高压直流断路器组件内IGBT关断瞬态电压过冲的关键影响参数

基于绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)的全控型混合式高压直流断路器是多端柔性高压直流输电工程的关键设备,其半导体组件内IGBT关断瞬态电压过冲是工程中需重点关注的问题,该文以典型的IGBT全桥拓扑结构的半导体组件为例,研究了半导体组件内部的母排杂散电感对IGBT关断瞬态电压过冲的影响,揭示了母排杂散电感对IGBT关断瞬态电压过冲的影响机理,获得了IGBT关断瞬态电压过冲关于组件内不同母排中杂散电感的灵敏度;在研究高压直流断路器中IGBT关断机理的基础上获得了包括IGBT器件本身的物理特性参数在内的影响关断瞬态电压过冲的关键参数及其影响规律,最后通过试验验证了理论分析的正确性。研究结果表明:组件内电容支路杂散电感对IGBT关断瞬态电压影响最大,其应作为重点优化对象;除杂散电感外,IGBT的栅极氧化层电容、关断过程集射极电压快速上升时对应的拐点电压以及栅极驱动电阻为影响IGBT关断瞬态电压的关键参数,且均与关断瞬态电压呈负相关性。该研究结论可为半导体组件内部杂散电感的控制、栅极驱动电阻的选择以及IGBT器件的选型或定制提供指导。     

并联碳化硅MOSFET短路振荡机理

碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为高性能电力电子技术提供了技术保障,其短路承受能力是进一步提升电力电子变换器可靠性的关键;特别是在大功率场合,经常将SiC MOSFET并联使用,然而影响并联SiC器件短路振荡的关键因素并不十分明确,振荡机理有待进一步研究。此处以并联SiC MOSFET为研究对象,建立在短路工况下的等效数学模型,分析影响并联短路特性的关键因素并进行实验验证,归纳短路振荡机理。理论分析与实验结果表明,当并联SiC MOSFET发生短路故障时,栅极驱动电阻和功率回路杂散电感是导致器件并联系统振荡的主要因素,过小的栅极驱动电阻使得并联系统振荡频率和尖峰增大;过大的功率回路杂散电感导致系统振荡频率降低,而振荡尖峰增大,系统的剧烈振荡不利于SiC MOSFET稳定性提高。     

碳化硅功率器件的串扰问题及抑制方法

为了改善碳化硅功率器件的快速开关瞬态带来的串扰问题，研究碳化硅功率器件的驱动参数对串扰问题的影响，总结抑制串扰的驱动策略，并提出串扰抑制的谐振型驱动方法。首先，明确米勒电容和共源极电感的耦合作用，分析得到半桥结构中碳化硅功率器件的串扰机理；其次，通过LTspice仿真研究碳化硅功率器件驱动器的栅极电阻和栅源电容对串扰的影响；然后，提出抑制串扰的驱动策略和谐振型驱动方法；最后，通过双脉冲测试电路实验观测串扰影响，并对比分析所提方法与有源米勒钳位方法的实验结果。研究结果表明：在开通串扰下，有源米勒钳位方法下的栅源电压负尖峰为-13.2 V,串扰抑制的谐振型驱动方法下的电压负尖峰仅为-7.3 V;在关断串扰下，有源米勒钳位方法下的栅源电压正尖峰为-2.4 V,串扰抑制的谐振型驱动方法下的电压正尖峰仅为-3.81 V。上述结果验证了所提方法的有效性。     

基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计

目前碳化硅(SiC)MOSFET大多沿用Si MOSFET和IGBT的驱动设计方法.然而,由于SiC MOSFET相比Si器件具有更高的开关速度,因而栅极内阻、驱动回路电感和功率回路电感导致的栅源电压干扰情况也值得探索.该文分析栅源电压干扰产生的过程,进而归纳提炼出一种基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动参数标幺化设计方法.从开关结电容的等效电路出发,推导出功率回路和驱动回路的传递函数,基于驱动和功率双回路传递函数,研究揭示栅源电压的干扰动态响应机理.进而,引入标幺化的参数表达形式,以标准量化驱动参数对于栅源电压干扰传导路径的影响,提出基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计原则.最后,搭建双脉冲实验平台,验证该驱动设计原则的合理性.     

SiC MOSFET开关特性及多等级栅电压驱动电路

针对新型宽禁带功率半导体器件碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),为了充分发挥其在高功率密度和高效率应用场合中的高速及低功耗特性,分析了SiC MOSFET的开关特性,提出了一种基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的新型多等级栅电压驱动电路(MGD)。在SiC MOSFET开关不同阶段,通过调整栅极驱动电压以改善其开关特性。与传统驱动电路(CGD)相比,提出的MGD在相同门极驱动电阻与栅源极电容前提下,能有效提高开关速度,降低电压电流尖峰、降低开关损耗。最后通过双脉冲实验,分析了栅极驱动电阻,栅源极电容对开关特性的影响,验证了MGD在改善开关特性方面具有明显的优越性。     

IGBT模块的杂散参数计算与封装设计研究

绝缘栅型双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块由于线路杂散电感的存在使得在开通和关断的瞬态过程中产生过大的电压尖峰,过压会使IGBT芯片的集电极电流增大从而导致结温上升,且其是导致IGBT模块失效的一个重要因素,通过有限元仿真软件Ansoft Q3D Extractor对键合线结构IGBT模块的杂散参数进行计算并对其封装结构进行优化,设计可有效降低IGBT模块杂散参数的平板封装结构,结果显示平板封装IGBT模块的主回路杂散电感为11.365 n H,电阻为0.409 m?,与键合线结构IGBT模块相比,杂散电感降低55.1%,电阻降低13.2%。     

适用于电压尖峰抑制的间接矩阵变换器电路杂散电感建模与优化设计

间接矩阵变换器换流过程及换流回路复杂,换流回路中存在大量杂散电感且不可忽略,在功率器件高频动作时将出现电压尖峰,导致功率器件的失效和损坏。对此,本文深入分析了间接矩阵变换器的换流原理及过程,通过构建换流回路的等效电路模型,采用电磁计算方法,探究影响杂散电感的主要因素及其对器件电压尖峰的影响作用机理,在此基础上,利用ANSYS软件建立间接矩阵变换器3D模型,进行杂散电感参数提取。据此,提出了一种电路优化设计方案,通过优化母排结构、布线方式、布线位置以及线路尺寸抑制换流回路杂散电感。对优化前后的样机进行仿真和实验测试,结果表明,杂散电感仿真值与实验值趋势大致相同,优化前后杂散电感值均有显著下降,最大下降32. 7%。相应地,功率器件关断时电压尖峰得以抑制,最大下降18. 3%,使得各器件均能工作于额定电压内。由此可见,建立的模型准确、可靠;且优化设计方案减小了换流回路的杂散电感,抑制了功率器件的电压尖峰,提高了系统运行的安全性、稳定性。     

T型三电平IGBT驱动的优化设计与测试

针对所研制的T型三电平绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)驱动装置,研究了门极驱动电阻的计算、模块寄生参数的测算及寄生参数对测试结果的影响,进一步研究了双脉冲测试中尖峰电压不对称的原因并提出解决途径。在双脉冲测试平台上,通过测试IGBT模块接线端子间的电压及流过它们的电流在第二个脉冲关断时刻的波形,利用测定的电压峰值和电流变化率,计算出IGBT模块内部寄生的杂散电感大小。结果表明,双脉冲测试中尖峰电压不对称的现象是由IGBT模块内部引线造成的杂散电感严重不对称造成的。此处介绍的测试方法为检测驱动装置、调整驱动参数和优化测试结果提供了良好的依据。     

半桥结构中的SiC MOSFET串扰电压建模研究

SiC MOSFET凭借着低开关损耗、高工作频率与高工作温度点等优点,逐渐在高效率、高功率密度与高温的应用场合取代传统的硅功率器件。然而,在高速开关中带来的栅极串扰现象严重制约SiC器件的开关速度。传统的串扰抑制方法重点关注由栅极–漏极寄生电容引入的干扰电压,往往通过减小驱动回路阻抗的方式来降低串扰电压。该文基于SiC MOSFET器件的开关模态,提出考虑共源电感的分段线性化串扰电压模型。该模型基于器件数据手册及双脉冲实验提取的参数,考虑栅极–漏极电容、共源电感、体二极管反向恢复等非理想因素的影响。对比不同电压点、电流点与电阻值下实验与模型的输出结果。该模型表明,串扰电压是由器件栅极–漏极电容、共源电感与驱动回路阻抗共同作用的结果。单一降低驱动回路阻抗的方式对串扰电压的抑制效果有限。基于提出的模型,该文给出串扰电压抑制的指导方法,可直接用于SiC MOSFET驱动电路的设计。     

带保护功能的功率MOSFET驱动电路

0 引言 通常功率场效管内部(栅-源极间)制作了一个保护用的齐纳二极管,由于该齐纳二极管的存在,也将使MOSFET管的栅极输入电容增大.因此,为了提高其开关速度,必须充分考虑栅极输入电容的影响,保证输入电容在开关过程中能很快充放电,因此,在设计功率MOSFET栅极驱动电路时,还必须使控制回路与功率MOSFET构成的主回路之间完全隔离.