IGBT多模块并联应用特性研究

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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种电压控制型功率器件,具有通态压降低、开关速度高、通流能力强等优点,在轨道交通、可再生能源和工业传动等领域中应用广泛。随着半导体制造工艺的发展,主流商品IGBT模块的功率密度有了显著的提高,通流耐压能力已经达到6500V/1000A,4500V/3000A水平,基本满足一般高压大功率场合应用。在某些大功率或者高功率密度应用中,单管IGBT模块的容量难以满足系统设计需求,针对这些特殊应用,一般采取功率模组并联和器件模块并联两种方式。应用器件模块并联的系统动态响应比应用功率模组并联的更好,且省去了功率模组并联时需采用的多组滤波储能元件。开关器件多模块并联可降低功率回路的设计成本,提升系统的体积功率密度,使功率堆栈单元部件简洁直观,更容易维护。同时,采用IGBT多模块并联提高系统电流容量的方式在大多数情况下具有更优的经济性。在IGBT多模块并联应用的过程中,通过优化功率回路特性和驱动回路结构,结合门极驱动电压幅值或延时的调节,可以有效地抑制器件自身动静态特性、功率回路布局、驱动回路参数以及散热布局和结温变化等因素不一致对于动静态均流特性的影响,充分发挥各并联支路器件的性能,有效缩减系统输出电流的降额率,预防了IGBT模块过早的老化或失效,保障了系统的可靠性和稳定性。本文重点对IGBT多模块并联应用中的功率回路磁耦合特性和门极驱动控制特性进行了研究。论文首先调研分析了IGBT多模块并联应用静态均流和动态均流的影响因素,研究了并联IGBT功率回路磁耦合效应所引起的静态不均流的原理,结合等效电路及电磁场分布,进行了PSpice电气模型构建和仿真计算,比对了不同功率回路结构下并联IGBT模块的静态均流特性。论文对IGBT模块的开通及关断过程中门极电压、集电极电流和集电极电压间的数学关系进行了分析演算,推导出并联IGBT开通、关断过程中影响均流特性关键阶段的幅值时间关联函数,提出了门极异步驱动的控制方法,利用PSpice建立了四模块并联仿真电路对该方法抑制动态电流不均衡的有效性进行了验证,对比了不同参考信号选取原则下该方法对于动态均流特性的改善效果。论文最后构建了多模块IGBT并联均流特性测试实验平台,采用新开发的适用于并联应用的IGBT独立驱动电路,测试了4模块FF450R33TE3型IGBT模块并联开关特性,完成了功率回路磁耦合特性的验证。采用门极异步驱动并联均流控制算法,设定了4模块2MBI200U4H-120型IGBT模块的异步门极驱动控制补偿延时参数,进行了双脉冲测试验证了门极异步驱动控制的有效性。通过分析实验测试数据,证明本文提出的有关改善IGBT并联均流特性的分析方法和控制方式是合理有效的。
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