大功率IGBT模块并联动态均流研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）的并联组合作为电感储能型脉冲功率系统中的主断路开关,就会在关断大电流时出现各并联模块的动态不均流现象。工程应用中,各IGBT模块门极驱动信号的不同步是导致该不均流的主要原因。文章分别就栅极电阻补偿法和脉冲变压器法对驱动信号的同步性补偿作用进行了理论研究和两个IGBT模块并联均流的实验验证,结果表明两种方法均可以达到很好的动态均流效果。然后在对比分析两种方法的基础上提出了利用脉冲变压器级联可以实现多个IGBT模块并联驱动信号的补偿,通过计算机辅助设计软件PSPICE仿真验证了该方法在三个IGBT模块并联使用时的有效性。     

大功率IGBT串联电压失衡机理及均压方法

由于IGBT串联器件参数差异、栅极信号延时以及分布电感不一致等,导致IGBT串联器件在开关过程中存在电压分配不均的现象。IGBT电压分配不均匀会导致个别器件因电压过高而被击穿,进而导致整个串联系统故障。主要从集一栅极电容Ccg不同、栅极电阻Rg不同和驱动电路信号延时这三个方面研究了IGBT串联电压不均的机理,通过仿真对比了RCD缓冲电路、栅极驱动端均压电路和有源钳位均压电路的串联均压效果,为研究IGBT串联电压不均的方法提供了理论基础。     

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。     

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。     

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。     

并联IGBT模块静动态均流方法研究

IGBT模块在电力电子技术中得到了越来越广泛的应用,在大功率应用中为了扩大电流容量,会将开关器件并联使用。IGBT模块并联使用时的主要问题是静态不均流和动态不均流,基于IGBT模块的输出特性曲线,建立了并联IGBT模块的静态模型,分析了影响静态不均流的主要因素,通过调整栅压法及外加阻抗法改善了静态不均流;基于IGBT模块的分布参数模型,建立了并联IGBT模块的动态模型,分析了影响动态不均流的主要因素,通过栅极电阻补偿法改善了动态不均流,并提出了一种基于模块参数的主动门极控制均流方法。文中两只IGBT模块(1 200 V/300 A)并联的实验研究证明了模型的正确性和静动态均流方法的有效性。     

IGBT动态串并联驱动信号补偿的研究

为解决多个IGBT的串并联问题以实现单管IGBT在高电压、大电流场合的应用,在研究了各种IGBT串并联的直接主动控制和间接被动控制方法后分析了IGBT串并联发生动态不均压均流的原因,明确了驱动信号的同时工作是可靠地实现控制方法的关键。结合工程实际的应用,采用一个高频脉冲变压器KCB-02A1来补偿IG-BT门极驱动信号,由电路基本理论推导出该脉冲变压器的参数选取原则;然后运用计算机辅助设计软件PSPICE仿真验证了该方法在IGBT串联动态均压中的有效性;最后通过搭建实验电路验证了该方法能实现并联动态均流的驱动信号补偿,从而能整体实现IGBT串并联的动态实用性,给工程实用中的IGBT动态串并联运行提供了一种可行的方法。     

一种改进控制电路在IGBT串联中的应用

绝缘栅双极型晶体管IGBTs(insolated gate bipolar transistor)串联应用实现的关键在于动态均压。首先,从理论上分析了传统IGBT控制电路中寄生电容存在的主要原因,以及其对IGBT串联均压产生的影响;然后,提出了一种改进型控制电路,与传统的控制电路相比,改进型控制电路从主电路获取控制信号驱动IGBT所需功率,无需外接直流电源和电源隔离,减少了寄生电容的引入,能在一定程度改善IGBT的串联均压;最后,通过仿真和实验验证了该电路的有效性。在工程应用上具有一定的参考价值。     

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)。     

采用电压箝位控制实现串联IGBT的动态均压

IGBT串联应用时面临的最大难题是动态均压。本文研究了电压箝位控制方法,它将IGBT的集?射电压变化快速反馈至门极,改变门极驱动电压的大小,从而将集?射电压实时箝位于控制阈值之内,实现串联IGBT的动态均压。本文通过2个和8个IGBT串联的实验,验证了该方法的有效性。     

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。     

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。     

A Low‐Loss Medium‐Voltage Inverter Applying Series Connected General Purpose 1.2 kV Insulated Gate Bipolar Transistors with Accurate Voltage Balancing Techniques

This paper presents a medium‐voltage inverter applying series connected general‐purpose 1.2 kV insulated gate bipolar transistors (IGBTs) as a switching device to achieve low switching losses compared to inverters applying high‐voltage IGBTs with over 3 kV rating. Gate signal synchronization, which is essential to keep the balance of collector‐emitter voltages across the IGBTs, is achieved by magnetically coupling all gate lines using a simple two‐windings transformer. In order to obtain better voltage balancing, influence of stray capacitance distribution associated with an insulating substrate in a two‐in‐one IGBT module on the voltage sharing is investigated, and an optimized layout of heat sinks for the IGBT modules is proposed. To validate some performances concerning the device losses and the voltage sharing, a 170 kVA inverter based on three 1.2 kV IGBTs connected in series is built and evaluated. The experimental results are shown. Copyright © 2007 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

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%。     

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。     

一种新电路在IGBT串联技术中的应用

动态均压是IGBT串联技术的关键.在分析和研究国内外多种1GBT串联均压电路和均压方法的基础上,采用一种结构简单、控制容易的辅助均压电路对IGBT进行均压,并对其工作机珲进行了说明.通过软件Pspice进行仿真,从理论上论证在IGBT串联中辅助均压的可行性.最后,通过试验验证该电路在IGBT串联电路均压的有效性.仿真和实验表明,该电路能够有效地使串入电路中的IGBT实现均压,给工程应用提供了一种IGBT串联的均压方法.     

大功率IGBT串联电压不平衡机制研究

随着电力电子技术及其应用的快速发展,高压大功率换流器的应用越来越多。大功率绝缘栅双极晶体管（insulationgatebipolartransistor,IGBT1串联是实现高压大功率自换相换流器的一个重要基础。大功率串联IGBT运行中,最难解决的是串联IGBT之间的电压不平衡问题。为推进高压大功率换流器的研究,对大功率串联IGBT中器件间的电压不平衡机制进行了系统的研究。根据IGBT阀在串联运行时的主要静态、动态过程,结合IGBT自身的特性,得出了影响产生串联IGBT电压不平衡的各个因素,并对各个元件间的电压不平衡度进行分析,为进行串联IGBT电压平衡化的控制打下基础。     

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。