IGBT串联均衡控制方法及其高压直流装备应用可行性研究

大功率电力电子技术一般通过器件或模块串联实现高电压耐受,在常规高压直流和早期柔性直流输电换流器中,采用了晶闸管或IGBT直接串联技术。而基于模块级联的换流器技术因具备高扩展能力,成为目前柔性直流输电主流路线,同样也应用于高压直流断路器等设备中。首先,对IGBT器件直接串联的技术进行探讨;然后,分析串联IGBT开关组件在柔性直流输电、高压直流断路器等场合应用的方式,提出对应的设计方案;最后,对设计方案进行分析计算。研究结果表明,在现有的基于级联模块的高压直流断路器设备中,通过采用IGBT直接串联组件,可以有效地降低其体积和成本,但对于柔性直流换流器,该方案没有显著的提升效果。     

IGBT模块直接串联电压均衡驱动控制技术

高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块直接串联技术是实现柔性直流输电、高压直流断路器等高压大功率控制设备的一个重要基础,其中最难解决的是串联IGBT模块之间的电压均衡问题。文中分析了电压不平衡的机制,得出了实现电压均衡的关键在于解决断态电压不平衡和关断电压不平衡问题,门极侧均衡控制方法是较好的解决手段。对基于有源电压控制技术的驱动设计和基于延时补偿的控制策略进行了探讨,并分别采用在有源区对关断波形进行跟随控制和补偿IGBT器件间关断延时的方法,有效实现了串联器件的电压均衡。最后,通过6只3 300V/1 200AIGBT模块直接串联的阀段脉冲和基于该阀段的三相换流阀运行测试,对这两种方法进行了验证,所述方法获得了较好的电压均衡效果。     

压接式IGBT在电力系统应用特性分析

高压大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件主要包括模块式和压接式两种封装类型的器件,模块式IGBT器件在国内已经得到广泛应用;压接式IGBT器件具有双面散热特性、短路失效模式等优良的特性,尤其适用于串联型电压源换流器场合,在电力系统应用领域具有独特的优势。在串联应用时,需要重点考虑串联电压平衡控制、短路保护、抗电磁干扰设计等因素。     

基于驱动信号同步的串联IGBT动态均压方法

为解决由驱动信号不同步引起的多个IGBT串联动态电压不均衡问题,以实现串联IGBT在大功率高电压场合的应用。在研究国内外多种IGBT动态串联均压技术的基础上,采用同步变压器和端电压钳位电路相结合以实现动态电压均衡,并对其工作原理进行了说明。然后运用Saber仿真软件,建立串联IGBT的动态均压仿真电路。仿真结果表明,动态均压电路在IGBT串联运行时不仅能够很好地抑制IGBT驱动信号不同步造成的动态电压不均衡,而且能够使开关瞬态的过电压≤10%,确保了串联IGBT的安全运行。     

20kV IGBT串联阀段关键技术的研究

目前柔性直流输电(VSC-HVDC)及灵活交流输电(FACTS)等领域发展迅速,对换流器提出了更高电压、更大容量的发展需求。分析研究了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)高压串联阀段主要关键技术,包括串联器件均压控制技术、阀段电气结构设计等。在研究成果基础上设计研制了20 kV IGBT串联阀段,进一步构建了串联模块化多电平电压源换流器子单元。同时,为验证技术方案的可行性,建设了换流单元的稳态运行试验平台。试验结果验证,高压串联阀段均压控制有效,结构设计合理,达到设计水平。所提研究方法解决了高压串联阀段难题,对于促进电压源换流器的技术发展,提高电力电子装置的安全可靠性,具有积极的工程推广应用价值。     

基于增强密勒效应的IGBT串联有源均压新方法

为解决由器件驱动信号不一致引起的多个IGBT串联电压不均衡问题,以实现串联IGBT在大功率高电压场合中的应用,笔者结合功率侧和栅极侧IGBT串联均压辅助电路的优点,提出一种基于增强密勒效应的IGBT串联有源均压辅助电路,并对其工作原理进行了论述。然后,建立IGBT串联仿真电路,对不带和带该均压辅助电路两种情况进行仿真。仿真结果表明,该均压辅助电路在IGBT串联运行时不仅能够很好地抑制IGBT驱动信号不一致造成的电压不均衡,而且能够有效防止过电压的发生,确保了IGBT串联的安全运行。     

串联IGBT保护模块设计和故障诊断分析

绝缘栅双极晶体管(IGBT)因其良好的工作特性在高压大功率领域得到越来越多的应用。由于单个IGBT工作特性无法满足在实际应用中高电压大功率的要求,因此IGBT串联应用得到广泛研究发展。但是在IGBT串联应用中不可避免地出现负载过电压,过电流,散热不良等现象导致IGBT损坏甚至造成一定人身危险,因此串联IGBT的保护和及时的故障诊断分析越来越重要[1]。首先对串联IGBT保护环节进行简单的介绍分析,然后对串联IGBT的故障诊断实现进行了介绍,最后通过对故障实验分析证实了故障诊断环节的有效性。     

适用于IGBT串联的有源钳位动态电压均衡电路研究

为解决由栅极驱动信号不同步引起的多个IGBT串联电压不均衡问题,以实现串联IGBT在大功率高电压场合中的应用,笔者采用基于栅极端电压均衡技术的有源钳位动态电压均衡电路实现动态电压均衡,该电路具有响应速度快、损耗小、可靠性高等优点。通过建立IGBT串联仿真和实验电路,对该均压辅助电路进行仿真分析和实验验证。结果表明,该均压辅助电路在IGBT串联运行时不仅能够很好地抑制IGBT栅极驱动信号不同步造成的电压不均衡,而且能够有效防止过电压的发生,确保了IGBT串联的安全运行。     

基于有源电压控制法和无源缓冲法的IGBT串联均压技术

单个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)由于耐压的限制,在节能和改善电网电能质量、柔性直流输电、高压变频器、静止同步补偿器,以及有源电力滤波器等高压大功率电能变换场合还不能满足需求,而串联使用是一种较好的解决方案,但IGBT的串联使用需要解决一系列综合问题。文中结合有源电压控制(AVC)和无源电阻电容二极管(RCD)均压技术,从栅极驱动模块、参考电压波形、过流保护模块、无源缓冲电路参数计算等方面系统地描述了串联IGBT均压的综合解决方案。在此基础上研制了由4只IGBT模块串联组成的阀臂,并进行了脉冲试验,脉冲放电过程中阀臂中的每只IGBT均压稳定,电压过冲小于5%。在此基础上研制了一套3kV,600kVA的三相电压源换流器(VSC)样机,稳定地进行了额定功率的整流与逆变运行,验证了该IGBT模块直接串联技术的有效性与实用性。     

电压源换流器开关器件损耗建模

IGBT在电力电子装置中得到了大量应用,尤其是在高压大功率电压源换流器领域,而电压源换流器损耗分析一直是电力电子领域的一个研究热点。为了能对电压源换流器损耗进行精确分析,提出一种基于波形拟合理论的绝缘栅双极晶体管与二极管的损耗分析模型。建立的损耗模型充分考虑了电压源换流器不同开关里导通电流变化对于二极管反向恢复过程参数及损耗的影响,该模型还考虑了二极管与IGBT器件相互关系,器件电压、电流、结温变化对损耗的影响,特别计入了电流拖尾过程、电路杂散电感参数的影响。搭建了2.5kV输出Boost实验电路对该损耗模型进行验证,实验结果对比证明了该损耗模型的正确性和有效性。提出的损耗模型适用于电压源换流器型直流输电(voltage sourceconverter high voltage direct current,VSC-HVDC)、静止无功补偿器(static synchronous compensator,STATCON)、统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)等高压大功率应用场合的电压源换流器损耗分析。     

大功率IGBT模块串联动态均压的研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的串联使用是一种较为有效的提高耐压的方法。作为电感储能型脉冲功率系统中的主断路开关,IGBT串联组合会在开关的动作瞬间在各串联模块两端出现动态不均压的现象。工程应用中,各串联IGBT栅极驱动信号的不同步是导致动态不均压的主要原因。文中分别从负载侧被动均压和栅极侧主动均压对驱动信号的同步性补偿作用进行了理论分析和实验验证,结果表明均可以达到很好的动态均压效果。在此基础上提出利用阻容二极管有源均压法实现多个IGBT模块的串联应用,仿真验证了该方法在3个IGBT串联应用中的可行性。对工程实际应用具有一定的参考意义。     

电压源换流器中IGBT串联动态均压新方法

由动态电压不均衡引起的器件击穿致使串联失败是串联的关键问题。传统无源缓冲电路是以牺牲绝缘栅双极晶体管(IGBT)快速性换取电压均衡,IGBT损耗大。建立功率端与驱动端反馈的新型剩余电流动作保护器(RCD)动态均压电路替代传统无源缓冲电路,对电路的均压效果和串联IGBT开关损耗进行仿真分析。试验验证了该动态均压电路在IGBT串联运行时能很好地抑制其驱动信号不同步造成的动态电压不均衡,确保了电压源换流器的安全运行。     

国产高压大功率IGBT应用于机车变流器工作特性测试研究

高压大容量IGBT器件广泛应用于现代电力机车变流器系统中,其工作特性决定了电力机车的运行性能。用于牵引变流器的IGBT模块在功率密度、反并联二极管容量、封装技术和工作环境上要求更加严格。依据实际应用环境,测试并掌握IGBT器件的特性参数,选用合适的驱动保护电路,可以确保IGBT稳定可靠运行,充分发挥变流系统的控制特性。本文重点研究DM型国产大功率IGBT的工作特性,选取两种国外同规格IGBT进行对比测试分析。将国产DM型IGBT应用到HXD2F机车变流器进行了特性测试,测试结果为此款IGBT以后应用于牵引变流器的开发设计选型提供参考。     

高压陡前沿脉冲发生装置

介绍了一种基于IGBT串联技术的频率可调的高压陡前沿脉冲发生装置。并针对串级型结构的固体开关式脉冲发生器存在的可靠性受同步驱动、均压等技术条件影响严重的问题,提出了利用光纤连接器提高驱动信号同步性等解决方案。利用OrcAD＼Pspice软件对电路的仿真和与实际测试波形的对比结果证明,该装置工作可靠,输出脉冲电压峰峰值为±5kV,频率为1kHz～10kHz可调,脉冲前沿到达200纳秒以内。     

A Low‐Loss Medium‐Voltage Inverter Applying Series Connected General Purpose 1.2 kV Insulated Gate Bipolar Transistors with Accurate Voltage Balancing Techniques

This paper presents a medium‐voltage inverter applying series connected general‐purpose 1.2 kV insulated gate bipolar transistors (IGBTs) as a switching device to achieve low switching losses compared to inverters applying high‐voltage IGBTs with over 3 kV rating. Gate signal synchronization, which is essential to keep the balance of collector‐emitter voltages across the IGBTs, is achieved by magnetically coupling all gate lines using a simple two‐windings transformer. In order to obtain better voltage balancing, influence of stray capacitance distribution associated with an insulating substrate in a two‐in‐one IGBT module on the voltage sharing is investigated, and an optimized layout of heat sinks for the IGBT modules is proposed. To validate some performances concerning the device losses and the voltage sharing, a 170 kVA inverter based on three 1.2 kV IGBTs connected in series is built and evaluated. The experimental results are shown. Copyright © 2007 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

自适应IGBT串联均压电路设计

单个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)由于耐压的限制,在节能和改善电网电能质量、柔性直流输电、高压变频器、静止同步补偿器,以及有源滤波器等高压大功率电能变换场合还不能满足需求,而串联使用是一种较好的解决方案。文中提出了一种适用于串联IGBT的自适应动态均压方案,详细分析了其工作原理,并通过仿真和实际电路对其进行了验证。在此基础上研制了一套由4组5只IGBT直接串联桥臂组成的全桥逆变演示系统,串联回路中的每只耐压1 200V的IGBT稳定工作在900V,其电压利用效率达到了75%,具有较高的实用价值。     

不同结构压接型IGBT器件压力分布对比

柔性直流输电技术的不断发展对应用在柔性直流输电系统中的绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件提出了更多的要求。压接型IGBT器件因符合柔性直流输电系统等领域高电压、大电流以及高功率密度的发展需求而得到重视,易于串联的特性使其非常适用于高压应用领域。目前以WESTCODE、TOSHIBA公司为代表的凸台式封装结构和以ABB公司为代表的弹簧式封装结构的2种压接型IGBT器件已成功应用到柔性直流输电工程中。基于有限元法建立了2种压接型IGBT器件的仿真模型,分别针对器件2种不同工况（正常加压未工作和正常工作状态）对比分析了其内部的压力分布。仿真结果表明,2种结构的压接型IGBT器件在正常加压状态下压力分布均比较均匀,由于弹簧结构的存在使得弹簧式压接型IGBT器件在正常工作状态下压力分布更为均匀。最后基于仿真分析,对压接型IGBT器件的结构优化提出了可能的解决方案。     

柔性直流输电换流器经济性分析

本文通过分析IGBT直接串联两电平电压源换流器(2L-VSC)和模块化多电平换流器(MMC)的经济性差异,为特定工作条件下柔性直流输电系统换流器的选型提供理论依据。对比了两种换流器的结构差异,详细分析两种换流器的主电路器件参数设计方法和损耗计算方法,在此基础上提出了合适的换流器经济性评估指标,对IGBT直接串联两电平换流器和模块化多电平换流器的经济性进行定量对比分析。结果表明在35kV及以下工作场合,IGBT直接串联两电平换流器比模块化多电平换流器经济性更好。     

一种E类逆变器及其IGBT串联均压问题的研究

介绍了一种利用IGBT作为开关器件,可用于感应加热的单端E类软开关逆变器;分析了它的工作原理;给出频率为20kHz,输出功率达6kW时的系统相关参数.为了提高开关的耐压级数,该逆变器采用两个IGBT的串联.此外还分析了因串联IGBT开关不一致所引起的串联均压问题,并探讨了解决办法.最终给出了系统的仿真及实验结果.