大功率IGBT功率模块并联特性研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ayong790401
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绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)结合了MOSFET与GTR的长处,形成了自身开关速度快、驱动功率小以及通流能力强的优良特性。在电气节能、新能源发电、电力牵引、智能电网以及军工装备等领域都得到了极为广泛的应用。然而,单个器件的功率处理能力还不能满足日益增长的大容量电力电子装置对电能处理能力的需求以及特定封装的功率模块不存在,所以,在提高单个器件功率处理能力的基础上,以并联为重要内容的器件组合技术,在很长时间内都是很重要的发展方向,并且从可靠性、可用性以及应用需求的角度,器件组合技术应该是今后大容量电力电子技术和应用的重要技术方向。同时,IGBT模块的并联应用在增大变流器输出电流的同时,还可以增加装置的功率密度、均衡并联模块间的温度分布、优化变流器的内部布局,提高装置的性价比。然而,由于半导体器件自身参数的离散性、驱动与主功率回路的不合理设计、温度不一致等不利因素的存在。并联的IGBT模块间的电流往往会不均衡分配,这就使得变流器的输出电流必须要降额使用。降额系数通常不能被准确定量,而是根据设计和使用的最差工况作出的假设,这种假定明显不符合产品真实的运行情况。通常,为了保证产品长期工作的可靠性,工程师一般会较高的估计IGBT的降额系数,这种行为导致的直接影响就是增加了产品的设计成本和客户的使用成本。同时,电流的失配会使单个模块过载,不仅增大了器件损坏的可能性,还降低了整个系统的可靠性。因此,分析研究静动态不均流的原因,然后寻求电流均衡分配的方法,并分析并联应用时的电热特性就显得十分必要。本文首先分析了IGBT的结构组成及特性原理。其次,针对静动态不均流的原因,从静态不均流和动态不均流两个方面进行了详尽的理论分析及仿真与实验验证。然后,针对静动态不均流的原因,在阐述已有的降额法、串加阻抗法的基础上,提出了采用耦合电感均流和主动门极控制的方法,并进行了理论推导与实验验证,表明了所提方法的可用性。最后,在ANSYS Icepak软件中构建了IGBT模块的三维有限元电热仿真模型,在分析单模块电热特性的基础上,构建了并联IGBT模块的电热仿真模型,从仿真结果出发分析了并联应用的相关特点,为工程应用中提高模块与系统的可靠性提供了可行的参考。
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