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。     

基于IGBT串联运行的动态均压研究

绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)串联运行易于实现IGBT的扩容,但同时也带来了不均压的问题。设计了以L,R为感性负载的实验电路,采用仿真软件PSpiee仿真分析出IGBT串联运行时动态不均压原因是吸收电路参数不一致、门极驱动信号延时不同、门极驱动电路参数不一致引起的。并提出了IGBT串联运行动态均压措施(选同型号IGBT、吸收电路参数与结构一致、门极驱动信号同步、门极电路参数一致)。     

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。     

IGBT串联均压方法综述

绝缘栅双极性晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)在高电压场合应用时需串联使用满足电压需求。由于器件内部的性能差异和外围电路参数不一致等,引起IGBT模块之间电压不均衡问题,威胁其运行安全。综述了国内外IGBT串联均压方法的发展及其研究现状。根据均压方法机理的不同,将IGBT串联均压方法分为被动均压方法和主动均压方法两种,进一步将主动均压方法归纳为无源控制方法和有源控制方法两类。根据各类方法的基本电路拓扑分析了均压原理,梳理了不同方法在电路拓扑、参数选择和控制策略等方面的优化和最新进展。通过均压效果、附加损耗和可靠性等多方面对不同均压方法进行对比,被动均压方法拓扑简单不需外加控制电路更适合在低频应用场合,在高频应用场合中,准有源栅极控制法以单驱动与无源器件相结合的方式,具有良好的发展前景。最后对IGBT串联均压方法进行了展望。     

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。     

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。     

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。     

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。     

采用FPGA控制的IGBT串联高压调制器的研制

高压调制器在脉冲功率技术中有很重要的作用,而IGBT串联是固态调制器技术发展的趋势。电路分布参数及各单元电路参数的差别制约可靠性,严重时将造成IGBT在开通、关断过程中集射极间的电压超过额定值而遭损坏。为此,在新的RCD动态均压电路的基础上,利用FPGA和VHDL设计了IGBT驱动信号分配电路,实现了串联IGBT各单元精确延时开通与关断控制、逻辑综合保护,并结合驱动电路完成了缺电、过流、过压保护等。工程上结合中国环流二号装置NBI抑制极电源要求,设计了12 kV/20 A的调制器。实验结果表明,该方法是一种有效的主动式动态均压方法,能为更高电压、电流等级的固态调制器设计提供好的参考与工程应用基础。     

基于无源缓冲法和延时控制的IGBT模块串联均压技术

绝缘栅双极型晶体管IGBT综合了GTR和MOSFET的优点,近年来,在电力电子领域得到了广泛的运用。受限于单只器件的耐压水平,在高压大功率领域,IGBT模块直接串联技术是一个简单、经济的使用方案。为了保证IGBT器件的安全使用,如何解决串联均压是关键。文中提出了一种基于无源缓冲电路和栅极延时控制的均压策略,从技术原理上对其进行了详细的阐述,并通过DC15 k V/300 A脉冲实验予以了验证,实验结果显示,该技术能够实现良好的串联均压,抑制IGBT关断电压过冲,具备了一定的工程运用价值。     

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。     

多芯片并联压接式IGBT中温度不均对电流分布的影响

多芯片并联的压接式IGBT器件是柔性直流输电设备中的关键部件,因制造工艺、回路寄生参数和热耦合问题使得器件内部应力分布不均,造成器件不均匀老化,使得内部温度不均程度加剧,进而使得电流分配不均。围绕不同温度差异下导致的电流分布不均问题展开研究。首先,对造成IGBT器件并联不均流的原因以及温度对不均流特性的作用进行分析。然后,利用单芯片压接式IGBT器件并联模拟多芯片器件内部的温度分布不均情况,进行温度分布不均匀程度对电流分配影响的实验。最后,通过实验验证并联器件间温度差异与不均流程度的关系。所提方法为提高器件的运行可靠性和对压接式IGBT失效机理认知奠定基础。     

多芯片并联压接式IGBT中温度不均对电流分布的影响

多芯片并联的压接式IGBT器件是柔性直流输电设备中的关键部件,因制造工艺、回路寄生参数和热耦合问题使得器件内部应力分布不均,造成器件不均匀老化,使得内部温度不均程度加剧,进而使得电流分配不均。围绕不同温度差异下导致的电流分布不均问题展开研究。首先,对造成IGBT器件并联不均流的原因以及温度对不均流特性的作用进行分析。然后,利用单芯片压接式IGBT器件并联模拟多芯片器件内部的温度分布不均情况,进行温度分布不均匀程度对电流分配影响的实验。最后,通过实验验证并联器件间温度差异与不均流程度的关系。所提方法为提高器件的运行可靠性和对压接式IGBT失效机理认知奠定基础。     

高压IGBT串联均压控制电路阈值电压设计方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件具有耐压高、开关速度快、易驱动等优点,在电力电子变换器中应用广泛。然而目前单个IGBT器件的电压等级与容量不能满足大容量变换器的需求。应用高压IGBT串联技术是提升电力电子变换器电压等级与容量的一种有效方法。高压IGBT串联技术的关键问题是保证瞬态过程中的电压均衡。门极均压控制电路可以有效抑制串联IGBT的瞬态电压不均衡。该文介绍了一种门极均压控制电路的工作原理,综合考虑开关瞬态过程中换流回路杂散参数与续流二极管正向恢复特性的影响,提出了该电路的关键参数阈值电压的设计方法,可应用于多电平、多管串联的电力电子变换器系统中,并通过实验对该设计方法的实用性进行了验证。     

固态断路器多IGBT串联混合均压电路设计

固态断路器需多IGBT串联切断短路故障电流,针对多IGBT存在电压分配不均、局部电压过高、损耗大等问题,提出一种混合式均压控制电路拓扑结构。分析固态断路器多IGBT均压影响因素,研究均压拓扑性能。优化缓冲电路结构,改进充放电型缓冲电路,减小损耗;引入双阈值钳位控制电路,改善IGBT过电压;提出被动均压与辅助反馈主动均压结合的混合均压控制策略,加快响应速度,实现均压动态自适应调节。制作样机,进行固态断路器设计拓扑和控制的仿真及实验验证,结果表明：混合式均压控制电路可减小IGBT电路超调量,具备更强的抑制过电压能力,提升响应速度。     

脉冲电场灭菌用固态高压开关的研制

针对脉冲电场灭菌技术对开关性能的特殊要求,提出了利用IGBT串联构成高压、大容量固态开关的技术。设计并实际制造出了可供高压脉冲电场灭菌用额定电压10 k V的固态高压开关。该开关采用8个1 700 V、400 A的IGBT串联,以栅极动态RCD为基本均压方式,以FPGA为主控单元,产生8路相对独立的基准控制脉冲,其脉宽、周期、延时均可调节,且以25 ns为步进调节。通过调节各路驱动信号的相对延时,使各单元分压均匀,消除过压影响,从而在负载端得到较为理想的方波脉冲。采用光纤隔离,使隔离电压不受限制。实验结果表明,该装置性能良好,可以满足脉冲电场灭菌的实际需求。     

IGBT串联均压电路的仿真研究

分析了高电压电路中IGBT串联运行时导致端电压静态和动态不均衡的各种原因.设计了一种有源缓冲均压电路,并通过MATLAB/SIMULINK进行了仿真研究,仿真结果验证了所设计电路的可行性.     

一种新颖的IGBT串联电路

IGBT串联技术是解决诸多高压场合中开关管电压应力不足的有效方法,研究简单、可靠、高效的IGBT串联辅助电路具有重要的理论和工程实用价值.本文提出了一种仅需单路驱动信号且适宜做成集成电路的IGBT串联电路,进行了电路工作原理分析、计算机仿真和硬件实验验证,研究结果表明所提IGBT串联电路具有良好的电气特性.     

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。     

均压驱动耦合型单驱动IGBT串联电路设计

为给介质阻挡放电提供电压、频率、脉宽可调的高压脉冲,文中设计了均压驱动耦合型单驱动IGBT串联电路。该串联电路在每个IGBT两端并联一个动态均压与驱动信号输出耦合电路,在导通关断时,一方面保证IGBT两端电压不超过额定电压,另一方面为下级IGBT提供驱动截止信号。通过仿真研究,验证了电路原理的可行性,探索了元器件的选型规则。通过实验研究,实现了电源电压在0～15 kV可通断、频率在0～1 kHz可调节、脉冲宽度在一定范围内可变化,并成功实现介质阻挡放电。该电路解决了多驱动IGBT串联电路需要隔离高压电源及单驱动IGBT串联电路结构难以扩展,各级IGBT导通关断跟随性差,元器件容易损坏的缺陷。该电路同样适用于MOSFET,具有很好的应用前景。