电压不均衡。其中并联电阻的阻值可由如下的经验公式得到：

式中 ΔU_T——串联器件间允许的最大电压差；

ΔI_lk——断态漏电流的误差容限。

而在实际应用中，R_p的设计在考虑静态均压效果（开关器件之间偏差电压大小）的同时还要考虑其损耗。以4500V/630A的IGCT（5SHX 08F4502）为例，它在断态可重复正向电压4500V下漏电流小于20mA。当两只串联IGCT稳定承担4.6kV母线电压时，两串联IGCT（T1，T2）所承受电压的最大偏差电压（ΔU_T=U_T1-U_T2）不同时选取的R_p值如图6-19所示，不同R_p值对应的电阻热损耗如图6-20所示。还需要注意的是，均压电阻准确度（ΔR_p/R_p）对串联器件偏差电压有着重要影响，如图6-21所示。

图6-19 不同电压偏差对应的并联电阻选择

图6-20 不同并联电阻值对应的电阻损耗

图6-21 静态均压电阻准确 度对偏差电压的影响

显然，均压电阻越小，均压效果越好，但流过均压电阻的电流越大，电阻损耗就越大。因此R_p的取值应综合考虑均压效果和损耗，在IGCT的串联应用中R_p的取值一般考虑在20～100kΩ之间。此外，要求静态均压电阻之间误差尽量小。(www.daowen.com)

为了确保串联IGCT的动态电压均衡，首先应该采用如下一些措施：

1）采用同型号、同批次的IGCT，以减小器件开关延时、储存时间和反向恢复电荷等特性的差异。

2）实测IGCT的开关特性并匹配使用，以减小器件的特性差异。

3）设计对称的散热系统和散热条件，以减小器件的温度差异。

4）设计对称的驱动信号发生和传输途径，以减小驱动的开通和关断延时差异。

采用上述这些技术有助于降低串联IGCT的动态电压不均衡，但是并不能保证得到满意的结果，所以一般使用动态均压电路，常见的为RC吸收电路，如图6_-18b所示。

动态均压电路中的电容和电阻的取值需要考虑多方面的因素，首先从最重要的因素出发。延迟时间的差异对IGCT串联动态不均衡影响较大，其中由于IGCT的开通延迟时间通常比关断时的储存时间短得多，因此要优先考虑IGCT关断时的均衡要求，C_d的取值可以通过以下的经验公式来估算

式中 Δt_delay——总关断延时时间（包括关断储存时间和门极驱动关断延时时

间）的最大差异值；

I_Tmax——^IGCT中流经的最大电流；

ΔU_Tmax——串联IGCT承受电压的最大允许偏差。

需要注意的是，在基于串联IGCT的电流型变换器中，还存在自然换相方式关断，此时影响动态电压不均衡的主要因素在于IGCT的反向恢复电荷（Q_rr）的差异，则C_d的取值还需要增加另一个判据

对于IGCT串联来说，C_d的取值一般在0.1～1μF，相比于正在被IGCT所取代的GTO，IGCT串联的C_d的取值要小得多。而电阻R_d的取值要遵守系统控制和IGCT特性的要求：

1）R_d的取值应足够小，在系统控制最小通态和阻态脉宽的限制下，能够完成对C_d的充放电。

2）R_d的取值应足够大，在IGCT开通时C_d通过R_d和IGCT放电，对IGCT中增加的放电电流有所限制。

在实际应用中，还需要考虑动态吸收电路对偏差电压和各种损耗的影响，R_d和C_d参数变化时的影响如表6-4所示。表中，“↑”表示值增大，“↓”表示值减小。

表6-4 R_d和C_d参数变化时的影响

为了进一步说明在IGCT串联中稳态、动态均压电路的作用，给出一组相应的实验结果。采用的两只4500V/630A的IGCT进行串联，这组实验中存在非常突出的电压不均衡情况，所以对比实验是在直流母线电压较低的情况下进行的，以确保器件的安全。同样，引入电压不均衡的指标。

假定IGCT阻态后稳定电压分别为U₁和U₂，串联IGCT关断时经过第一尖峰后最大的电压差为ΔU，则定义均压性能指标为

k越大均压效果越差，当两只IGCT的门极关断信号延迟100ns，有无均压电路，动态均压参数不同时的四个实验结果如图6-22所示。

图6-22 IGCT串联实验结果对比

从实际效果来看，如果没有动态均压电路，其中一个器件将承受全部直流母线电压，另一只器件几乎不承压，完全失去了器件串联的意义。静态均压电路的引入使得静态均压效果改善，但是动态均压效果仍然较差。动态均压电路的引入使得IGCT的均压效果大大改善，动态均压电路参数的不同对均压效果存在影响。

用于串联IGCT的稳、动态均压电路同样也适合IGBT串联中。但是IGBT和IGCT的器件特性存在明显的差异，简单来说因为IGBT是三层两结的双极晶体管和MOSFET的混合型器件，与IGCT相比，其晶体管特性明显；而IGCT是四层三结的晶闸管和MOSFET的器件混合型器件，晶闸管特性非常明显。相对而言，IGBT的门极跟器件承受电压有直接的联系，故一些用于IGBT串联的技术是无法在IGCT串联中使用，其中过电压有源箝位电路就是典型的代表。

图6-23中给出了过电压有源箝位电路用于IGBT串联中的原理示意图。其中每个串联IGBT的集电极-发射极电压u_CE都被采集，并与器件承受最大电压参考值相减，两者的差Δu送入比较器。一种简单的方式是，当u_CE小于承受最大电压参考值时，比较器输出为零，对IGBT的关断不产生附加影响，而当u_CE大于承受最大电压参考值时，比较器输出非零的结果叠加到IGBT的栅极信号上，将栅极信号拉低，通过IGBT状态与栅极电压之间的关系，强制将u_CE降低。采用这种反馈方式的均压手段，其最大特点是电路比较轻巧，当电路设计得当时，IGBT关断的最大电压就被限制在承受最大电压参考值。不过这种方案在使用不当时会明显增加IGBT的关断损耗。

图6-23 过电压有源箝位电路用于 IGBT串联中的原理示意图

图6-23中给出的只是原理示意图，由于实际应用中对IGBT实施反馈控制的速度要求非常高，常使用一些更简洁和快速的电路来实现该功能，图6-17就是将u_CE通过稳压管等电路直接参与IGBT栅极控制。

值得注意的是，过电压有源箝位电路不单纯是IGBT串联中才使用的技术，其核心是利用IGBT的特性来直接控制其承受电压的峰值，这在非串联IGBT中也可以使用。最新的IGBT驱动电路设计商和器件生产商都提供了类似的限制峰值电压的方案，图6-24是在大容量器件中采用类似技术的示意图。

图6-24 动态电压控制技术的示意图