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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(diǎn)[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(hù)方便等優(yōu)點(diǎn);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(shí)際工程中可行性較差，因此需要通過***的柵極控制實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡[3]。

文獻(xiàn)[4,5]提出了同步控制技術(shù)，瞬時(shí)電壓平衡控制器通過對提前開關(guān)的開關(guān)管進(jìn)行一定開通關(guān)斷的***控制，使各管電壓相等。這個(gè)控制器可以采用數(shù)字離散化，保證每個(gè)開關(guān)信號同步。文獻(xiàn)[6]提出了通過增強(qiáng)密勒效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)動態(tài)均壓的方法，如果串聯(lián)支路的某個(gè)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(gè)正的脈沖，從而讓電壓均衡的承受在每個(gè)開關(guān)管上。文獻(xiàn)[7]提出的有源電壓控制方法讓串聯(lián)的每個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡，但是在實(shí)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***大程度降低IGBT開關(guān)損耗的基礎(chǔ)上實(shí)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(shí)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，從而極大地影響了IGBT集電極-發(fā)射極電壓的平衡。關(guān)斷時(shí)，先關(guān)斷的器件會產(chǎn)生很高的過電壓，同理開通時(shí)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***特性的差異

IGBT內(nèi)部通常反并聯(lián)一個(gè)快***二極管，在***負(fù)載情況下，IGBT的開通與電感續(xù)流二極管之間存在一個(gè)換流過程。由于二極管的反向***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(shí)由于二極管反向***電荷的差異性，串聯(lián)二極管關(guān)斷時(shí)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。

2 有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略

通過文獻(xiàn)[]可知，IGBT開關(guān)過程中的延遲時(shí)間td及電壓變化率dv/dt，如公式(1)(2)所示

通過調(diào)節(jié)IGBT柵極電壓，能夠有效地控制IGBT開關(guān)過程中的延遲時(shí)間td及電壓變化率dv/dt，實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡。有文獻(xiàn)提出的有源電壓控制，通過閉環(huán)控制讓IGBT集射極電壓VCE快速跟隨參考電壓Vref。當(dāng)IGBT端電壓高于給定電壓時(shí)，產(chǎn)生正門極電壓信號開通IGBT;當(dāng)IGBT端電壓低于給定電壓時(shí)，產(chǎn)生負(fù)門極電壓信號關(guān)斷IGBT，通過這種閉環(huán)控制使得與IGBT集射級電壓能快速跟隨Vref。