目前柔性直流輸電技術(shù)正朝著更高電壓、更大容量方向發(fā)展，由于絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)電容及容量的限制，往往需要采用IGBT串聯(lián)技術(shù)，在實際工程中IGBT串聯(lián)閥的可靠性及效率則尤為重要，針對IGBT串聯(lián)閥可靠性及效率高的要求本文提出了IGBT串聯(lián)有源自適應(yīng)電壓平衡控制技術(shù)。首先本文分析了IGBT及二極管串聯(lián)電壓不平衡機理，提出了IGBT串聯(lián)有源自適應(yīng)電壓平衡控制技術(shù)，分析該控制技術(shù)的基本原理及方法，zui后通過Saber仿真和試驗對其進行了驗證，實驗結(jié)果表明IGBT串聯(lián)有源自適應(yīng)電壓平衡控制技術(shù)能夠有效地實現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡及損耗*控制。
0 引言
隨著電力電子技術(shù)的進步和發(fā)展，柔性直流輸電在解決遠距離，大容量輸電，新能源分布式電源接入，以及特大型交直流混合電網(wǎng)面臨的諸多問題時都將展現(xiàn)出其*的優(yōu)勢。作為新一代直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電為電網(wǎng)輸電方式的變革和構(gòu)建未來電網(wǎng)提供了有效的解決方案，將在提高電網(wǎng)的整體經(jīng)濟效益及促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮重要作用[1]。
隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，柔性直流輸電也將朝著更高電壓等級、更大容量方向發(fā)展。為了滿足電力系統(tǒng)高壓領(lǐng)域應(yīng)用需求，往往采用器件或者集成組件的串聯(lián)、級聯(lián)技術(shù)。
采用IGBT直接串聯(lián)的換流閥技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、占地面積小、控制簡單的優(yōu)點[2];采用換流單元級聯(lián)的模塊化多電平換流閥技術(shù)具有模塊化程度高，安裝維護方便等優(yōu)點;而采用器件串聯(lián)與換流單元級聯(lián)的換流閥技術(shù)是目前高壓大容量換流器發(fā)展的方向，很好的解決了高壓環(huán)境下，IGBT器件串聯(lián)數(shù)增大帶來的應(yīng)力高、均壓難及子單元串聯(lián)數(shù)量大、控制復(fù)雜的問題。因此IGBT串聯(lián)技術(shù)仍然是未來超特高壓直流輸電的核心技術(shù)之一。
在基于晶閘管的特高直流輸電中，往往采用RC阻尼回路解決晶閘管串聯(lián)的電壓平衡問題，但是IGBT開關(guān)速度快、工作頻率高，采用RC阻尼均壓方案效率較低，在實際工程中可行性較差，因此需要通過*的柵極控制實現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡[3]。
文獻[4,5]提出了同步控制技術(shù)，瞬時電壓平衡控制器通過對提前開關(guān)的開關(guān)管進行一定開通關(guān)斷的延時控制，使各管電壓相等。這個控制器可以采用數(shù)字離散化，保證每個開關(guān)信號同步。文獻[6]提出了通過增強密勒效應(yīng)來實現(xiàn)動態(tài)均壓的方法，如果串聯(lián)支路的某個開關(guān)管提前關(guān)斷，被預(yù)充電后的電容就會給開關(guān)管注入一個正的脈沖，從而讓電壓均衡的承受在每個開關(guān)管上。文獻[7]提出的有源電壓控制方法讓串聯(lián)的每個開關(guān)管在動態(tài)過程中集電極-發(fā)射極電壓都跟隨同一個基準(zhǔn)信號，因此集電極-發(fā)射極電壓的變化并不取決于器件而是取決于參考波形。目前上述方法都能有效地實現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡，但是在實際工程中IGBT開關(guān)損耗的優(yōu)化也十分重要，本文提出的有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略，在zui大程度降低IGBT開關(guān)損耗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)電壓平衡。
1 IGBT串聯(lián)電壓不平衡分析
IGBT串聯(lián)電壓不平衡分為靜態(tài)電壓不平衡及動態(tài)電壓不平衡，而由于IGBT開關(guān)速度較快，因此動態(tài)電壓不平衡是IGBT串聯(lián)需要解決的核心問題，同時與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管的電壓平衡控制也是串聯(lián)需要考慮的重要問題。造成IGBT串聯(lián)電壓不平衡因素主要分為以下五類：
(1)IGBT漏電流不一致
IGBT漏電流的差異性將導(dǎo)致IGBT斷態(tài)阻抗的不一致，而IGBT關(guān)斷后，由于串聯(lián)器件中流過的漏電流是相同的，因此不同的斷態(tài)阻抗會造成IGBT的靜態(tài)電壓不均衡，器件的結(jié)溫同樣會影響靜態(tài)均壓[8]。
(2)驅(qū)動信號的不一致和驅(qū)動電路參數(shù)的差異
驅(qū)動信號的不一致和驅(qū)動電路參數(shù)(例如柵極電阻)的差異，將導(dǎo)致IGBT柵極驅(qū)動信號的不同步，從而*地影響了IGBT集電極-發(fā)射極電壓的平衡。關(guān)斷時，先關(guān)斷的器件會產(chǎn)生很高的過電壓，同理開通時滯后導(dǎo)通的器件也會承受較高過電壓[9]。
(3)IGBT本身寄生參數(shù)的離散性
器件寄生電感、寄生電容等特性不一致，會導(dǎo)致不同的開關(guān)特性和電壓尖峰，串聯(lián)IGBT在關(guān)斷過程中，關(guān)斷速度較快的器件要承受很高的過電壓，開通過程中導(dǎo)通較慢的器件也會承受較高過電壓[10]。
(4)IGBT串聯(lián)閥雜散參數(shù)
IGBT驅(qū)動及器件本身對地及相互之間的雜散電容會導(dǎo)致IGBT在開關(guān)延遲及dv/dt出現(xiàn)明顯的差異，造成IGBT動態(tài)電壓不平衡。
(5)反向二極管恢復(fù)特性的差異
IGBT內(nèi)部通常反并聯(lián)一個快恢復(fù)二極管，在感性負載情況下，IGBT的開通與電感續(xù)流二極管之間存在一個換流過程。由于二極管的反向恢復(fù)問題，在IGBT開通瞬間，會在續(xù)流二極管兩端產(chǎn)生過電壓。同時由于二極管反向恢復(fù)電荷的差異性，串聯(lián)二極管關(guān)斷時將會出現(xiàn)電壓的差異，這也將導(dǎo)致二極管過電壓。而二極管兩端的過電壓即IGBT的過電壓。
