绝缘栅型双极晶体管串联匀压并联匀流模拟分析

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1、第２１卷第１２期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１２２００９年１２月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＤｅｃ．，２００９文章编号：１００１４３２２（２００９）１２１９１６０５绝缘栅型双极晶体管串联匀压并联匀流模拟分析王传伟，李洪涛，田青，戴文峰，谢卫平（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６２１９００）摘要：绝缘栅型双极晶体管（ＩＧＢＴ）采用串联和并联方法构成大功率开关组件能够有效提高工作电压和电流，是实现开关重频高功率应用的主要技术途径，同时也存在着动、静态的匀压、匀流问题。从电路层面详细分析了ＩＧＢＴ串并联运行时导致电压、电流

2、不均衡的主要原因及其表现，研究了动静态不均衡的发展过程及其影响因素，针对性地提出了电阻／电容／二极管（ＲＣＤ）缓冲网络及电流平衡变压器等匀压、匀流措施，解析推导出了ＩＧＢＴ串、并联模块的设计判据，建立了相应的等效电路模型，对所提出的解决方案进行了仿真验证。仿真模拟结果表明，所提出的方法是可行可靠的。关键词：绝缘栅型双极晶体管；匀压；匀流；ＲＣＤ缓冲网络；电流平衡变压器中图分类号：ＴＮ３４４文献标志码：Ａ绝缘栅型双极晶体管（ＩＧＢＴ）是２０世纪８０年代中期发展起来的复合型半导体器件，结合了金属氧化物半导体场效应晶体管（ＭＯＳＦＥＴ）的开关频率高、驱动功率小和电力晶体管（ＧＴ

3、Ｒ）的通态压降小、输出特性好的优点，是一种功率容量大、工作频率高的电压全控型器件，在大功率开关电源、变频电源等领域得到了广泛应［１］用。目前，ＩＧＢＴ在重复频率脉冲功率技术研究领域的应用受到人们的广泛关注。但是单个ＩＧＢＴ的功率容量、工作电压等参数仍处于较低水平，难以满足高功率脉冲技术研究的应用需求。采用串并联方法构成ＩＧＢＴ组合模块是提高应用电压和工作电流的主要技术途径。在ＩＧＢＴ的串并联运行中，串联匀压和并联匀流是亟待解决的问题。本文从电路层面分析了ＩＧＢＴ串并联组件出现电流、电压不均衡的原因，研究了ＩＧＢＴ组件动、静态不均衡的发展过程及其影响因素，针对性地提出了电阻

4、／电容／二极管（ＲＣＤ）缓冲网络及电流平衡变压器等匀压、匀流措施，解析推导出ＩＧＢＴ串并联模块的设计判据，建立了相应的等效电路模型，对所提出的解决方案进行了仿真验证。１犐犌犅犜串并联分压分流不均的原因及影响［２７］ＩＧＢＴ串联运行时，存在静态不均压和动态不均压两种状态。静态不均压是由于器件的断态阻抗不同，导致串联器件上的电压分配不均衡。动态不均压是指串联的ＩＧＢＴ开通、关断过程不一致而引起的瞬态电压分配不均衡，表现为个别器件上出现尖峰电压脉冲。静态不均压会导致断态阻抗大的器件在静态时承受过大的电压。动态不均压会导致后开通、先关断的器件在其处于断开状态时瞬间承受脉冲高电压

5、。这两种状态如果使器件上出现过电压都会引起器件的击穿损坏。与此类同，ＩＧＢＴ并联运行时也存在着两种不均流状［３］态。静态不均流是指ＩＧＢＴ处于导通状态时，由于器件的导通阻抗不同，导致并联的器件中流过的电流分配不均衡。导致动态不均流的根本原因也是器件开通或者关断不一致。静态不均流会导致导通阻抗较低的器件在稳态时承受过大的电流，动态不均流会导致先开通、慢关断的器件在开关的瞬间承受尖峰过电流。由于ＩＧＢＴ的导通电流和结温呈正反馈关系，因此，器件的动静态不匀流都会造成严重后果。器件特性参数差异越大，串并联组件中器件分压、分流的不均衡程度也越严重，因此必须选用特性参数一致性较好的

6、器件。但是一般情况下做不到参数完全匹配，必须采取匀压、匀流措施。通过配装ＲＣＤ缓冲网络及并联静态平衡电阻可实现串联开关的动静态均压；电流平衡变压器可实现并联开关的动静态均流。收稿日期：２００９０２１３；修订日期：２００９０４１７基金项目：国家自然科学基金重点项目（５０８３７００４）；中国工程物理研究院基金项目作者简介：王传伟（１９８３—），男，硕士研究生，主要从事脉冲功率技术研究；ＷＣＷ８３４１＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ。第１２期王传伟等：绝缘栅型双极晶体管串联匀压并联匀流模拟分析１９１７２犐犌犅犜串联匀压技术由于电压分配做不到完全均衡，因此多个ＩＧＢＴ串联时必须降额

7、使用。电压的降额率设定为δＶ，则两串联开关的最大应用电压为犞（１－δ）犞，犞为ＩＧＢＴ的额定工作电压；如设最大允许分压偏差为α，则ｉｎ＝２ＶＣＥＳＣＥＳＶ必须满足α／（１－δ）。Ｖ≤δＶＶ２．１静态平衡电阻ＩＧＢＴ关断时，其断态电阻不完全相等，造成分压也不相等，需要与其并联一个平衡电阻犚ｂ，如图１所示，使各级断态阻抗基本相等，加载电压后即可实现均匀分配。用犚和犚分别表示两个开关的断态电阻，犽ｏｆｆ１ｏｆｆ２０＝犚ｏｆｆ１／犚ｏｆｆ２表示两个断态电阻之比，取静态平衡电阻犚ｂ１＝犚ｂ２＝犚ｂ＝（犚ｏｆｆ１＋犚ｏｆｆ２）／犽。设关断