电力电子器件串联技术优化方案

1.实现器件串联需要解决的问题

为了增加器件可以承受的耐压，可通过器件的串联来解决用多个低压器件实现中、高压变换的目的。

确定串联器件件数时，主要考虑器件在串联臂的工作峰值电压、施加电压的各种波动因素及必要的电压设计裕度。每桥臂的串联器件数通常为

式中，U_AM为桥臂的工作电压峰值（V）；U_RM为串联器件的额定重复峰值电压（V）；K_s为串联系数，考虑到过电压冲击、电网电压的波动、均压的平衡度及设计裕量，一般K_s取值为1.5～3.2。

开关器件在串联时应保证静态均压与动态均压。

静态均压的目的主要是使器件处于正向阻断或反向阻断状态时的电压均衡。静态电压不均衡的根本原因在于串联的各个器件的阻断特性不一致。静态均压最常用方法是给每只串联器件并联一只均压电阻，设计时要使该电阻中的电流为串联器件漏电流的3～5倍。

影响动态均压的因素将最终导致串联各器件开关时间的差异。因为最先关断和最后开通的器件将承受最高的电压，因此也承担着最高的开关损耗。常用的方法是采用RC网络来吸收动态过电压。

2.IGBT的串联问题

实际应用中，对于所串联的各个器件从特性上应尽量保持一致，其电压是否均衡主要是受表1-12所示因素的影响。

表1-12 影响电压均衡的主要因素

注：×代表有影响。

在IGBT的静态阻断期间，其静态电压的均衡是由串联各管子的阻断特性所决定的，管子的阻断漏电流越高，其阻断电阻就越低，则管子所分到的电压就越低。(www.xing528.com)

对于动态不均压，表1-12所列的影响动态不均压的所有因素都最终导致所串联管子开关时刻的差异。最先关断和最后开通的管子将承受最高的电压，因此也承担着最高的开关损耗。

为了获得最优化的静态均压，可以通过采用并联电阻的方法来实现，其并联电阻参数一般是使其流经的电流为管子漏电流的3～5倍。

最优化的动态均压总是建立在驱动级的信号传输时间偏差最小的基础上，通常动态均压采用RC或RC-VD无源网络，均能有效地减少并均衡开关期间的du/dt，如图1-50所示，但在使用时要注意这些无源器件的耐压问题。另外，可以通过开关时间校正的方法来实现动态平衡。即通过调整延迟时间来对开关时间进行校正，当然该方法要求高精度的驱动与控制电路，如图1-51所示。

3.IGCT的串联问题

目前由于IGCT与IGBT等其他器件相比在性价比、可靠性等方面具有极大的优越性，因此在高电压、大功率应用中，IGCT的应用越来越广泛。当然IGCT易于串联也是关键因素之一。

IGCT易于串联的因素有：

1）IGCT的存储时间很短，通常只有1μs。

2）由于IGCT为平板形压接式连接，多个串联的IGCT中的某一个或与其反并联的续流二极管失效，失效后的器件自身形成短路，不影响设备的正常运行。

图1-50 IGBT串联均压电路

图1-51 开关时间校正的原理图

3）通常在主电路设计中要考虑器件的冗余，作为串联方式的IGCT，单个器件的寿命随承受电压的下降而大幅度提高，因此可靠性大大提高。图1-52所示为四个IGCT串联构成二电平逆变电路的半个桥臂，该电路仅安装了简单的RC-VD吸收电路。