基于半桥模块的母排设计与并联IGBT均流分析

针对大容量储能变频器的并联绝缘栅双极型晶体管(IGBT)均流问题,首先建立半桥模块功率回路杂散参数与不均流度的数学模型,分析功率回路杂散参数对并联IGBT均流的影响.然后提出一种基于半桥模块的母排设计方案,借助Maxwell,PSIM仿真工具提取母排杂散参数并迭代优化.最终搭建基于半桥模块的4并联IGBT双脉冲试验台.试验结果表明,并联IGBT功率回路杂散电感、杂散电阻偏差值与不均流度正相关,通过对母排多次迭代优化设计,最终降低了并联IGBT动态和静态不均流度,验证了功率回路数学模型的正确性.     

层叠母排并联支路杂散电感建模及测量方法

建立精确母排的杂散电感模型是准确分析绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性的关键问题之一。大功率IGBT模块通常存在2~3个功率端子,端子之间的均流特性与母排所在支路的杂散电感相关。以一台三相两电平车载逆变器叠层母排作为研究对象,建立了母排并联支路的局部自感和互感模型,并对模型进行简化。借助Q3D仿真工具,对母排并联支路局部杂散电感进行提取,验证了模型简化方法的准确性。同时提出一种高精度的母排局部杂散电感测量方法,验证了杂散电感仿真结果的正确性。     

计及杂散电感的多芯片IGBT模块损耗计算

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块封装杂散参数影响内部多芯片并联电流和损耗分布的问题,提出计及杂散电感影响的IGBT模块内部开关损耗计算方法。首先,基于功率模块内部封装结构建立了计及封装杂散电感影响的IGBT等效电路模型,理论推导和分析封装杂散电感对IGBT动态特性的影响。其次,基于开通折线模型中并联芯片间电流变化率与损耗分布对应关系,理论推导了杂散电感分布参数与各支路开通损耗所占比例之间的函数关系,提出计及杂散电感影响的IGBT模块内部开关损耗计算方法。最后,仿真并实验验证了开通过程中IGBT模块内部电流分布规律,测得在不同负载条件下IGBT模块下桥臂各支路损耗并与理论计算结果进行了比较,验证了所提损耗计算方法的有效性。结果表明,IGBT模块下桥臂各并联芯片开通过程中存在明显不均流现象,导致损耗分布存在差异。     

功率回路杂散电感对IGBT并联均流的影响

母排设计时,为了减小绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的关断瞬态电压尖峰,通常会将功率回路杂散电感设计的尽可能小,但回路杂散电感的大小也会对IGBT的并联动态均流产生影响。针对此问题,首先建立了功率回路杂散电感影响不均流度的数学模型,找到不均流的影响因素;然后,以IGBT物理模型结合Simulink仿真平台分析了回路杂散电感对并联均流的影响趋势;最终,通过双脉冲测试进行了验证,结果表明在该测试平台中,回路杂散电感减小2倍,最大会增加约10%的不均流度。     

一种IGBT并联模块用交流母排的设计方法

将多个IGBT模块并联以提升电流容量的设计方案广泛应用于电力电子设备中,为了保证设备长期安全运行,IGBT并联模块的均流问题是一个设计难点。从电路模型的角度分析了IGBT模块并联支路上交、直流母排杂散电感对均流性能的影响,提出了一种在直流母排结构不对称前提下,通过调整交流母排结构改善均流效果的设计方法。以车用电机控制器W相用IGBT并联模块为研究对象,设计了并联模块的交流母排结构,实验结果验证了该设计方法的有效性。     

压接型IGBT器件内部杂散电感差异对瞬态电流分布影响规律研究

压接型IGBT器件内部多颗芯片的并联连接是提高其电流等级的重要手段。然而,IGBT芯片之间的瞬态电流不均衡是限制其电流提升的主要原因之一。研究压接型IGBT器件内部的瞬态电流分布规律对于规模化IGBT并联封装设计具有重要意义。该文首先通过有限元软件提取了压接型IGBT器件内部的栅极、集电极和发射极的杂散电感,得到三个杂散电感随IGBT芯片不同位置的变化规律;其次对三个杂散电感差异下的电流分布进行了理论分析,发现电流分布主要受到功率回路和驱动回路的公共支路上杂散电感的影响;同时分别对开通和关断过程中IGBT芯片内部的载流子变化过程进行分析,发现发射极杂散电感差异主要影响开通过程的电流不均衡;然后针对三个杂散电感差异分别进行电路仿真,得到杂散电感差异对电流分布的影响规律,仿真结果验证了理论分析的有效性;最后建立了两芯片的并联均流双脉冲实验平台,平台能够调节两支路之间的杂散电感差异,实验结果进一步验证了该文理论分析的有效性。     

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%。     

基于IGBT开关过程的变流器杂散电感分析方法

在IGBT关断的瞬态过程中,变流器杂散电感会使IGBT的集、射极之间产生较高的电压尖峰,从而造成较大的电磁干扰,甚至导致IGBT损坏。若能测量变流器杂散电感,则可在一定程度上预估该电压尖峰,并设计适当的缓冲电路。本文分析了IGBT开通和关断瞬态过程中各阶段的电压和电流,提出了一种优化的基于IGBT开关过程的大功率变流器杂散参数分析方法。通过双脉冲测试方法对西门康功率器件SKM400GAL176D的开关过程进行测试,获取其开通和关断瞬态过程曲线,利用前述方法计算出母排杂散电感。将计算结果与仿真软件提取结果、E4980A阻抗分析仪测试结果进行对比,验证了该方法的准确性与实用性。     

基于有限元仿真的柔直子模块母排优化设计

随着柔性直流输电技术的不断发展,柔直换流阀的设计也趋向于更加精细化。柔直换流阀子模块内部母排连接着核心器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)与直流电容,其作为主要换流回路,杂散电感是影响IGBT可靠工作的关键因素。此处以优化母排杂散电感为目标,通过对激励源频率和母排结构尺寸灵敏度进行分析,实现母排的优化设计。     

IGBT模块并联时动态电流均衡控制策略研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在现代电力电子产业中得到了极为广泛的应用。为了增大装置的输出电流、提高功率密度并提升性价比,IGBT模块经常被并联使用。在并联过程中,温度不均衡、器件老化等复杂的运行工况,会导致并联模块间出现不均流,为了实现模块间的静动态均流,IGBT模块常常被降额使用,而降额不仅浪费了器件的容量,也导致了器件个数的增加、装置体积的增大和成本的增加。分析了动态不均流形成的因素,提出了一种新的门极信号延迟控制方法,该方法利用模块自身存在的杂散电感提取动态电流不均衡的程度。实验验证了所提方法的正确性与工程可用性。     

基于全碳化硅功率组件的变流器母排杂散电感解析计算方法

碳化硅(SiC)器件的高开关速度使得其对杂散参数更为敏感,容易激发高频振荡和超调.因此需要对功率回路杂散电感进行准确计算,其中以母排电感最为关键.该文首先对现有母排电感计算方法分析比较,并提出一种考虑趋肤效应影响的母排电感计算方法;在此基础上,结合有限元仿真定量分析空间几何参数、器件布局和母排开孔等因素对母排电感的影响,并通过最小二乘逼近得到多异结构母排电感解析计算公式.最后,使用该方法计算1200V/423A SiC MOSFET测试平台的母排电感,并分别与Ansys Q3D仿真提取结果和实验测试结果对比,结果表明,该方法计算大功率变流器叠层母排杂散电感具有较高的实用性和准确性,可为SiC MOSFET的应用研究和叠层母排的布局设计提供有益支撑.     

直流断路器半导体组件内母排电感对并联IGBT关断特性的影响及其结构优化

大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)混合式高压直流断路器是适应多端柔性直流输电工程发展的关键装备,优化断路器半导体组件内IGBT故障大电流的关断特性进而确保器件安全可靠运行是断路器工程的重要部分。文章围绕组件内杂散电感对IGBT关断瞬态电压峰值、关断损耗和并联IGBT间关断动态均压、均流特性的影响,对组件的母排结构进行了优化设计。通过实验和仿真对比研究可得:采用将2组缓冲RCD分散、对称布置于并联IGBT两侧的方式设计的母排结构可更大程度优化并联IGBT的关断瞬态特性,但采用将单组缓冲RCD布置于并联IGBT中间的方式可在满足器件安全可靠运行条件的同时提高经济性,更适合工程应用。该研究结论可为基于并联IGBT的直流断路器组件中母排结构设计及优化提供技术指导。     

大容量电力电子装置中母排杂散电感提取方法的优化研究

在大容量电力电子装置中,母排的杂散电感在开关器件换流过程中会引入非理想的电压尖峰,并使得系统的电磁干扰进一步恶化。为分析与优化系统性能,需要对母排的杂散电感进行准确提取。相比于传统微分法,应用积分法提取母排杂散电感具有抗噪声能力强、计算结果对波形形状不敏感等优点,然而在简单的积分运算中积分时限的选取对计算结果有较大的影响。提出一种优化的积分形式的母排杂散电感的提取方法,在传统积分法的基础上考虑杂散电阻和测量偏置两个影响因素,提高了计算的准确度。最后,基于1 200V/3 600A的IGBT双脉冲测试平台,对母排进行有限元仿真,通过仿真结果与几种不同方法计算得到的结果进行对比,验证了所提方法的有效性与准确性。     

基于杂散电感的IGBT开关特性优化方法研究

针对大功率变流器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关特性中由杂散电感引起的关断电压尖峰问题,首先利用Simplorer软件对应用中的IGBT模块进行建模,搭建单桥臂仿真电路,通过对比在不同杂散电感下IGBT开通关断瞬时的电压与电流波形,对这一问题进行分析与研究,然后提出一种直流侧与电容组两端布局的优化方法,降低了线路杂散电感的总量,使IGBT关断特性中的电压尖峰得到了有效抑制,同时缩短了IGBT的开关时间。最后通过一套功率为1.3 MVA的三相两电平逆变器进行实验,实验与仿真结果的对比证明了该优化方法的有效性。     

车用IGBT模块及其驱动电路双脉冲实验

通过双脉冲实验对车用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块及其驱动电路进行实验研究,实验中主要观察了IGBT模块在开通和关断过程中的关键特性,包括开关损耗、有源箝位功能、续流二极管的安全性及母排杂散电感等。同时结合实验曲线对IGBT。的开关过程进行了详细介绍。     

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。     

电路拓扑对并联大功率IGBT模块影响的研究

为了增大单变流器的输出电流和功率密度,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块往往被并联使用。实际使用过程中电路拓扑结构的不对称对并联模块的均流特性有非常大的影响。研究了电路拓扑结构对并联模块动静态特性的影响,通过不同结构布局的对比,分析了其对并联IGBT功率模块动静态特性的影响。最后提出了在并联IGBT模块的输出端采用耦合电感来实现动静态均流的方法,与采用单独电感相比,实验验证了此方法对并联IGBT功率模块的动静态均流具有明显的优越性。     

大容量变流器中IGBT关断过电压抑制技术研究

随着抽蓄机组向着更大系统容量方向的发展,需要大容量的变流器与之配套,大容量变流器对高压、大容量绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的封装特性和电气性能也提出了更高要求,压接式IGBT具有高功率等级、易于功率阀组的搭建等优点,在大容量变流器中得到了成熟应用。受功率阀组主回路中杂散电感及IGBT反并联二极管浪涌电压的影响,IGBT在关断过程中会产生电压过冲,针对应用于300 MW级变速抽蓄机组的大容量变流器,通过双脉冲和仿真估算变流器功率阀组主回路中的杂散电感,提出了一种综合抑制IGBT关断过电压的方法,并在实际系统上验证了该方法的可行性。     

压接式IGBT模块的动态特性测试平台设计及杂散参数提取

压接式IGBT模块具有散热性能好、杂散电感小、短路失效直通等特点,在柔性直流输电等大容量电力电子变换系统中具有极为重要的应用潜能。然而,目前学术界和工业界尚未很好地理解压接式IGBT模块的动态开关特性,严重制约了其推广应用。从压接式IGBT的封装结构和电气特性出发,基于双脉冲测试原理,设计并搭建压接式IGBT模块的动态开关特性测试平台。采用Ansoft Q3D软件对测试平台的杂散参数进行仿真,分析杂散参数的分布特征、影响与提取方法,并通过实验进行验证,揭示叠层母排技术与吸收电容对器件关断电压尖峰的抑制作用,低寄生电感总和验证了平台设计方案的合理性。     

低感设计对变流器电容纹波电流影响分析与优化

在大功率变流器产品的设计应用过程中,因母排杂散电感的不匹配导致变流器模块支撑电容纹波电流有效值偏大,电容长期工作在超额状态以致损坏。针对上述问题,根据变流器模块不同母排结构建立相对应的数学模型,分析了支撑电容电流偏大的根本原因。通过试验的方法测量提取不同母排结构的杂散电感以指导后续母排的设计。根据理论分析提出了通过优化母排设计、改善控制算法来减小母线支撑电容纹波电流。最后,基于某一变流器平台,通过测量不同试验条件下电容电流纹波,对比分析试验数据以验证所提改进措施的有效性。