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。     

1 700 V IGBT模块直接串联驱动设计

绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)在高压大功率场合的应用越来越广泛,但是高压IGBT的器件价格昂贵,低压IGBT由于耐压的限制,在高压大功率电能变换场合还不能满足需求。直接串联使用是一种较好的解决方案。结合IGBT的直接串联驱动需求,从安全隔离、可靠门级钳位、有源电压控制和过流保护等方面进行研究,设计出相应的门极驱动保护单元(gate drive and protection unit,GDU)并将其运用在3 kV/200 A三相逆变系统,结果验证了驱动的可靠性。     

高压IGBT驱动技术解决方案--北京落木源电子技术有限公司

随着功率半导体技术的发展,IGBT的耐压等级已经从1200V、1700V发展到了3300V、4500V乃至6500V,在高电压应用的设备中,比如高压变频器、高压无功补偿、轨道交通等,以往实现高耐压的方法是多个1700V的IG8T串联,     

IGBT串联阀吸收电路的研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT综合了GTR和MOSFET的优点,近年来得到了广泛的应用,但是受限于耐压等级,单个IGBT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。在串联使用中为了抑制器件关断过程中产生浪涌过冲,仍然需要吸收电路进行保护。通过对比分析详细阐述了RCD吸收电路在IGBT串联中的使用优势,并给出了参数选取的原则,同时分析了RCD吸收电路对器件动、静态电压均压的影响,并通过实验予以了验证。     

高压大功率开关磁阻电机功率变换器设计

为减少大功率电机工作时的线路损耗,减小导线线径,中高压供电系统被广泛使用,开发中高压开关磁阻电机调速系统非常迫切,因此设计了交流输入1140V、三相12/8极、额定功率280kW开关磁阻电机的功率变换器。12只耐压为2000V的整流二极管构成了整流电路,25只4700μF/450V大容量滤波电容先并联再串联构成滤波电路,和滤波电容并联的均压电阻可确保5组串联电容上的电压均衡。开关磁阻电机功率电路采用不对称半桥电路,主开关器件选用3300V高压IGBT模块,驱动采用Concept公司生产的高压IGBT驱动模块2SD315AI-33。通过设置不同的栅极开通电阻RGon和栅极关断电阻RGoff,可分别控制开通损耗和关断损耗,以及di/dt、du/dt;通过监测集电极电压实现IGBT的短路保护;最后,给出了空载情况时两种不同导通角下的实测绕组电流波形。自系统投入运行两年多来,性能稳定可靠,没有出过大的故障。     

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。     

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。     

基于PVI的IGBT串联驱动及均压措施研究

提出了一种高压IGBT串联用隔离驱动及其均压方法.简要介绍了光压隔离器(Photo Voltaic Insulator,简称PVI)的工作原理及参数,给出了采用PVI的串联IGBT隔离驱动电路及工作原理,详细阐述了采用PMOSFET的高压IGBT串联均压方法.最后,给出了上述PVI隔离驱动电路和PMOSFET均压方法在以双IGBT串联为调整管的高压恒流源中的均压效果,经实际测试其均压误差小于2%.     

北京落木源精耕高压IGBT驱动技术

随着功率半导体技术的发展,IGBT的耐压等级已经从1200V、1700V发展到了3300V、4500V乃至6500V。目前,高压IGBT制造技术在国际上已比较成熟,但高端技术仍由国外垄断,产品性价比不高,国内应用尚处起步阶段。     

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。     

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。     

Rated overload Characteristics of IGBTs for low-voltage and high-voltage devices

By a vertical shrink of the nonpunchthrough insulated gate bipolar transistor (NPT IGBT) to a structure with a thin n-base and a low-doped field stop layer a new IGBT can be realized with drastically reduced overall losses. In particular, the combination of the field stop concept with the trench transistor cell results in an almost ideal carrier concentration for a device with minimum on-state voltage and lowest switching losses. This concept has been developed for IGBTs and diodes from 600 V up to 6.5 kV. While the tradeoff behavior (on-state voltage V/sub CEsat/ or V/sub F/ to tail charge) and the overall ruggedness (short circuit, positive temperature coefficient in V/sub CEsat/, temperature independence in tail charge, etc.) is independent of voltage and current ratings the switching characteristics of the lower voltage parts (blocking voltage V/sub Br/<2 kV) is different in handling to the high-voltage transistors (V/sub Br/>2kV). With the HE-EMCON diode and the new field stop NPT IGBT up to 1700 V there is almost no limitation in the switching behavior, however, there are some considerations-a certain value in the external gate resistor has to be taken. High-voltage parts usually have lower current density compared to low-voltage transistors so that the "dynamic" electrical field strength is more critical in high-voltage diodes and IGBTs.     

利用电容放电现场测量变流器IGBT模块损耗

为克服传统方法存在误差较大或工程实施困难的不足,提出一种变流器IGBT模块损耗现场测量的新方法。该方法利用直流电容放电过程现场对变流器IGBT功率模块的损耗特性进行测试,以验证变流器性能或诊断功率模块早期故障;通过适当控制变流器内各个IGBT导通与关断,构成直流电容Buck放电电路实施损耗测试。采用英飞凌1200 V/50 A功率模块FF50R12RT4搭建的380 V/10 k W变频器进行了实验研究,实验结果验证了该方法的可行性与有效性。现场测试方法充分利用变流器停机间隙和电容储能对负载电感放电进行测试,无需额外增加硬件,具有经济、方便、安全等优点。     

基于IGBT串联技术的10kV固态直流断路器研制

直流断路器作为未来基于电压源换流器的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统组网的关键设备,可以在出现短路故障时快速切断故障电流并使故障部分退出运行,避免停运整个直流系统。提出了一种适用于柔性直流输电系统的固态直流断路器技术方案,建立了IGBT串联的固态直流断路器仿真模型,研究了IGBT栅极电阻、拖尾电流和门极电荷等差异对IGBT串联均压特性的影响。仿真结果表明,静态和动态均压电路可有效改善IGBT间的均压效果。最后搭建了10个IGBT串联的直流断路器样机及实验回路,并完成了直流母线电压10 kV、峰值电流5.1 k A的关断实验,验证了基于IGBT串联技术固态直流断路器方案的可行性。     

基于IGBT串联技术的高压优性能开关

IGBT串联组合应用可以迅速满足硬开关应用场合中的电压等级要求,一个简易可靠的辅助电路可以有效解决串联IGBT正常运行中的电压不均衡问题。应用OrCAD／PSpice仿真软件,对比分析了单管CM600HA-24H（600A／1200V）和两个CM600HA-12H（600A／600V）的串联组合的开关表现。仿真结果表明,和单管IGBT相比较,IGBT串联组合在能量损耗、集电极过电压以及开关频率等方面有着明显的优势,从理论上证明了IGBT串联组合可以有着更好的开关表现,对实践有一定的指导意义。     

Hybrid multilevel power conversion system: a competitive solutionfor high-power applications

Trends in power semiconductor technology indicate a tradeoff in the selection of power devices in terms of switching frequency and voltage-sustaining capability. New power converter topologies permit modular realization of multilevel inverters using a hybrid approach involving integrated gate commutated thyristors (IGCTs) and insulated gate bipolar transistors (IGBTs) operating in synergism. This paper investigates a hybrid multilevel power conversion system typically suitable for high-performance high-power applications. This system, designed for a 4.16 kV⩾100 hp load is comprised of a hybrid seven-level inverter, a diode bridge rectifier, and an IGBT rectifier per phase. The IGBT rectifier is used on the utility side as a real power flow regulator to the low-voltage converter and as a harmonic compensator for the high-voltage converter. The hybrid seven-level inverter on the load side consists of a high-voltage slow-switching IGCT inverter and a low-voltage fast-switching IGBT inverter. By employing different devices under different operating conditions, it is shown that one can optimize the power conversion capability of the entire system. A detailed analysis of a novel hybrid modulation technique for the inverter, which incorporates stepped synthesis in conjunction with variable pulsewidth of the consecutive steps is included. In addition, performance of a multilevel current-regulated delta modulator as applied to the single-phase full-bridge IGBT rectifier is discussed. Detailed computer simulations accompanied with experimental verification are presented in the paper     

Series connection of IGBT's with active voltage balancing

This paper describes an active gate drive circuit for series-connected insulated gate bipolar transistors (IGBTs) with voltage balancing in high-voltage applications. The gate drive circuit not only amplifies the gate signal, but also actively limits the overvoltage during switching transients, while minimizing the switching transients and losses. In order to achieve the control objective, an analog closed-loop control scheme is adopted. The closed-loop control injects current to an IGBT gate as required to limit the IGBT collector-emitter voltage to a predefined level. The performance of the gate drive circuit is examined experimentally by the series connection of three IGBTs with conventional snubber circuits. The experimental results show the voltage balancing by an active control with wide variations in loads and imbalance conditions     

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%。     

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。