基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法

压接式绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)模块因优越的电气性能和封装设计,受到柔性直流输电等大功率应用场合的青睐,其模块可靠性也成为大功率应用场合研究的重点,而IGBT模块结温是影响器件可靠性的重要因素。基于压接式IGBT模块双脉冲测试平台,介绍一种基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法,分析压接式IGBT芯片结温和模块关断电流最大变化率间单调变化关系,并利用压接式IGBT模块封装结构固有的寄生电感有效获取关断电流最大变化率的信息,以此来反推模块结温特性。最后通过压接式IGBT双脉冲测试平台验证了通过模块关断电流最大变化率进行压接式IGBT结温提取的可行性。     

大功率逆变器散热设计

本文研究了大功率逆变器中IGBT模块的散热设计。大功率IGBT模块在功率变换系统、无功补偿系统等领域有着广泛的应用,随着系统尺寸重量向着轻小化方向发展,IGBT模块单位体积内的散热量越来越高,严重危害了系统的稳定运行,因而对IGBT模块的热分析、热管理成为大容量IGBT技术发展的重要研究方向。本文提供了一整套的散热设计方法:首先对IGBT模块在实际工作电压电流下的损耗进行了分析计算,接下来提出了一种考虑IGBT模块内NTC热敏电阻的新型等效热路图,通过该等效热路图可较快速准确地进行结温以及热阻的计算,最后利用ANSYS的Design Xplorer模块对影响散热器热阻的关键参数进行了定量分析,并对散热系统的散热效果进行了仿真和试验分析,证明散热设计的准确性。     

IGBT功率模块新型直接冷却技术研究

分析了当前应用的几种IGBT(insulated gate bipolar transistor)功率模块冷却技术的现状和特点,同时介绍了Danfoss公司发明的新型直接冷却技术ShowerPower,详细分析了其设计原理和技术特点。随后针对1 700 V/1 000 A的IGBT模块,使用CFDesign流体仿真分析软件,应用带有流量分配元件的ShowerPower冷却装置进行了多工况的仿真分析,得到了功率模块的温度场分布(包括IGBT芯片的结温)及冷却装置内的速度场。同时,设计实验对仿真结果进行验证。结果表明,ShowerPower技术能够有效改善功率模块内部芯片温度分布的均匀性,从而提高功率模块电气性能。     

紧凑型MMC模块运行试验测试系统及控制策略

模块化多电平换流器(MMC)技术凭借其在新能源并网、孤岛供电、非同步电网互联、多端直流输电以及城市配电网增容等领域中的独特优势而被电力系统采纳和应用。其大功率、高电压、强电流的特点,导致很难构建与实际工程相同的全载电路进行试验。因此,设计适当、有效的试验方法和装置来获得能够代表实际运行条件的关键应力显得尤为重要。介绍一种MMC功率模块对推的试验拓扑,提出一种脉宽调制(PWM)斩波和定电流控制策略对试验电路进行控制,通过Matlab仿真和试验验证了所述控制策略可防止IGBT动作频繁和控制系统的延时导致IGBT过流;同时解决了固定脉冲充电速度较慢的问题。该试验拓扑简洁明了,能近似模拟MMC功率模块实际运行中的电压、电流和温度应力,特别适合模块样机研制阶段对单模块进行测试。     

基于流固耦合的大功率IGBT模块散热结构设计

由温度过高引起的IGBT器件失效率高达55%，提高散热器的散热效率是保证IGBT器件安全可靠运行的基础。通过对IGBT模块水冷散热进行理论分析，提出基于流场-温度场耦合的温升计算方法，并利用仿真软件对IGBT模块进行流场-温度场耦合计算，之后搭建温升试验平台，用小电流饱和压降法测量芯片温度，与仿真结果进行对比，误差在5%以内，最后对散热器结构进行优化设计。分析结果得出IGBT模块产生的热量从上往下、从中间向四周扩散传播，最高结温小于工作的极限温度，且优化后的散热器散热效果提升明显。基于耦合场数值计算的方法对大功率IGBT模块温升及散热进行分析，能得到流体流动情况和温度分布情况，再通过温升试验对比分析，可为散热器结构的优化设计提供依据。     

基于热敏感电参数法的大容量IGBT模块动态结温在线检测研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在风力发电等大功率系统中应用广泛,其可靠性越来越受到学术界和工业界重视,鉴于结温是影响IGBT模块可靠性的重要因素,国内外学者提出了诸多基于热敏感电参数的结温提取方法,然而较少涉及大容量IGBT模块动态结温在线监测和测试的研究。设计和搭建了基于H桥拓扑的兆瓦级应用工况复现平台,可开展大功率变流系统的运行工况型式测试。以关断延迟时间为热敏感电参数,简要论述了其与器件结温和负载电流等运行工况的相关性,并通过实测构建了三维数据库。基于运行工况复现平台,研究了大容量IGBT模块在不同基波频率下的结温波动特征,并通过模块内置的负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻进行结温波动对比,验证了以关断延迟时间进行IGBT模块结温在线提取和检测具有灵敏度高、响应速度快和易于集成的优点。     

大容量风电变流器中IGBT模块多并联策略

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)在耐压及通流方面性能的加强使其在大功率应用场景中较GTO(可关断晶闸管)、 IGCT(集成门极换流晶闸管)等其他全控器件更具优势。IGBT模块作为风电变流器的核心应用器件,为了满足变流器大功率化的需求,需要将IGBT模块并联使用。通过梳理现有IGBT模块并联应用技术的特点,分析并联模块组件在静态及动态方面的均流特性及其对变流器系统稳定性的影响。同时给出了一种IGBT模块损耗的计算方法,以此来论证IGBT模块损耗对变流器系统性能的影响。通过实验及仿真,分析IGBT模块不同数量并联对变流器系统稳定性及性能方面的影响,给出一种变流器中IGBT模块多并联应用的策略。     

软穿通型3300 V/1200 A IGBT模块建模与仿真

绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是功率模块作为电力电子领域中的重要大功率器件,在大容量场合越来越受重视。高压大功率IGBT模块国产化需求迫切,针对国产IGBT器件的模型研究成为不可缺少的环节。提出一种IGBT模块建模方法,基于IGBT工艺仿真与物理机制建立IGBT芯片模型,利用Q3D软件提取IGBT模块杂散参数,在Saber软件中结合芯片模型与杂散参数建立IGBT模块模型。然后,采用IGBT模块模型在Saber软件中搭建双脉冲仿真电路,得到IGBT模块的仿真波形。最后进行实验研究,将仿真波形与实验波形进行对比,结果基本一致,可见利用该方法所建的IGBT模块模型比较精确,为IGBT器件的应用仿真研究奠定了基础。     

一种考虑热扩散和热耦合的IGBT模块热阻抗模型

针对传统热等效电路模型对IGBT模块结温计算误差较大的问题,提出一种基于传热研究的IGBT模块等效热阻抗模型。通过对IGBT模块内部传热研究,以热流密度变化规律确定热扩散角,由此计算出热网络参数并建立改进的单芯片Cauer网络等效电路模型。然后在此基础上,考虑多芯片之间的热耦合效应,计算出自热热阻和耦合热阻并建立IGBT模块热阻抗矩阵,利用线性叠加原理可对各芯片的结温进行预测计算。最后,将等效热阻抗模型计算出的结温与有限元仿真值进行比较,验证了该模型的有效性与准确性。     

牵引变流器中6 500 V场终止IGBT的物理场仿真研究

绝缘栅双极性晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)凭借其优异的载流和抗压能力,在牵引变流器中得到了广泛的应用。通过仿真研究了解其动态特性,对于保障其自身和系统的运行稳定性和可靠性具有重要意义。针对牵引变流器用大功率IGBT封装模块,在分析IGBT工作原理和特性的基础上,充分考虑其静态特性、动态特性以及封装寄生参数影响,结合寄生参数提取矩量法和IGBT动态模型等效电路分析法,建立了精确的IGBT封装电路模型,并通过仿真测试分析对模型进行了验证。此外,以牵引变流器中的整流器电路为例,依据IGBT封装精确电路,构建了更为详细的整流器精确电路模型。仿真结果表明,精确电路模型比理想电路仿真输出能够更加准确地突出系统的高频信息,这对于针对含有大功率IGBT器件系统开展损耗计算、电磁兼容性分析以及风险评估等极具参考价值。