计及热阻与发射极电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法

在大量芯片并联的IGBT器件内部,热阻和发射极寄生电感是决定芯片稳态结温分布的关键参数。因此,合理设计芯片并联支路的热阻和发射极寄生电感,对均衡并联芯片的稳态结温非常重要。为此,该文首先建立两IGBT并联芯片的电热模型,研究并联IGBT芯片动态损耗与结温、发射极寄生电感之间的规律。并通过瞬态电热耦合计算,研究热阻和发射极寄生电感对并联芯片结温分布的影响。在此基础上,提出计及热阻与发射极电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法,可通过联立方程得到热阻或发射极寄生电感的参考值,从而避免复杂的电热瞬态计算。最后以两IGBT并联芯片为例,给出不同工作频率下并联芯片的稳态结温,表明了该文所提稳态结温均衡方法的有效性。     

多芯片并联功率模块低感低结温封装设计

相较于单个硅绝缘栅双极型晶体管(Si IGBT)芯片,碳化硅(SiC)芯片的载流量较小,因此对于同功率等级的功率模块,需要并联更多的芯片。然而,芯片数量的增多会增大模块失效的风险,因此需要一种低寄生电感低结温的封装设计,来提高多芯片并联SiC模块的可靠性。这里通过对多芯片布局以及垫片位置分布的研究,设计出一款低寄生电感,低结温的多芯片并联功率模块结构。最终基于实验和多物理场仿真软件COMSOL对该封装结构进行验证,实验及仿真结果表明所设计的多芯片并联SiC模块满足低感、低结温的设计目标。     

封装寄生参数对并联IGBT芯片瞬态电流分布的影响规律

大功率IGBT器件通过并联多个IGBT芯片来获得大电流等级,并联芯片动静态电流分布的一致性对于提高器件电流等级以及可靠性至关重要。首先介绍了大功率IGBT模块内部布局不一致导致的封装寄生参数差异性。其次,结合IGBT等效电路模型及其开关特性,分析了寄生参数差异性对于并联IGBT芯片瞬态电流分布特性的影响规律。最后,建立了并联IGBT芯片的等效电路模型,并应用Synopsys Saber软件建立了仿真电路,从封装寄生电感参数差异性、封装寄生电阻参数差异性,分析了参数差异对并联芯片的瞬态电流分布特性的影响。     

基于分立器件并联型碳化硅逆变器的叠层母排设计研究

在分立器件并联型碳化硅逆变器中,主功率回路叠层母排的设计需满足低寄生电感、外电路对称及器件均温的目标。然而,现有叠层母排的结构方案大多针对的是功率模块,对于分立器件并联型叠层母排缺乏系统性的设计方法。首先以两管并联为例,展示分立器件并联型叠层母排的三维结构特征。接着提出一种分立器件并联型叠层母排寄生电感建模以及解耦计算方法,为评估并联支路寄生电感大小和对称性提供依据。最终基于Ansys Q3D的参数化仿真分析,对不同器件布局以及关键物理尺寸进行寻优,总结出分立器件并联型叠层母排的设计原则。基于上述方法,设计出一种六管并联型叠层母排结构,通过仿真和实验验证了该结构满足低感,外电路对称以及器件均温的设计目标。     

基于SiC MOSFET的多芯片并联功率模块不均流研究

针对多芯片功率模块MCPMs(multi-chip power modules)从功率模块布局设计角度对碳化硅SiC(silicon carbide) MOSFET的并联不均流进行了研究。理论分析了造成SiC MOSFET并联不均流的原因,在忽略器件自身差异的情况下,重点分析了非对称布局对功率管并联不均流的影响。在此基础之上,以集成化大功率固态功率控制器SSPC(solid-state power controller)为背景,提出了3种适用于大功率SSPC集成功率模块的非对称布局,分别对3种布局的不均流电流进行了理论分析,并利用Ansoft Q3D提取寄生参数在Saber中对模块的动态开关过程进行仿真。仿真结果表明,通过合理的布局可以减小非对称布局引起的寄生电感不对称对SiC MOSFET并联不均流造成的影响。     

低寄生电感SiC MOSFETs模块的设计与制作

为获得两芯片碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFETs)并联半桥模块的优化设计方案,采用Ansoft Q3D Extractor软件对不同互联拓扑结构的模块寄生电感进行研究,并通过ANSYS软件对不同互联拓扑结构的热传递过程进行了仿真.通过改变并联半桥模块内部换流回路中各元件的布局方式,减小模块内部换流通路的长度以及面积,从而实现减小寄生电感的目的,同时,也对不同方案的热学特性进行了比较分析.综合考虑寄生电感和散热性能两方面的因素,最终确定最优的模块设计方案;根据优化方案,针对电动汽车应用制作了6芯片并联半桥模块,并搭建Boost电路对模块进00行了测试.     

基于耦合电感的SiC MOSFET并联主动均流

为了适应大功率变流的应用场景,多SiC MOSFET并联是一种有效的解决方案,在电动汽车电机控制器等电力电子系统中,具有广泛的应用前景。然而,SiC MOSFET器件的静态参数具有分散性,功率回路的寄生参数具有不对称性,以及器件的工作结温存在差异性,都导致并联器件之间的电流应力会出现不均衡现象。就此给出了一种基于耦合电感的主动均流方法,将多个共用磁芯的耦合线圈串联接入各个器件支路,利用磁通约束,实现各支路的电流平衡。在建立数学模型的基础上,从器件参数、外围电路、结温三个方面,分析了并联器件静态和动态电流不均衡的现象,及其影响因素。然后,建立了耦合电感的数学模型,得到了耦合电感实现静态和动态均流的数学物理机理,并给出了其设计方法。最后,利用实验结果验证了耦合电感在SiC MOSFET并联均流方面的有效性,将电流不平衡度从16%降低到2%以内。     

基于虚拟阻抗的改进型微电网下垂控制策略

通过对传统下垂控制算法的有功、无功分析,引入虚拟电感的电压电流双环控制策略,虚拟电感使逆变器等效输出阻抗成感性,从而通过调节感抗匹配程度提供功率均衡效果;提出一种多逆变器并联运行的改进型下垂控制算法,通过改进型下垂控制参数设置,减弱了阻抗对环流的影响。实验仿真结果表明,改进型多逆变器并联的微电网下垂控制算法提高了多逆变器的并联运行性能,有效地减小了多逆变器并联运行的环流问题,大大提高了多逆变器并联运行的无功均衡效果。     

Boost电路寄生参数影响分析与验证

理想DC/DC变换器建模因忽略寄生参数影响,仿真结果与实际电路存在较大偏差。主要讨论在电感和电容高频寄生电阻条件下,基于电路平均法建立非理想Boost变换器小信号数学模型。对于寄生参数的存在给系统性能带来的影响进行了理论分析和实际验证,理论分析与实验结果对优化变换器性能提供参考。     

基于GaN器件的PFC设计

针对氮化镓GaN(gallium nitride)功率晶体管在AC-DC变换器当中的应用进行设计。首先,在了解GaN器件的基本特性后,通过LTspice仿真软件搭建了PFC电路,分析了GaN寄生参数对驱动电路的影响,得出的结果对PFC的PCB布局有明显的帮助,应尽量减小驱动器与GaN器件之间的距离,从而达到降低寄生电感的作用;然后,对高频Boost PFC电路进行了分析以及电感和电容的设计;最后,通过仿真验证了设计的正确性,并以UC3854为控制器搭建了1台2.5 kW 500 kHz的高功率密度PFC样机,测得的驱动波形稳定。     

寄生电感对于功率MOSFET开关特性的影响

分散在MOSFET栅极、源极、漏极的寄生电感由于封装以及印制电路板（PCB）走线,改变了MOSFET的开关特性。通过仿真分析对比,指出MOSFET寄生电感存在如下特性：源极电感对栅极驱动形成负反馈,导致开关速度变慢,采用开尔文连接,可以将栅极回路与功率回路解耦,提高驱动速度;在米勒效应发生时刻需要合理地降低栅极电感来降低栅极驱动电流;漏极电感通过米勒电容影响MOSFET的开通速度,在关断时刻导致电压应力增加;在并联的回路当中,非对称的布局将导致MOSFET之间的动态不均流;当MOSFET在开关过程中,环路电感与MOSFET自身的结电容产生振荡时,可以在电路增加吸收电容减小环路电感,改变振荡特性。     

基于移相控制的三相交错并联LLC谐振变换器均流控制策略

为了适应大功率应用场合,多相LLC谐振变换器的交错并联结构得到了广泛关注和研究.由于并联各相LLC谐振变换器谐振参数(励磁电感Lm、谐振电容Cr和谐振电感Lr)的差异,各相的电压增益互不相同,进而导致各相电流不平衡.为了解决这一问题,基于原副边星形连接的三相交错并联LLC谐振变换器电路拓扑,详细分析了各谐振参数对并联LLC谐振回路均流的影响程度;提出了一种基于移相控制的均流控制策略,运用余弦定理求出谐振电流相位的关系,转化为开关管的相位驱动信号,在不增加任何附加电路的情况下,实现并联各相LLC谐振回路的自动均流,提高了系统整体运行的可靠性.最后通过仿真和实验分析了所提控制方法的有效性和准确性.     

电动汽车永磁同步电机分布参数提取研究

电动汽车驱动系统通常由电池组、逆变器以及永磁同步电机构成。由于逆变器中功率半导体器件高频地开关,驱动系统会产生电磁干扰EMI（electromagnetic interference）。永磁同步电机为共模电磁干扰和差模电磁干扰提供了传播路径,其寄生参数增强了电磁干扰,因此它是电动汽车驱动系统EMI模型的重要组成部分。在分析电机物理结构的基础上,基于永磁同步电机的集总参数模型,将模型中的电路元件与电机寄生参数联系起来;然后通过理论计算和有限元仿真分析相结合的方法,提出了绕组电感、相间互感、寄生电容、铜耗电阻和铁损电阻的获取方法,并通过实验测量验证了理论计算方法的正确性。基于所提参数提取方法,得到了集总参数模型参数,通过仿真和网络分析仪实验测量进行了所提方法的验证。     

DCM工作模态下LCC静电除尘变压器仿真设计

通过在Saber中搭建LCC谐振电路,在固定开关频率和占空比下,根据输出功率,分析了高频变压器的原边电流、电压和视在功率。结合传统AP法,计算出合适的绕制参数和磁芯尺寸。利用Maxwell软件,在3D瞬态场下,分析变压器原副边的耦合系数,确定合适副边对原边的漏感值。再利用Saber中自带的磁元件工具箱,在2D环境下分析绕组分布和层间电容值。仿真结果最终得到符合谐振要求的寄生参数。仿真设计有助于在实际制作变压器之前,对绕制参数及工艺提供可靠指导。     

一种可提高IGBT可靠性的新型结温管控策略

变换器在运行过程中频繁和大范围地随机出力变化,会导致IGBT模块内部结温剧烈波动,使器件持续承受交变的热应力冲击,严重影响器件的可靠性。提出一种通过调节驱动电压实现功率器件结温平滑跟踪和自适应管控的策略。首先,基于简化的IGBT损耗分析模型,阐述了驱动电压大小对IGBT损耗的影响。然后,根据结温变化趋势的大小自动调节驱动电压,在不影响变流器输出性能的同时最大程度抑制结温波动,改善器件周期热应力,提高器件运行可靠性和寿命。最后,通过一种新型应力测试电路的结温跟踪管控实验平台进行实验测试,证明了该结温跟踪管控策略具有可行性和有效性。     

直流微电网高频振荡稳定问题的降阶建模及分析

为从等效电路角度揭示直流微电网高频振荡稳定机理,建立了直流微电网降阶电路模型.将直流电压控制单元降阶成等效电阻、电感串联电路模型,其中将下垂控制、直流电压控制及电流内环控制环节对系统高频稳定性的影响转化为可量化的等效电阻、等效电感.进一步结合采用等效电阻、电容并联电路的恒功率负荷模型,得到直流微电网全系统降阶电路模型,在此基础上提出了直流微电网高频振荡稳定性判据.并基于所提降阶模型,分析了直流电压控制单元详细控制参数对等效电阻、等效电感以及稳定性判据的影响,从等效电路的角度揭示了直流微电网发生高频振荡失稳的原因.最后,在PSCAD/EMTDC软件中对所提降阶模型进行了仿真验证.     

考虑磁路饱和的IPMSM电感辨识算法及变参数MTPA控制策略

内置式永磁同步电机(IPMSM)d、q轴电感会随着磁路饱和程度的不同而发生改变,这会降低最大转矩电流比(MTPA)控制的有效性。考虑到定子电流引起的磁路饱和及交叉饱和效应的影响,提出了相应的d、q轴电感辨识算法和变参数MTPA控制策略。采用基于旋转高频电压注入的d、q轴电感辨识算法可在其他电机参数未知的前提下得到不同负载条件下的d、q轴电感;变参数MTPA控制策略能够充分利用标幺值化处理的优势,在转矩-最优电流控制表不变的基础上,只需根据实际d、q轴电感更新电流基值和转矩基值便可克服电感变化带来的不利影响,并实现一定转矩条件下的最佳MTPA控制。最后在电机控制实验平台上通过实验对提出的电感辨识算法和变参数MTPA控制策略的可行性和有效性进行了验证。