2.4　用IGBT的电气模型分析缓冲电路和IGBT并联

2.4.1　Snubber电容对变流器特性的影响

大功率变流器中常采用吸收缓冲电路来抑制开关管关断过程中引起的过大电压冲击，其中最常用的缓冲电路是在各桥臂的正负两端并靠近IGBT处并联缓冲电容（又称为Snubber电容）；如图2-23所示。其中，L_c和L_s分为支撑电容C和Snubber电容C_s内部的寄生电感，L_b为开关桥臂到支撑电容C的连接母排的杂散电感，IGBT内部的杂散电感L_IGBT包含在模块中，图中未画出。

当T₂关断时，电流从i₁回路换流到i₂回路和谐振回路续流，所产生的假想环流为i_cir，给Snubber电容充电。在换流过程中，由于换流时间很短，持续时间t_f为几百纳秒，感性负载的电流i_L可以认为恒定不变。换流结束后，电流i₁下降为零，i_cir上升为i_L。此过程中，开关桥臂和Snubber电容构成的回路的总杂散电感会引起开关T₂的关断电压冲击，形成第一个电压尖峰。T₂两端的电压为：

　　（2-22）

由于Snubber电容一般紧靠开关桥臂，线路连接产生的杂散电感很小，因此仅由杂散电感（L_s+2L_IGBT）引起的关断电压尖峰较小。在没有Snubber电容时，开关T₂关断时的端电压为：

　　（2-23）

此电压尖峰由开关桥臂和支撑电容构成的回路的总杂散电感引起。由于支撑电容到桥臂之间往往较远，即使采用叠层母排连接，也会产生较大的杂散电感，因此引起的关断电压尖峰要比带有Snubber电容时的关断电压尖峰高。

换流结束后，能量开始在Snubber电容和谐振回路的总杂散电感L_r之间振荡，并由于LC谐振回路中的阻尼R_r而不断衰减。该阻尼R_r主要是由杂散电阻构成，其值很小。如果忽略谐振回路的阻尼，则根据谐振回路的工作过程可以列出电路方程：

　　（2-24）

求解电路方程可得振荡周期和振荡峰值分别为：

　　（2-25）

振荡产生的电压峰值为第二电压尖峰，主要由谐振回路的杂散电感L_r引起，其数值取决于Snubber电容和谐振回路的杂散电感数值，也与外部的负载电流大小有关。

对IGBT桥臂并联Snubber电容，电容值分别取0.5μF和1.5μF，Snubber电容的寄生电感为20nH，对电路进行仿真，观察IGBT关断时的电压过冲情况，并把仿真结果与没有缓冲电容的情况进行比较，结果如图2-24所示。可见IGBT关断时，没有缓冲电容时的关断电压冲击最大，电压为2500V；而缓冲电容分别为0.5μF和1.5μF时均有两个电压尖峰，它们的第一个电压尖峰相同，均为2045V。缓冲电容为0.5μF对应的第二电压尖峰较高，为2080V；缓冲电容为1.5μF对应的第二电压尖峰较低，为1977V。可见，Snubber电容能够起到减小IGBT关断电压冲击的作用，而且Snubber电容越大，电压冲击越小。但Snubber电容的引入同时也带来了电压和电流高频振荡的问题，如图2-25和图2-26所示。而不加Snubber电容时则几乎没有振荡。从图2-26中还可以看出：在IGBT开通和关断时都产生了振荡，开通时的振荡是由杂散电感中的能量释放引起的，关断时的振荡则由Snubber电容中的能量释放引起。

可见Snubber电容在IGBT关断时可以吸收部分电压尖峰，究其原因是因为缓冲电路的引入改变了IGBT关断时的环流回路，用杂散电感较小的由缓冲电路和开关桥臂构成的环流回路代替了杂散电感较大的由支撑电容和开关桥臂构成的环流回路。

缓冲电路的引入不能完全消除关断电压尖峰，而是形成两个幅值较小的电压尖峰：第一个尖峰出现在换流阶段，主要由Snubber电容和IGBT的寄生电感引起；第二个电压尖峰出现在线路杂散电感和Snubber电容的谐振放能阶段，由线路杂散电感的储能释放引起。

缓冲电路的引入也带来了诸如电压振荡、电流振荡的问题。电流振荡不仅增加了系统的能量损耗，而且会增加纹波电流，从而增加直流母线支撑电容的负担，使其出现发热或寿命减短的问题。

2.4.2　寄生参数对IGBT并联的影响

在大功率变流器的应用中，为了取得较大的电流输出，现有的IGBT单管电流容量可能无法满足要求，从而需要进行IGBT模块的并联使用。但由于IGBT模块本身的参数差异、散热不均导致的结温不同、门极驱动信号的延时不同以及线路杂散电感的不同等，会引起并联的IGBT流过不同的电流，在极限工况下有可能造成分流过大的IGBT先过流损坏、而后并联的其他IGBT跟着过流损坏的情况。所以在IGBT并联使用时，需要考虑均流措施。

图2-27为考虑寄生参数时的两个并联IGBT的等效电路。其中L_c1、L_c2、L_e1、L_e2、L_g1、L_g2分为两个并联IGBT器件T₁和T₂的集电极、发射极和基极的端子引线寄生电感，R_g1、R_g2分为T₁和T₂的栅极寄生电阻，L_za为线路杂散电感。减小栅极电阻可以提高IGBT的开关速度、降低开关损耗，但会导致高的di/dt，并可能产生寄生振荡。因此，栅极电阻的差异必然对IGBT并联均流情况产生较大影响。当栅极寄生电感较大时，IGBT关断过程中有可能产生大幅度的寄生振荡，使得某路IGBT的u_ge低于开启电压，此时并联的IGBT交替导通。同时，回路寄生电感（包含集电极引线电感L_c和射极的引线电感L_e）的不同影响并联器件开关时刻的同步性，影响动态均流。

采用图2-28所示的电路参数进行仿真，依次分析IGBT门极寄生电阻R_g、门极寄生电感L_g、发射极电感L_e和集电极电感L_c对IGBT并联均流的影响，仿真结果如图2-29～图2-31所示。

图2-29为栅极电阻对并联IGBT均流的影响效果比较，此时R_g1=5Ω，R_g2=1Ω，可见栅极电阻对静态均流影响不大，而对并联IGBT的开关延时影响显著，R_g较小的IGBT器件T₂提前导通，因此电流迅速上升，此后T₁才开始上升。关断时T₂提前关断，由于感性负载，输出电流可视为恒定，T₁的电流先上升，然后开始下降。

图2-30为栅极电感对并联IGBT均流的影响效果比较，此时L_g1=20nH、L_g2=2nH，可见栅极电感对均流的影响不大，只有在栅极电感差异很大时，才会引起开通关断时刻的电流分配不均衡。图2-31为发射极电感和集电极电感对并联均流的影响。可以看出，发射极电感同时影响开通时的电流分配和静态时的电流分配，而关断时的影响很小。而集电极电感仅影响静态时的均流。电感较大的开关管电流上升较慢，静态时分担的电流也较小。