基于串联IGBT关断延时的门极补偿均压策略

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的串联在高电压开关快速切换过程中有着重要的应用。IGBT串联的核心问题是器件的均压。研究表明IGBT关断时间不一致是造成串联器件电压不均衡的主要原因。此处基于控制驱动电路板,提取IGBT关断不一致的延迟时间,给予门极信号控制电平对时间延迟进行补偿,改善均压效果,且根据延迟时间控制门极信号,使串联IGBT关断过程达到均压的效果。此处详细阐述了补偿过程,通过实验验证该方法的实际均压效果。     

串联IGBT的一种复合均压方法

针对IGBT串联应用时的集射极电压均衡问题,提出并研究了一种门极平衡核与无源RCD缓冲电路相结合的复合均压方案。分析了门极平衡核的均压原理,借助门极驱动等效电路模型,导出了门极平衡核的参数设计方法。在IGBT门极与发射极之间引入瞬态电压抑制器,有效减缓了平衡核变压器的漏感与IGBT输入电容引发的门极信号振荡幅度,同时有效保护了IGBT门极过电压。建立了复合均压方案的仿真与实验系统,实验结果表明,复合均压方案对由于IGBT特性参数差异和门极驱动信号不同步而引起的IGBT集射极电压不均问题具有显著的平衡效果。     

基于门极阻容补偿网络的IGBT串联均压方法

针对IGBT串联应用中关断过程均压问题,对IGBT的关断过程进行了详细分析,总结出影响IGBT关断过程的核心等效电路和计算公式。在此基础上提出一种基于门极补偿阻容网络的IGBT串联均压方法,推导出增加门极阻容补偿网络后串联IGBT动态电压不均衡度和关断时间影响的计算公式,并提出门极阻容网络参数的选取原则。建立基于Lumped Charge方法的IGBT半物理数值模型,对IGBT门极阻容补偿网络进行仿真验证。给出了实际测试工况下的补偿网络参数,建立IGBT串联均压实验系统,进行多种电压、电流工况下的实验验证。仿真和实验表明:该方法可以有效控制串联IGBT的延迟时间和动态电压上升速率的差异,在母线电压为2 000V和关断峰值电流为1 500A时,采用该控制方法可将串联IGBT的动态尖峰电压不均衡度由14.4%降至6.3%。     

18kV/125A碳化硅IGBT器件研制及串联应用关键技术研究EI北大核心CSCD

高压碳化硅(silicon carbide,SiC)器件因具有耐高压、耐高温、低损耗等优异特性,已成为支撑未来新型电力系统建设的新型电力电子器件。文中基于自主研制的18kV/12.5A高压SiC绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)芯片,提出18kV SiC IGBT单芯片子模组及10芯片并联封装设计方案,研制18kV/125A SiC IGBT器件,功率等级达到国际最高水平。搭建高压碳化硅功率器件绝缘、静态特性和动态特性测试平台,测试单芯片子模组及10芯片并联器件的绝缘及动态特性,18kV/125A SiC IGBT器件具备18kV静态耐压且可以在13kV直流母线电压条件下关断130A电流,验证了所研制器件的高压绝缘及高压开关能力。此外,采用18kV/125A SiC IGBT器件串联搭建24kV换流阀半桥功率模块,提出器件串联均压方法,完成半桥功率模块的1min静态耐压试验和开关试验验证,结果表明,所研制的18kV/125A SiC IGBT器件运行良好,满足串联应用要求,同时,所提的均压方案可以保证半桥功率模块静态电压不均衡和动态电压不均衡程度分别低于0.4%和15%。该研究可以为基于SiC IGBT器件在柔性直流输电工程中的应用奠定基础。     

一种适用于固态直流断路器的IGBT串联均压电路

机械–固态半导体混合式以及纯固态式直流断路器的发明和使用为大规模高压直流输电系统的发展提供了新的契机。在纯固态直流断路器中,通常将大功率绝缘栅双极晶体管(insulate gate bipolar transistor,IGBT)串联起来以承受断路器关断过程中的过电压。但是,由于大功率的IGBT价格昂贵且对瞬态过电压十分敏感,所以串联IGBT关断过程中的均压问题需要得到充分的考虑。为了解决固态直流断路器中串联IGBT间的不均压问题,首先对引起不均压的因素进行了深入的研究。另外,为了使串联IGBT之间的关断过电压的不一致性降到最小,提出一种门极均压控制电路和相应的控制方法。实验结果表明,通过使用提出的均压控制电路和相应的控制方法,串联IGBT关断过电压的不均衡得到了有效抑制。因此,系统的可靠性得到了有效的提升。     

压接式IGBT模块的开关特性测试与分析

随着柔性直流输电技术朝着更高电压等级、更大系统容量方向的发展,作为其中关键设备的换流阀和混合式直流断路器对大容量IGBT器件的封装特性和电气性能提出了更高要求。与焊接式IGBT相比,压接式IGBT具有功率等级更高、开关速度更快、易于串联等优点,成为柔性直流输电的优选器件。为系统掌握压接式IGBT模块的应用特性,设计了基于双脉冲测试原理的压接式IGBT模块开关特性的测试平台。基于测试结果,分析了不同压接力、负载参数和结温条件对压接式IGBT模块开关特性的影响规律;并从器件封装特性和半导体物理层面、初步探讨了压接式IGBT模块开关特性的变化机理,为其在大功率电力变换领域的推广和应用提供参考。     

除了并联阻容缓冲电路网络，更为有效的方法是控制IGBT的驱动信号—致

作为变频器主电路的核心,功率开关器件的选择尤为重要。由于IGBT具有输入阻抗高、工作速度快、通态压降低、载流能力强及易于驱动等优点,因而得到了广泛的应用,是种比较理想的全控型器件。但是,目前单只IGBT器件的电压等级和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用技术发展的需求。因此,要想实现IGBT的高压应用,研究IGBT串联应用技术具有十分重要的意义。     

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。     

基于多级钳位与门信号调节相结合的IGBT串联均压电路研究

串联绝缘栅双极型晶体管(insulate gate bipolar transistor,IGBT)关断期间的电压均衡是保证其安全稳定工作的关键。该文在多级钳位均压方式的基础上,提出一种同时作用于负载侧与门极侧的IGBT串联均压电路,该均压电路通过对先关断的IGBT电压上升斜率的抑制来实现保护与均压的功能。同时,利用静态均压电路与状态反馈电路相结合的方式,依据关断瞬态各IGBT承压实时调整驱动信号发出时刻,从控制级削弱不均压因素的影响。该文在给出均压电路拓扑的同时,分析其工作原理及设计方法,实验结果证明,依据该方法设计的均压电路能在不影响关断速度的前提下有效提高串联IGBT间电压的一致性。     

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。     

基于AVC的IGBT直接串联技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在高压大功率场合的应用要求促进了IGBT的串联应用研究,而有源电压控制(AVC)技术能实现IGBT串联应用时的同步工作及电压均衡,已被证明是一种的控制IGBT开关性能的方案。基于此,从AVC的基本原理出发,提出了不同的参考电平及设计要求,设计了基于AVC的门极驱动及保护单元(GDU)板及实验电路。通过6个IGBT串联的10 kV/300 A的脉冲实验,验证了AVC的电压均衡效果。     

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。     

一种IGBT串联功率模块的设计

均压控制技术是IGBT串联应用的关键。提出将IGBT的均压过程分为开通动态过程、关断动态过程、拖尾电流阶段和稳态过程均压4个阶段。动态过程采用了门极补偿电容网络;针对拖尾电流衰减时间常数不一致的特点,给出了RC均压回路中吸收电容的计算公式;稳态阶段采用了并联均压电阻。在此基础上设计了一种IGBT串联功率模块,进行了高压大电流下2个IGBT串联的均压试验。试验结果表明:当串联母线总电压为2 k V(单个IGBT最大峰值电压1.85 k V)、回路电流为2 k A时,所设计的IGBT串联功率模块能够实现开通关断周期的全过程均压,动态和稳态的电压不均衡度均小于5%。     

串联电容器动态电压均衡技术研究

介绍一种基于DC-DC变换器的新型串联电容器组电压均衡电路。该电压均衡电路从超级电容器组汲取能量,并且将这部分能量传递至电压最低的超级电容器单元,最终实现所有超级电容器组单元的电压均衡。与现有的电压均衡策略相比,提出的电压均衡电路能够实现超级电容器组单元的自动均压,不需要庞大的电压检测电路和复杂的控制电路,而且功率变换器实现了零电压零电流开关,可实现高效率和小体积。还给出新型电压均衡电路的参数设计方法,分析其工作特性。实验结果证明了该均衡电路的优良的动态和稳态均压性能。     

X线管驱动用高频串联谐振形直流高压发生装置及其性能评价

提出了一种串联谐振零电流软开关高频逆变器,逆变 器中含有无损缓冲辅助电感和二极管一电容梯形多倍压电 路,该逆变器能有效作为高压DCX射线电源发生器.该 直流高压发生器运用IGBT功率模块和脉冲频率调制技术, 在谐振电流断续和连续过渡模式下均能实现零电流换流的 软开关功能.由高频变压器结合多倍压回路所构成的谐振 功率变换器,应用新颖的选择变化双模态PFM控制方式 来提高其输出电压的瞬态响应,而且通过两个无损缓冲辅 助电感,在大范围给定的负载参数下能完全获得稳定的零 电流软开关换流,仿真和实验结果证明了这种应用有选择 变化的双模态PFM控制方式的简单、低成本的高压X射 线DC-DC功率变换器的有效性,详细说明了该功率变换 器输出管电压具有偏低的上升时间和无超调瞬态响应特性.     

大功率沟槽栅场终止IGBT器件物理模型参数提取的新方法（英文）

针对沟槽栅场终止技术IGBT器件,提出一种新颖的模型参数提取方法,给出详细的处理流程,并在考虑模型参数偏差的情况下分析IGBT器件串联中的电压不均衡问题。首先,采用功率器件曲线测试仪测试了器件的极间电容,从而拟合出IGBT芯片的有源区面积。通过功率半导体器件参数手册,结合相关半导体理论,反向计算获得其主要模型参数。通过搭建双脉冲测试平台,拟合开关过程测试曲线获得IGBT器件和时间相关的模型参数。在不同的试验条件下,测试、仿真结果的比较验证提取的模型参数,从而证实建议的参数提取方法。利用提取的模型参数,在考虑器件及驱动参数偏差的情况下分析柔性高压直流输电工程中的IGBT串联电压不均衡问题。     

改进型准有源栅极控制电路研究与设计

高压大功率变换器中如何降低半导体开关器件的电压应力是关键技术问题,而开关器件直接串联是重要的解决方案之一。在开关器件直接串联的高压电路中,开关器件的动、静态均压特性是关键指标。准有源栅极控制QAGC（quasi-active gate control）电路是具有代表性的串联均压拓扑,其特点是通过一个外部驱动源实现串联器件的动态、静态电压应力均衡,与此同时,可用于多个开关器件直接串联控制。研究表明,当QAGC驱动串联器件多于2个时,均压网络为上层器件提供的驱动电荷不足,降低串联器件的均压效果,严重时可能导致上层器件无法开通。针对这一问题研究了一种改进型QAGC电路,该电路将QAGC与一个辅助直流源相结合,辅助直流源在上层器件开通时刻提供额外驱动电荷,可保证器件的动、静态均压特性。分析了改进型QAGC的工作原理及设计方法,采用LTspice进行仿真并搭建实验平台进行验证,仿真和实验结果验证了电路拓扑的正确性。     

FPGA-DSP实现混合级联多电平变换器的高性能PWM控制

针对传统电力电子拓扑结构中开关器件耐压值不够高,与电力系统中高压范围不能直接匹配的问题,研究了基于FPGA-DSP的改进型混合级联多电平变换器的高性能控制系统。该改进型的级联多电平拓扑是将具有相同母线电压的一个二极管钳位拓扑与若干个H桥级联,输出波形由级联模块的输出电压叠加而成。并针对该拓扑提出了其混合调制的调制策略,使较高开关频率的开关器件与高耐压值的器件协同工作在一起,充分发挥开关器件各自的特性。由于多电平变换器开关管数量众多,专用DSP芯片已经不能完全满足设计要求,为此专门设计了基于FPGA-DSP的通用控制系统,用以实现多电平电路的专用PWM控制电路的功能,该控制系统稳定可靠,易于扩展。仿真与实验结果充分证明了该设计方案的可行性和有效性。     

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。     

一种有源驱动补偿的IGBT串联技术研究

应用于高压环境的电气系统需要能充当断路器的高速开关,以便于在故障发生时于尽可能短的时间内切除主电源。针对这种需求,串联IGBT是一个理想的选择;而串联IGBT的均压问题需要深入研究。介绍了一种有源门极驱动触发时间补偿法以实现各IGBT的均压,并在1 500 V/10 A的电路环境下进行了3个IGBT模块的串联实验。实验结果表明该方法能有效地改善串联IGBT的均压效果。