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.     

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。     

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。     

基于对偶原理的IGBT并联均流缓冲电路研究EI北大核心CSCD

多个绝缘栅双极型晶体管(insulategatebipolar transistor,IGBT)并联是大功率电力电子应用领域提高设备电流等级的一条重要途径,而实现IGBT之间的并联均流则是保证其安全稳定运行的关键。文章在对IGBT串联均压缓冲机理研究的基础上,从在IGBT两端并联电容可降低电压变化率的原理出发,推断出可通过串联电感来抑制IGBT电流的变化,进而应用对偶原理构建出一类基于串联电感的并联均流缓冲电路及其改进型拓扑。结合模态图从理论上分析新型缓冲电路工作原理,发现所提出IGBT并联均流缓冲电路具备结构简单、易于实现的优点,还兼具静态和动态均流效果。仿真和实验表明所提出方法可以有效抑制过电流,降低电流不均衡度。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于IGBT串联阀组的UPQC换流器带载实验方法

采用绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)串联阀组可使得统一电能质量控制器(unified power quality conditioner,UPQC)换流器结构紧凑,控制简单。其中串联IGBT的动态均压及换流器的带载实验方法是关键技术。采用有源电压箝位方法实现串联IGBT的动态均压,并采用以UPQC一侧换流器为电源、另一侧换流器为负载的方法,实现UPQC换流器的带载实验,验证基于IGBT串联阀组的换流器的有效性。     

封装寄生参数对并联IGBT芯片瞬态电流分布的影响规律

大功率IGBT器件通过并联多个IGBT芯片来获得大电流等级,并联芯片动静态电流分布的一致性对于提高器件电流等级以及可靠性至关重要。首先介绍了大功率IGBT模块内部布局不一致导致的封装寄生参数差异性。其次,结合IGBT等效电路模型及其开关特性,分析了寄生参数差异性对于并联IGBT芯片瞬态电流分布特性的影响规律。最后,建立了并联IGBT芯片的等效电路模型,并应用Synopsys Saber软件建立了仿真电路,从封装寄生电感参数差异性、封装寄生电阻参数差异性,分析了参数差异对并联芯片的瞬态电流分布特性的影响。     

Generalized solid-state marx modulator topology

A generalized circuit topology for bipolar or unipolar high voltage repetitive pulse power applications is proposed. This circuit merges the negative and positive solid state Marx modulator concepts, which take advantage of the intensive use of semiconductor devices to increase the performance of the original dissipative Marx modulators. The flexibility of the proposed modular circuit enables the operation with negative and/or positive pulses, selectable duty cycles, frequencies and relaxation times between the positive and negative pulse. Additionally, the switching topology enables the discharge of the parasitic capacitances after each pulse, allowing the use of capacitive loads, and the clamping of inductive loads, recovering the reset energy back to the main capacitors. Analysis of efficiency and power loss will be addressed, as well as experimental details for different conditions based on laboratory prototype, with 1200 volt Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT), diodes, and 4.5 μF capacitors.     

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%。     

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     

锂离子电池动力电源模块的功率母线控制开关

采用两个IGBT模块作为主功率开关,实现了锂离子蓄电池电源模块与母线之间功率传输的双向可控。分析了锂离子蓄电池动力电源系统功率电路的主要特征,给出了功率母线控制开关的基本结构。分析了主功率开关器件的并联分流特征,给出了确保主功率器件并联均流的基本方法。对主功率电路的主要寄生参数进行分析,给出了寄生参数的吸收方法。实验结果表明,该功率母线控制开关可在20μs内实现开关过程,在吸收电路的配合下无明显的开关瞬态。该开关无机械触点、体积小、动作快,适用于锂离子蓄电池动力电源模块。     

牵引变流器中6 500 V场终止IGBT的物理场仿真研究

绝缘栅双极性晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)凭借其优异的载流和抗压能力,在牵引变流器中得到了广泛的应用。通过仿真研究了解其动态特性,对于保障其自身和系统的运行稳定性和可靠性具有重要意义。针对牵引变流器用大功率IGBT封装模块,在分析IGBT工作原理和特性的基础上,充分考虑其静态特性、动态特性以及封装寄生参数影响,结合寄生参数提取矩量法和IGBT动态模型等效电路分析法,建立了精确的IGBT封装电路模型,并通过仿真测试分析对模型进行了验证。此外,以牵引变流器中的整流器电路为例,依据IGBT封装精确电路,构建了更为详细的整流器精确电路模型。仿真结果表明,精确电路模型比理想电路仿真输出能够更加准确地突出系统的高频信息,这对于针对含有大功率IGBT器件系统开展损耗计算、电磁兼容性分析以及风险评估等极具参考价值。     

一种复合终端逆阻IGBT数值仿真分析

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)本身不具有反向阻断能力,因此在电路中通常与二极管组合使用。为降低使用成本,减小寄生电感,续流二极管与IGBT通过工艺集成在同一芯片上,由此提出了具有反向阻断能力的逆阻型IGBT。针对常规逆阻IGBT终端面积大的问题,提出了一种改进型复合终端结构,采用双掺杂场限环,在P型场限环旁边引入N型轻掺杂区。改进结构减小了耗尽区横向扩展速率,增强器件可靠性,节省终端面积占用并提高了终端效率。