IGBT并聯(lián)電路作用與原理：

　　IGBT的并聯(lián)主要是為了解決電 流規(guī)格不足的問(wèn)題，有時(shí)候是材料所限將IGBT 單管并聯(lián)使用，電流規(guī)格也可以達(dá)到甚至比模塊更高；更多的情況是現(xiàn)有產(chǎn)品規(guī)格受限制，即市場(chǎng)上最大電流規(guī)格的IGBT模塊也不能滿足需要并聯(lián)是不得已而為之。

　　NPT、FS型IGBT Lk PT型IGBT更容易并聯(lián)，但并不是可以無(wú)條件的任意并聯(lián)。

　　IGBT 并聯(lián)時(shí)，在電路上需要遵循以下原則：

　　·流過(guò)各并聯(lián)單管/模塊的電流應(yīng)盡量相等（均流）；

　　·各并聯(lián)單管/模塊的開(kāi)關(guān)速度應(yīng)盡量相等。

　　具體要考慮的因素，大致有如下幾個(gè)方面。

　　1.直流母線（主電路）的供電

　　直流母線（ DC-link）也譯為“直流鏈路”，指系統(tǒng)主電路的直流供電回路，而忽略交流信號(hào)通道。相應(yīng)的，主電路供電系統(tǒng)的主濾汲電容也稱為直流鏈路電容?！?/p>

　　·直流母線的正、負(fù)端與各并聯(lián)IGBT的連線長(zhǎng)度最好相等，尤其是電 流規(guī)格比較大的模塊并聯(lián)時(shí)更應(yīng)該注意。

　　·在每個(gè)并聯(lián)的發(fā)射極回路應(yīng)設(shè)置均 流 電阻，阻值可取柵極電阻的1/3。

　　·C-E問(wèn)突波吸收電路，應(yīng)為每個(gè)并聯(lián)的IGBT 單獨(dú)配置。

　　·盡可能為每個(gè)IGBT 單獨(dú)配置電源濾波電容，尤其是模塊并聯(lián)時(shí)更應(yīng)該注意。

　　·注意直流母線與并聯(lián)IGBT的連線形式（導(dǎo)線的形狀與截面的形狀）與方式（布線與結(jié)構(gòu)）。大電流導(dǎo)線以扁 平為佳，多條導(dǎo)線相對(duì)于模塊最好側(cè)立布是水平疊層布置。

　　2.驅(qū)動(dòng)電路

　　·驅(qū)動(dòng)電路盡量不要與直流母線疊加或者交叉。

　　·模塊并聯(lián)時(shí)，應(yīng)使用第二發(fā)射極（副發(fā)射極）；單管并聯(lián)時(shí)，發(fā)射極先與驅(qū)動(dòng)回路連接，后與直流母線連接。

　　·每個(gè)并聯(lián)的IGBT都要有自己的柵極電阻。雖然模塊內(nèi)部火都已經(jīng)設(shè)置了（內(nèi)部）柵極電阻，多個(gè)模塊并聯(lián)時(shí)仍然需要為每個(gè)模塊配備柵極電阻；如果是獨(dú)立的多單元模塊（模塊的每個(gè)單元都有獨(dú)立的引出線），內(nèi)部互不連接，將多個(gè)單元并聯(lián)起來(lái)的時(shí)候，每個(gè)單元都要配置柵極電阻。

　　·應(yīng)為發(fā)射極配置均流電阻R。。均流電阻有負(fù)反饋?zhàn)饔?，也和柵極R。一樣具有消除振蕩的作用。對(duì)于單管并聯(lián)，主電路電流并不算太大時(shí)，均 流 電阻可以串聯(lián)在主電路中，能夠更有效地均流，并防止開(kāi)關(guān)速度快的IGBT過(guò)載；對(duì)于模塊并聯(lián)，主電路的電流非常大，若將均流電阻串聯(lián)在主回路中，即使阻值很小也會(huì)帶來(lái)客觀功耗，這時(shí)均流電阻串聯(lián)在驅(qū)動(dòng)回路中較為合理。如果想進(jìn)一步抑制并聯(lián)回路的電流均衡問(wèn)題，可以在主回路中串人電感，以有效地抑制峰值電流不均的問(wèn)題。

　　·驅(qū)動(dòng)電路與IGBT 之間的連線采用雙絞線較為合理。

　　3.器件選擇

　　·最好選擇同一制造商、同一型號(hào)的IGBT 單管或者模塊進(jìn)行并聯(lián)，同—批次更好；采用多單元獨(dú)立配置的模塊，將其中的各單元并聯(lián)更好，或者將全橋的下臂閑置，將上臂進(jìn)行并聯(lián)。

　　·主濾波電容應(yīng)該優(yōu)先選用低ESR（等效串聯(lián)電阻）和抗高IR（紋波電流）的品種。ESR和IR除了關(guān)注技術(shù)手冊(cè)或者經(jīng)銷商提供的數(shù)據(jù)，還要上線（裝上實(shí)際應(yīng)用的電路）進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

　　·如果成本允許，選擇（金屬化）聚丙烯薄膜電容（MKP）比傳統(tǒng)的電解電容更有優(yōu)勢(shì)，尤其是超過(guò)500V的直流母線系統(tǒng)。MKP 電容承受紋波電流、浪涌電壓的能力強(qiáng)，還可以承受反向電壓，而且電壓規(guī)格比較高，大容量規(guī)格，市場(chǎng)上有3300V以上的產(chǎn)品。

　　igbt并聯(lián)電路作用與原理：

　　IGBT的串聯(lián)主要是為了解決電壓規(guī)格不足的問(wèn)題，有時(shí)候是材料所限；更多的情況是現(xiàn)有產(chǎn)品規(guī)格受限制，即市場(chǎng)上最大電壓規(guī)格的IGBT模塊也不能滿足需要，串聯(lián)是不得已而為之。

　　IGBT 串聯(lián)時(shí)，在電路上需要遵循以下原則：

　　·各并聯(lián)單管/模塊的C-E間承受的正向電壓應(yīng)盡量相等（均壓）；

　　·各并聯(lián)單管/模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)盡量相同；

　　·各并聯(lián)單管/模塊的開(kāi)關(guān)速度應(yīng)盡量相等；

　　·各串聯(lián)單管/模塊以及驅(qū)動(dòng)電路之間的絕緣必須保證。

　　影響IGBT 串聯(lián)的主要技術(shù)因素參見(jiàn)表1，主要術(shù)語(yǔ)解釋如下。

　　靜態(tài)：IGBT長(zhǎng)期處于關(guān)斷狀態(tài)；

　　動(dòng)態(tài)：IGBT處于高速開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)；

　　△：串聯(lián)IGBT或電路單元的參數(shù)差別；

　　Lwire：引線分布電感和等效電路；

　　Ton：驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)通時(shí)間；

　　Toff：驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷時(shí)間。

　　器件選擇與電路布局需要遵循的原則如下。

　　·盡量減小各IGBT 之間技術(shù)參數(shù)的差別：選擇同一制造商、同一型號(hào)的產(chǎn)品，如果有條件，選擇同一批次的產(chǎn)品。

　　·驅(qū)動(dòng)電路對(duì)稱分布：減小信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)差別。

　　·散熱條件盡量相同：強(qiáng)制風(fēng)冷與并聯(lián)的要求相同，目的是使散熱片的溫度盡量相同。

　　·設(shè)置靜態(tài)分壓電阻：靜態(tài)條件下，用并聯(lián)電阻均壓使串聯(lián)IGBT上的壓降趨同，流過(guò)該電阻的電流為ICES的5~10倍，而該電阻分擔(dān)的電壓則是直流母線電壓除以串聯(lián)IGBT的個(gè)數(shù)。

　　·用RC突波吸收進(jìn)行動(dòng)態(tài)均壓：目的是使C-E間的電壓變化速率趨同。

　　·多電平拓?fù)洌篒GBT直接串 聯(lián)多適用于小、中功率的高匯開(kāi)關(guān)，功率比駿大的時(shí)候，多電平變換電路應(yīng)用得比較多。

　　1.靜態(tài)、動(dòng)態(tài)均壓電路

　　IGBT的基本串聯(lián)方法如圖1所示。靜態(tài)均壓電阻的計(jì)算方法在本文中已做說(shuō)明；動(dòng)態(tài)均壓由突波吸收電路完成。額外的要求是，各串聯(lián)單元突波吸收電路的元件參數(shù)需要盡量減少誤差。

　　鉗位電路的鉗位電壓等于l/n總耐受電壓。如2個(gè)串聯(lián)，鉗位電壓等于總耐受電壓的1/2。

　　2.柵極的隔離驅(qū)動(dòng)

　　IGBT串聯(lián)時(shí)，各串聯(lián)單元柵極因單位的參考點(diǎn)不同，需要隔離（驅(qū)動(dòng)）。隔離驅(qū)動(dòng)的原與半橋類似，不同的是串聯(lián)單元需要同步驅(qū)動(dòng)：各串聯(lián)單元需要盡量同時(shí)開(kāi)關(guān)。

　　隔離驅(qū)動(dòng)可以用光耦，也可以用脈沖變壓器。無(wú)論哪種形式，都需要注意隔離器件的隔離電壓，不是每個(gè)串聯(lián)單元的電壓規(guī)格，而是各串 聯(lián)單元的電壓規(guī)格之和。例如，2個(gè)3. 3kV的IGBT串聯(lián)，驅(qū)動(dòng)隔離單元的隔離電壓的安全規(guī)格應(yīng)該是6. 6kV，而不是3.3kV。

　?。?）基于光耦的IGBT串聯(lián)隔離驅(qū)動(dòng)

　　圖2是采用光耦隔離的串 聯(lián) 電路示意圖。隔離電源可以采用DC-DC開(kāi)關(guān)電源；Vcc為直流供電電源，如果對(duì)體積要求不苛刻，隔離電源也可以采用工頻變壓器，這時(shí)候的V cc就成了市電輸入。

　?。?）基于脈沖變壓器的IGBT串聯(lián)隔離驅(qū)動(dòng)

　　圖3是采用脈沖變壓器的隔離電路示意圖。變壓器隔離能夠采用自供電方式。

　　Q3是Q1的柵極放電開(kāi)關(guān)，在N2上負(fù)下正的時(shí)候?qū)ǎ瑢1柵極的電荷迅速泄放掉；Di則能夠加速Q(mào)i的導(dǎo)通過(guò)程。

　　如果Q1、Q2的電流規(guī)格比較大，需要的驅(qū)動(dòng)功率也比較大，則自供電驅(qū)動(dòng)方式（圖4）會(huì)因?yàn)門(mén)1功率的增加而限制開(kāi)關(guān)速度。同時(shí)，利用高級(jí)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)，功率太大，也不經(jīng)濟(jì)，還會(huì)使EMI問(wèn)題增多。因此，如果串聯(lián)開(kāi)關(guān)的電流規(guī)格比較大，推薦采用隔離電源供電，像圖3那樣進(jìn)行有源驅(qū)動(dòng)。

　　無(wú)論哪種驅(qū)動(dòng)方式串聯(lián)后的功率開(kāi)關(guān)都已經(jīng)不再是3端器件。圖2是5端（單管應(yīng)用）或者6端器件（半橋應(yīng)用，Vcc也需要與信號(hào)地隔離）；圖3則是4端器件，采用隔離電源有源驅(qū)動(dòng)時(shí)則是5端或者6端器件。

　　（3）有源自供電

　　用隔離電源供電除了會(huì)增加功率開(kāi)關(guān)的引線端子、元器件的數(shù)目和電路的復(fù)雜程度，還會(huì)因?yàn)榫€間寄生電容的增加而限制開(kāi)關(guān)速度的提高，采用有源自供電方式可以改善上述問(wèn)題。

　　以串聯(lián)開(kāi)關(guān)Q1為例（Q2與之相同），一種有源自供電 電路如圖4所示，驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。Q3充當(dāng)C1的有源可控開(kāi)關(guān)，在Q1關(guān)斷期間導(dǎo)通，對(duì)儲(chǔ)能元件C1充電，C1 驅(qū)動(dòng)電路供電。

　　Q3與Q1的電壓規(guī)格和開(kāi)關(guān)性能相同，電流規(guī)格無(wú)特別要求，電壓規(guī)格要求不高的時(shí)候，可以用同等電壓規(guī)格但電流規(guī)格較小的VMOS替代。

　　TVS為Q3的開(kāi)關(guān)控制器件。當(dāng) Q1關(guān)斷時(shí)，其集電極電 位升高，將TVS擊穿，Q3柵極得到偏置 電壓而導(dǎo)通。如果開(kāi)關(guān)速度不高，TVS可以用穩(wěn)壓二儀冒替代；如桌這度比較高，半導(dǎo)體器件不能滿足要求的時(shí)候，TVS可以用氣體放電管替代。D2為Q3的柵極偏置器件，當(dāng) TVS擊穿時(shí)，為Q3柵極提供合適的偏 置 電壓。D1為阻斷二極管，使Q3變?yōu)閱蜗蜷_(kāi)關(guān)；如果采用逆阻型IGBT，D1可以省略。

　　3.多電平變換電路

　?。?）基本概念

　　串聯(lián)雖然可以獲得高電壓規(guī)格的IGBT，但是各個(gè)串聯(lián) IGBT的技術(shù)參數(shù)與電路分布參數(shù)不可能完全相同，均壓就成了問(wèn)題；尤其是串聯(lián)的個(gè)數(shù)比較多的時(shí)候，均壓?jiǎn)栴}更不容忽視。

　　如果將思路轉(zhuǎn)換一下，將高壓主電源也相應(yīng)地分成若干相等的部分，每個(gè)IGBT對(duì)應(yīng)高壓主電源的一部分，上述問(wèn)題就可以迎刃而解了。這就是多電平變換。

　　將高壓主電源分成若干相等的部分，目前基本上有兩種方法：一是利用電等的部分（分量電源），我們且稱為電容分壓型，比較適用于高頻變換（頻率過(guò)低，分壓電容的容量就會(huì)很大，體積也會(huì)很大）；另一種方法是將若干組電壓相等的直流 電源（分電源）串 聯(lián)起來(lái)構(gòu)成高壓直流主電源，我們且稱為電源串聯(lián)型，頻率高、低皆適用，用電池組供電時(shí)尤其適用。

　　無(wú)論哪種方法，高壓主電源被分成的分?jǐn)?shù)且稱為主電源的階數(shù)，以n表示。電容分壓型，多電平變換 電路的電平數(shù)量為n十 1，若用2個(gè)電容將主電源分成3分，就是3 電平變換；電源串 聯(lián)型，每分電源為1 階，電平數(shù)等于2n十 1，即兩組分電源串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成5 電平變換。不難看出，實(shí)際上電容分壓型最少是3電平變換，電源串聯(lián)型最少是5 電平變換。3 電平變換和5 電平變換也是目前實(shí)用化產(chǎn)品的主流。

　　電容分壓型需要對(duì)分量電源進(jìn)行均壓，基本方法是對(duì)分量電源進(jìn)行鉗位。根據(jù)鉗位元件的不同，電容分壓型多電平變換又可以分成二極管鉗位型和電容鉗位兩種。

　　綜上所述，多電平變換器的基本類型可以用圖5 表示。目前業(yè)界大都認(rèn)為多電平變換有3種基本電路拓?fù)洌憾O管鉗位型多電平變換器（ Diode-Clamped multilevel inverter）、電容鉗位型電平變換器（Capacitor-Clampedmultilevel inverter）、串 聯(lián)型多電平變換器（Cascade rnultilevel inverter）。

　　多電平變換技術(shù)在基于IGBT、VMOS、GTR的大功率電路中均有應(yīng)用，而且在基于VMOS、GTR的大功率電路中應(yīng)用得更早，更多的應(yīng)用還有基于SCR、IGCT的大功率電路。

　?。?）基本電路拓?fù)?/h3>

　　·二極管鉗位型：又稱為NPC（Neutral Point Clamped，中性鉗位）型，采用二極管為鉗位元件，單相電路拓?fù)淙鐖D6所示。

　　·電容鉗位型：采用電容為鉗位元件，單相電路拓?fù)淙鐖D7所示?？梢?jiàn)，電容鉗位型與二極管鉗位型只是鉗位元件不同，電路拓?fù)涫窍嗤摹?/p>

　　·電源串聯(lián)型：主電源由多組相同的直流電源（分電源）組成，分電源之間彼此隔離，在供電關(guān)系上是串聯(lián)關(guān)系。單相電路拓?fù)淙鐖D8所示。

　　3種基本電路拓?fù)涞奶攸c(diǎn)對(duì)比參見(jiàn)表2。

?

　　n：為電平數(shù)，3電平變換器需要（3—1）×（3—2）=2個(gè)鉗位元件

　　NPC：Neutral Point Clamped，中性點(diǎn)鉗位

　　鉗位電容也稱為Flying capacitor，flying的意思是快速開(kāi)關(guān)。因此，F(xiàn)lyingcapacitor在一些公開(kāi)資料中譯為“飛跨電容”、“跨接電容”似乎欠妥，筆者推薦譯為“開(kāi)關(guān)電容”。

　　電源串聯(lián)型可以視為全橋變換器的串聯(lián)。

　　多電平變換器的交流輸出波形屬于高頻包絡(luò)型，每個(gè)電平就是輸，函波形中的一個(gè)臺(tái)階，因此 3 電平變換器的交流輸出實(shí)際上是方波。電平數(shù)越多，輸出波形上的臺(tái)階就越多，交流波形就越平滑；但是，電平數(shù)越大，用到的功率開(kāi)關(guān)、鉗位元件、分壓元件的數(shù)量就越多，控制 電路的邏輯就越復(fù)雜。針對(duì)上述多電平變換的基本電路拓?fù)?，?shí)際應(yīng)用時(shí)進(jìn)行不同的組合就可得到多種多樣的形式，見(jiàn)于公開(kāi)技術(shù)資料的有逐次級(jí)聯(lián)型（ Generalized multilevel）、對(duì)稱混合級(jí)聯(lián)型（ Mixed-Ievel hybrid multilevel）、不對(duì)稱混合級(jí)聯(lián)型（Asymmetric hybridmultilevel）等。

　　無(wú)論是IGBT直接串聯(lián)還是多電平變換電路，都是橋式電路。尤其是三相橋電路，不能滿足功率方面的需要時(shí)才會(huì)采用。因此，在實(shí)踐中多電平變換器三相橋的形式出現(xiàn)得比較多。圖9是二極管鉗位型的三相橋電路拓?fù)洹?/p>

　?。?）多電平變換器驅(qū)動(dòng)的基本方法

　　與IGBT直接串聯(lián)相比，多電平變換器主要缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)控制電路更復(fù)雜，而且電平數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)控制 電路就越復(fù)雜。實(shí)際工作中，多電平變換電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)控制大多采用單片機(jī)或者MCU（微處理器）。

　　電平變換器的驅(qū)動(dòng)、控制 電路一般稱為多電平調(diào)制器（ Multilevel modu-lator），大致如圖10所示