母排互感对IGBT模块并联动态均流的影响

为了改善绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块并联中的不均流现象,以IGBT模块并联的典型叠层母排结构为研究对象,基于Ansoft Q3D和Simplorer软件,探究了IGBT模块开关瞬间叠层母排的等效电路,提出了一种新颖的叠层母排端子互感对IGBT模块动态均流的影响理论,并在实验中得到了良好的验证。     

层叠母排并联支路杂散电感建模及测量方法

建立精确母排的杂散电感模型是准确分析绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性的关键问题之一。大功率IGBT模块通常存在2~3个功率端子,端子之间的均流特性与母排所在支路的杂散电感相关。以一台三相两电平车载逆变器叠层母排作为研究对象,建立了母排并联支路的局部自感和互感模型,并对模型进行简化。借助Q3D仿真工具,对母排并联支路局部杂散电感进行提取,验证了模型简化方法的准确性。同时提出一种高精度的母排局部杂散电感测量方法,验证了杂散电感仿真结果的正确性。     

基于有限元仿真的柔直子模块母排优化设计

随着柔性直流输电技术的不断发展,柔直换流阀的设计也趋向于更加精细化。柔直换流阀子模块内部母排连接着核心器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)与直流电容,其作为主要换流回路,杂散电感是影响IGBT可靠工作的关键因素。此处以优化母排杂散电感为目标,通过对激励源频率和母排结构尺寸灵敏度进行分析,实现母排的优化设计。     

外部汇流母排对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流特性的影响

压接型IGBT器件内部芯片之间的动态均流特性直接影响着IGBT器件的坚固性与可靠性。考虑到并联均流实验的困难,现有的压接型IGBT芯片级并联均流研究通常都是通过提取器件内部封装结构的寄生参数,并结合IGBT芯片的等效电路模型,在电路仿真环境中开展的,不考虑器件外部电磁条件对器件内部电流分布的影响。然而,该文通过9枚压接型IGBT芯片的并联均流实验发现,各个通流支路之间存在显著的动态电流不均衡,而且电流的分布特性不仅与内部并联芯片的相对位置有关,还与连接器件的外部汇流母排存在明显的关联。为了揭示器件内部电流分布特性与外部汇流母排之间的耦合关系,该文对被测器件与外部汇流母排进行三维有限元建模,从频域和时域2个方面,计算IGBT器件内部的电磁场分布特性。频域计算表明,由于外部汇流母排与内部并联芯片存在磁场耦合(即电感耦合),当频率超过一定数值后,外部汇流母排会对各个通流支路的电流产生显著影响。时域计算进一步再现了并联均流实验中外部汇流母排对各个通流支路上动态电流分布的影响规律。结果表明,在压接型IGBT器件的设计和应用中,不仅需要关注器件内部芯片间的相对位置对动态均流特性的影响,同时也要关注外部汇流母排引入的电磁不对称性。最后提出一种对称化的母排设计方案,并通过三维有限元计算,证实对称化母排设计可明显改善器件内部的动态均流特性。     

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。     

基于半桥模块的母排设计与并联IGBT均流分析

针对大容量储能变频器的并联绝缘栅双极型晶体管(IGBT)均流问题,首先建立半桥模块功率回路杂散参数与不均流度的数学模型,分析功率回路杂散参数对并联IGBT均流的影响.然后提出一种基于半桥模块的母排设计方案,借助Maxwell,PSIM仿真工具提取母排杂散参数并迭代优化.最终搭建基于半桥模块的4并联IGBT双脉冲试验台.试验结果表明,并联IGBT功率回路杂散电感、杂散电阻偏差值与不均流度正相关,通过对母排多次迭代优化设计,最终降低了并联IGBT动态和静态不均流度,验证了功率回路数学模型的正确性.     

IGBT直接并联技术在大功率变流器中的应用

此处分析了一种应用于轨道交通大功率变流器的IGBT直接并联技术,分析其均流效果,对两种IGBT对称布置与4种集成交流输出铜排的低感母排进行设计分析,并通过杂散电感仿真对低感母排性能进行分析,最后通过双脉冲试验和变流器功率考核试验验证了IGBT并联的均流效果。结果表明,IGBT直接并联技术在大功率变流器应用中具有良好的均流效果和低的电压尖峰,有助于提高变流器的可靠性。     

并网变流器功率单元设计与直流载流需求研究

功率单元是变流器中的核心部件,随着变流器容量增大,功率单元需要模块化设计。本文结合业内产品总结了目前主流的模块化技术路线,比较了半桥功率单元和全桥功率单元的优缺点,并分析了功率单元设计中的关键技术。指出了模块直流母排电流非连续、不规则的特点,鉴于该电流对母排设计具有重要参考意义而目前相关研究文献匮乏的现状,本文开展理论推导,给出了直流母排载流需求的计算方法,并进行了仿真和实验验证。     

电路拓扑对并联大功率IGBT模块影响的研究

为了增大单变流器的输出电流和功率密度,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块往往被并联使用。实际使用过程中电路拓扑结构的不对称对并联模块的均流特性有非常大的影响。研究了电路拓扑结构对并联模块动静态特性的影响,通过不同结构布局的对比,分析了其对并联IGBT功率模块动静态特性的影响。最后提出了在并联IGBT模块的输出端采用耦合电感来实现动静态均流的方法,与采用单独电感相比,实验验证了此方法对并联IGBT功率模块的动静态均流具有明显的优越性。     

母排杂散电感对IGBT模块功率端子不均流影响

IHM-B封装绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块有3组功率端子,其内部可等效为3组IGBT并联。母排杂散电感的分布对流进该模块功率端子电流的不均流程度有很大影响。以一种半桥式结构的母排作为研究对象,建立影响IHM-B封装的IGBT模块功率端子间不均流程度杂散电感的等效数学模型。通过Q3D有限元仿真软件提取出该母排的自感与互感。搭建双脉冲测试电路,分别提取出在开通瞬态某一时刻流进该IGBT模块3组端子的电流变化率的实验数据,进而分析母排杂散电感对IGBT模块功率端子不均流的影响。实验分析结果证明,通过改变母排结构以减小等效杂散电感的差异,能很好地消除功率端子不均流现象。     

并联谐振感应加热电源扩容设计与应用*

为提高大功率并联谐振型感应加热电源的稳定性和功率密度,在电源设计中采用了IGBT和逆变桥双重并联的扩容方法,其中双重并联设计的重点是IGBT和逆变桥的均流.在基于IGBT并联模块驱动脉冲一致的情况下,分别建立了IGBT和逆变桥并联电路等效模型,分析了电路杂散参数对均流的影响.利用Simulink仿真验证了杂散参数对IGBT和逆变桥均流的影响.在电源样机中通过对并联IGBT模块驱动脉冲的一致性设计和合理的结构设计,取得了较好的均流效果.     

MMC子模块母排的电动力计算与试验研究

当子模块内部发生直通短路故障时,母排上将流过短路电流,从而在母排上产生极大的电动力,可能造成母排永久失效。在此以半桥子模块(HBSM)为例,首先,详细分析了母排在3种直通短路故障下的电流通路。其次,建立了子模块母排的有限元仿真模型,求解了各部分母排在故障工况下的电磁分布与电动力水平。最后,为了验证母排在故障下的耐受能力,设计了相应的试验电路,以最恶劣工况为例,试验结果表明,所设计的子模块母排结构安全可靠。     

基于分立器件并联型碳化硅逆变器的叠层母排设计研究

在分立器件并联型碳化硅逆变器中,主功率回路叠层母排的设计需满足低寄生电感、外电路对称及器件均温的目标。然而,现有叠层母排的结构方案大多针对的是功率模块,对于分立器件并联型叠层母排缺乏系统性的设计方法。首先以两管并联为例,展示分立器件并联型叠层母排的三维结构特征。接着提出一种分立器件并联型叠层母排寄生电感建模以及解耦计算方法,为评估并联支路寄生电感大小和对称性提供依据。最终基于Ansys Q3D的参数化仿真分析,对不同器件布局以及关键物理尺寸进行寻优,总结出分立器件并联型叠层母排的设计原则。基于上述方法,设计出一种六管并联型叠层母排结构,通过仿真和实验验证了该结构满足低感,外电路对称以及器件均温的设计目标。     

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。     

励磁系统整流装置均流不佳问题解决方法

分析了励磁系统整流装置均流不佳的各种原因,包括交流阻抗、元件通态特性、母排连接方式等,提出了相应的解决方法,即更换可控硅排列次序、主回路母排重新设计、安装均流磁环与数字智能均流,在实际应用中效果较好     

低感设计对变流器电容纹波电流影响分析与优化

在大功率变流器产品的设计应用过程中,因母排杂散电感的不匹配导致变流器模块支撑电容纹波电流有效值偏大,电容长期工作在超额状态以致损坏。针对上述问题,根据变流器模块不同母排结构建立相对应的数学模型,分析了支撑电容电流偏大的根本原因。通过试验的方法测量提取不同母排结构的杂散电感以指导后续母排的设计。根据理论分析提出了通过优化母排设计、改善控制算法来减小母线支撑电容纹波电流。最后,基于某一变流器平台,通过测量不同试验条件下电容电流纹波,对比分析试验数据以验证所提改进措施的有效性。     

三相三电平逆变装置全系统电路仿真模型研究

针对大容量三相三电平逆变器原理性仿真中一般没有考虑复合母排的分布式结构、逆变器交流输出铜排及电力电缆的传输线参数、负载感应电机的高频电路参数等,从而不能准确反应吸收电容、功率开关管、滤波器等器部件安装位置对全系统性能的影响,不能有效指导相关器部件设计的问题,结合仿真和实验提出一种三相三电平逆变器建模方法。通过建立电容母排、传输母排和IGBT母排的多端口电路模型,考虑逆变器柜内输出铜排与交流输出电力电缆传输线参数,提出一种三相感应电机的高频电路模型及其参数测量方法,在此基础上对三相三电平逆变器进行了全系统仿真建模和试验验证。利用三相三电平逆变器全系统仿真模型及建模方法,可指导复合母排、吸收电容、交流输出滤波器、熔断器等器部件的工程设计。     

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。     

功率回路杂散电感对IGBT并联均流的影响

母排设计时,为了减小绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的关断瞬态电压尖峰,通常会将功率回路杂散电感设计的尽可能小,但回路杂散电感的大小也会对IGBT的并联动态均流产生影响。针对此问题,首先建立了功率回路杂散电感影响不均流度的数学模型,找到不均流的影响因素;然后,以IGBT物理模型结合Simulink仿真平台分析了回路杂散电感对并联均流的影响趋势;最终,通过双脉冲测试进行了验证,结果表明在该测试平台中,回路杂散电感减小2倍,最大会增加约10%的不均流度。     

电极结构与空间布置对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流的影响(二)：实验研究

开展电极结构与空间布置对压接型IGBT器件内部多芯片并联均流影响的实验研究。首先,比较多种IGBT/FRD芯片级并联均流实验电路,进而搭建压接型IGBT/FRD芯片级动态均流特性实验平台,对16枚FRD芯片开展动态均流测试。实验结果证实器件内存在复杂的动态不均流现象,进一步表明:发射极电极圆周化布置时,在对称的外部电磁条件下可以明显优化器件内部的并联均流特性,但当器件连接外部不对称汇流母排后,该设计方案收效甚微,甚至有加剧不均流的风险;发射极电极刻槽方案,对于对称或不对称的外部电磁条件都能对器件内部的动态均流特性加以改善。