IGBT串联技术及其应用

高压脉冲电源小型化、高频化的关键是其开关技术。虽然现代半导体技术的快速发展使制造高电压、大电流的半导体器件成为可能，但当前的技术水平仍然满足不了实际的应用需求。IGBT有着良好的开关特性，它的串联使用为满足装置的电压等级要求提供了一条捷径。IGBT串联应用的关键是确保在IGBT开关状态改变的瞬间和其进入稳定工作状态后合理的电压均衡，即动态和静态电压均衡，防止在某个器件上出现过电压而损坏器件。实验研究发现，串联IGBT电压不均衡主要是缓冲电容的不同和栅极驱动信号的延迟时间不同造成的。

1）缓冲电容的影响。缓冲电容的不同会对IGBT的关断过程产生不同的影响，而对其开通不会产生影响。缓冲电容小，会导致IGBT在关断瞬间产生很高的过电压。

2）栅极驱动开通延时的影响。开通滞后的栅极信号所驱动的IGBT在开通瞬间会在集射极两端产生电压尖峰。

3）栅极驱动关断延时的影响。关断时的不同延时会在先关断器件的集射极两端产生高的过电压。无论是在瞬态或是在稳态，其电压均会不均衡。

为解决以上问题，人们提出了各种各样的IGBT串联方法，如图3-121进行分类。

图3-121 IGBT串联技术的分类

在功率设备端附加一些缓冲电路达到电压平衡是一种最基本和常用的方法。但是通常来说这种方法存在很大的损耗，且随着电压等级的提高会增加成本。以下是几种常用的开关侧附加的缓冲电路。

1）每个IGBT上附加无源缓冲电路：无源缓冲电路可以简单地由一个电容和电阻构成，也可以是一些无源器件，如电容、电阻、电抗器、半导体二极管的组合，可以改善IGBT器件开关瞬间的电压电流特性，达到器件配合动作、平衡电压的目的。这种缓冲电路结构简单，设计也相对容易。但这种方法主要有两个缺点：第一是在高电压大电流情况下，为了满足要求，缓冲器的各个组成器件也需要很高的等级和成本；另一点是缓冲电路在开关动作的瞬间工作，势必会降低整个电路的工作频率，这样一来IGBT就失去了相对于其他半导体器件（如GTO）而言的速度优势。因此，这种电路适用于工作频率不是很高，功率等级不是太高的场合。

2）有源谐振缓冲电路：即在每个器件或主要的功率开关上附加一个谐振回路，在开关状态转换时使电路工作于准谐振状态，实际上是一种软开关技术。零电压开关强迫器件上的电压在开关状态改变之前为零。其他如串联谐振和辅助谐振等方式也可以应用。系统的中心辅助控制电路能够控制IGBT器件动作的起始时刻，保证每个器件瞬态的一致性。然而，由于IGBT个体特性的不同会造成IGBT静态电压的不平衡，因此还需要器件侧的缓冲器或是门极控制。这样势必导致电路更加复杂，降低了可靠性。

3）器件端电压钳位电路：这个方法很简单也很有效，不会降低IGBT的速度。在每个功率开关上附加一个电压钳位电路，把开关的端电压限定到一个给定的值。但是在开关导通时存在着较大的电能损耗（对于一个400A的器件，典型值为几百瓦），对于较长时间工作于导通状态的电路来说不是一种很好的解决方案。

IGBT的开关速度可以由Miller效应阶段（门级电压处于峰值的阶段）注入门极的电流来控制。利用这一特性也可以实现电压平衡，该方法为了使串联使用的任何一个IGBT上都没有过冲的电压，在开关过程中有一个很长的过渡时间。因此系统的工作频率会大大降低，而且产生大量的开关损耗。由于过热，器件只能被用于额定值下，这是该方法缺点之一，此外，在电压均衡时，控制作用依然在工作，因此在正常工作期间仍会产生额外的功率损耗。以下是几种门极驱动端的电压平衡电路：

1）器件端电压有源控制：利用门极驱动电路控制IGBT上的电压满足一条事先给定的开关特性曲线，可以达到串联IGBT电压平衡的目的。IGBT的开通过程可以分为3个阶段，关断过程可以分为4个阶段。在这些阶段中，只有Miller效应阶段是可控的。另外，典型的IGBT开关动作都在1μs内，对于这么短的时间来说，需要一个很快的反馈和控制回路。此外，要使终端电压满足一条给定的参考曲线，控制信号的线性精确放大是必要的，同时也得考虑控制通道的传输延时。这种方法只有在IGBT处于动态阶段时有效。合理的偏置电压设置是这种控制方法有效的重要条件。

2）门极电流控制：即利用栅极电流脉冲来实现控制策略，如斜坡控制、在开通时的di／dt控制、关断时的du／dt控制。通过调整栅级电流幅度和方向，可以达到控制Miller效应阶段的瞬间波形，进而实现串联IGBT的电压平衡。如同栅极电压控制一样，需要一个像控制放大器和驱动晶体管类的反馈回路达到控制策略的目的，这些都会导致电路延时，目前就一些研究来看，小功率IGBT的驱动时间达到一定值时，会使整个电路系统发生振荡。

3）器件端电压钳位电路：当对终端电压的要求不是太严格，就不需要使其严格满足一条给定的开关曲线，栅极电压和电流控制就可以简化为终端电压钳位保护电路。这种方法通过控制栅极电压或注入栅极的电流限制串联的IGBT集射极间电压最大值为一个限定值。对于这种方法，控制电路可能的延时是一个需要注意的问题。在反馈和控制电路中用太多的放大器可能会造成系统的不稳定。

4）门极驱动信号延时调整：这种方法通过调整IGBT栅极驱动电路的延迟时间达到电压平衡和限制过电压的目的。串联IGBT的不同特性会导致不同的开关特性曲线，这个问题可以看作是IGBT有着不同的开关延迟时间。此外，栅极驱动电路本身也有着不同的传输延迟时间。这样，可以通过控制IGBT的开关相对延迟时间而实现开关瞬间的电压平衡，通过调整栅极电压幅度而使IGBT稳态电压平衡。针对不同的电路设计的延时控制器，可以调整串联的IGBT器件的开关时间，使其达到动态和静态脉冲功率技术中IGBT串联技术的研究电压平衡，但当电路特性发生突变或更换了很多器件以后，必须设计新的延时控制器。

以下是串联IGBT应用于脉冲功率领域的一些实例。

1.用于等离子体源离子注入的高压脉冲电源

等离子体源离子注入是一门针对金属和高分子材料表面处理的新兴技术。通过这门技术我们能改善金属、塑料和陶瓷的表面性质。这一技术同样适用于需要离子注入的半导体制造行业。

为等离子体源离子注入提供高压脉冲的电路主要分为两类。一类是气体放电开关，一类是半导体开关。传统的气体放电开关有效率低、电流容量低（50～100A）、寿命短等缺点。为克服这些缺点，以IGBT为代表的半导体开关得以应用。

这里介绍一种使用IGBT堆体和脉冲变压器、适用于等离子体源离子注入的高压脉冲电源。它使用了一个10kV／200A的IGBT堆体。这一堆体包括12个IGBT，而且驱动简单。一般来说12个IGBT组成的堆体需要12个有源驱动，但这个堆体只要2个有源驱动和11个无源驱动（由无源元件组成，如电阻、电容和二极管）。这个RCD电路既是门极驱动又是每个IGBT的缓冲器。为了提高电压等级，使用升压脉冲变压器。为提高电流等级，系统使用了3个同步的脉冲发生器模块，每个模块都由二极管、电容和IGBT堆体构成。这样的构成能方便地增大输出功率，由于子系统的模块化设计，整个系统的维护也相对容易些。为了保护脉冲电源，系统应用了快速的过电流检测、IGBT堆体的快速关断和过电压保护。

图3-122 脉冲功率发生器框图

图3-123 脉冲功率发生器整体结构

图3-122和图3-123所示是脉冲功率发生器的原理框图和电路框图。基于IGBT的开关堆体从直流高压中产生脉冲。使用了3个同步脉冲发生器模块以提高电流等级。当IGBT堆体关断的时候，电源通过二极管（VD₁～VD₃）给每个高压电容（C₁～C₃）充电。当IGBT堆体开通时，高压电容中的能量通过升压变压器传到负载。

脉冲变压器的匝数比是1∶6.6，最大输出电压是60kV。脉宽和频率控制器使脉冲系统有了适应性。电流传感器和分压器分别测量输出电流和电压，并反馈给控制器。根据这些信息，系统可以得到过电流保护。通常升压变压器为防止磁心饱和需要在脉冲之间施加复位脉冲。因此提供一个U_reset，L_choke则是为了隔离高压变压器和复位电源。

IGBT堆体的结构和实物照片如图3-124和图3-125。每个IGBT堆体由12个IGBT组成，有2个有源驱动和11个无源驱动。这个RCD电路用作IGBT的门极驱动和缓冲器。在IGBT的V_1.1通过主动驱动AD₁开通前，假设RCD的所有电容（C₁～C₁₂）通过二极管（VD₁₂～VD₁）充至高电压（输入电压的1／12）。如果V_1.1通过AD₁开通，则IGBTV_1.1的源-漏电压开始减小。IGBTV_1.1减小的源-漏电压为RCD电路中C₁的放电提供了条件。这时，C₁通过R₁和VD_on，2为IGBTV_2.1提供了开通的门-漏电压。然后V_2.1的源-漏电压开始减小。类似的，V_2.1减小的源-漏电压为RCD电路中C₂的放电提供了条件，并通过R₂和VD_on，3为IGBTV_3.1提供了开通的门-漏电压。通过这个方法所有12个IGBT同时开通。当IGBT堆体开通时，如果有源驱动（AD₂）通过二极管（VD_off，2～VD_off，12）将12个场效应晶体管（VF_1.1～VF_12.1）开通，则12个IGBT的门-漏电压通过场效应晶体管放电，从而关断。这样，12个IGBT能在两个有源驱动作用下同时开、关。

图3-124 IGBT堆体结构

图3-125 IGBT堆体照片（单开关）

大多数半导体开关较能耐受过电流条件，但却难以耐受过电压条件。因此在IG-BT串联应用时均压措施是非常重要的。IGBT关断时，靠与IGBT并联均压电阻（R_B）实现均压；而在导通瞬态是靠RCD电路实现均压的。这时，RCD起到缓冲器的作用。(www.xing528.com)

图3-126所示是IGBT堆体的仿真波形，可见12个IGBT能同步的开通和关断，在关断状态或是开通、关断的瞬态，电压能保持均衡。故障检测和快速保护是脉冲功率电源的重要组成部分。等离子体负载中经常会有电弧产生，因而短路（过电流）现象时有发生。所以针对电弧的特别保护是必需的。

图3-126 均压测试中IGBT堆体的仿真波形

保护原理图如图3-127所示。脉冲功率电源的工作状态始于高重频状态。如果由于电弧的产生而检测到过电流，脉冲功率发生器的工作状态将变为低重频状态。如果在低重频时电弧仍然存在，电源将停止工作。而如果在低重频时电弧没有出现，则电源重新回到高重频工作状态。一般来说，在IGBT堆体关断时，过电流会导致过电压。所以，快速的过电流保护、IGBT堆体的快速关断和过电压保护对于保护开关是十分必要的。该系统使用二极管（VD_ov1、VD_ov2、VD_ov3）、电容（C_ov1、C_ov2、C_ov3）和电阻（R_ch1、R_ch2、R_ch3）实现如图3-123的过电压保护。

用脉冲变压器的目的是为了让IGBT堆体工作在低压状态而对负载施加高压。脉冲变压器由10个铁氧体磁心组成，包括6个一次绕组和4个二次绕组，并浸在油中以冷却。具体参数见表3-6。

图3-127 针对电弧的保护原理

表3-6 系统规格与参数

图3-128 IGBT堆体的电压均衡测试实验波形

图3-129 堆体均流波形

为了验证该脉冲功率电源，根据表3-6的参数进行实验。图3-128是IGBT堆体在阻性负载时针对均压实验的波形，可见堆体中的每个器件上的电压都是均衡的。加到堆体上的电压为800V，堆体中每个器件的du／dt偏差是可以忽略的。这一结果跟仿真结果能很好地吻合。堆体使用的是1200V／200A的IGBT。图3-129和图3-130是堆体的电流和输出脉冲波形。堆体电流波形显示出每个堆体上的电流都很均衡。输出电压和电流波形中的超调是由脉冲变压器的漏电感和等离子体负载的电容造成的。输出电压和电流分别是60kV和20A。输出脉冲的上升和下降时间分别是1μs和2μs。图3-131显示了在等离子体负载是脉冲宽度的变化。图3-132a和图3-132b显示了等离子体负载时不同脉冲频率下的工作状态。脉冲频率10～2000pulse／s可调。图3-133显示了由于等离子体负载中电弧导致的过电流波形。如果电弧形成，输出电流将很快上升。如果输出电流到达过电流检测点（100A），过电流保护将断开IGBT堆体。IGBT堆体的关断时间是1μs，而这时输出电流会达到270A。在保护电路的作用下，由此引起的过电压在堆体的承受范围内。该脉冲功率发生器对于脉宽、脉冲频率和电压幅值都有很强的调节能力。

图3-130 输出脉冲波形和堆体电压波形

图3-131 等离子体负载时脉冲宽度调节波形

图3-132 等离子体负载下不同重频的波形

a）200pulse／s b）2000pulse／s

2.准分子激光器脉冲源

半导体工业对短波光的需求极大地促进了高重频准分子激光器的发展。脉冲高压作用于激光器电极，它的上升时间对于激光气体辉光放电是至关重要的，尤其在高重频时。当前，几乎所有的用于光刻的准分子激光器都使用了半导体开关及磁脉冲压缩技术。

图3-134是这种脉冲功率发生器的一个典型电路图。它包括一个DC电源、充电开关（V₁₁和V₁₂）、脉冲变压器（T）、储能电容（C₀）、主开关（V₃）、另一个脉冲变压器（PT）和两级的磁脉冲压缩。充电开关的作用是使DC电源通过脉冲变压器对储能电容充电。当主开关被触发后，储存在C₀中的能量以C₀→C₁→C₂→R的顺序传递，同时电压被脉冲变压器升高，脉宽被磁开关压缩。V₂的作用是保证C₀的稳定，MS₀的作用是减小主开关中的能量损耗。

图3-133 等离子体负载产生电弧时的过电流波形

图3-134 使用IGBT和磁脉冲压缩的脉冲功率发生器电路图

该电路的主开关是由14个IGBT并联，然后两组串联起来的IGBT堆体，型号是三菱CM300DY-28H（1.2kV／1kA）。对电路进行实验，当DC电源为300V时，C₀被充至1.5kV。C₀的放电电流峰值为5kA，脉宽为1μs。在经过脉冲变压器和磁压缩后，最后的输出电压在12nF的负载电容下达到28kV。在实验中以模拟电阻作为负载，图3-135即为电阻上的输出电压和电流波形。可见峰值电压和峰值电流分别达到了11kV和5kA，而脉宽为100ns。

图3-135 负载电阻上的输出电压和电流波形