基于IGBT并聯(lián)技術(shù)的輔助變流模塊設(shè)計(jì)

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 張 丹 牛 勇 陳 宏 陳彥肖

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基于IGBT并聯(lián)技術(shù)的輔助變流模塊設(shè)計(jì)

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 張 丹 牛 勇 陳 宏 陳彥肖

【摘要】受電力電子器件生產(chǎn)制造工藝的限制，為了提高電力電子裝置的功率等級(jí)，一般采用電力電子器件串聯(lián)或是變流單元多重化串并聯(lián)的方法。文章在總結(jié)IGBT并聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)容量為230kVA輔助變流功率模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該模塊設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠、滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】并聯(lián)；IGBT；均流

0　引言

通過(guò)電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)兩種基本方法，均可增大電力電子裝置的功率等級(jí)。采用這兩種方法設(shè)計(jì)的大功變流器，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，加之控制策略與小功率變流器相兼容，功率提升主要靠電力電子器件串并聯(lián)數(shù)目的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此具有成本較低，便于不同功率等級(jí)變流器進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)串聯(lián)IGBT可以提高變流器的電壓等級(jí)，而通過(guò)并聯(lián)IGBT則可以提高變流器的電流等級(jí)，從而提升變流器的功率等級(jí)。考慮到前者功率密度相對(duì)較低，從性價(jià)比出發(fā)，IGBT并聯(lián)技術(shù)是最好的選擇。

本文首先分析了影響并聯(lián)IGBT均流效果的主要因素，并得出在IGBT并聯(lián)時(shí)需要遵循的原則。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)出一個(gè)容量為230kVA的輔助變流功率模塊。

1　影響IGBT并聯(lián)工作的因素

在多個(gè)IGBT并聯(lián)使用時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)電路特性、器件特性和電路布局等的影響，將引起流過(guò)各并聯(lián)IGBT的電流不均衡，器件可能由于過(guò)熱而損壞。

1.1IGBT和反并聯(lián)二極管靜態(tài)參數(shù)的影響

IGBT的飽和壓降Vce(sat)、反并聯(lián)二極管的正向壓降Vf主要影響靜態(tài)均流效果；IGBT的跨導(dǎo)gfs和柵極－發(fā)射級(jí)閾值電壓Vge_th、反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)特性（反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr等）主要影響動(dòng)態(tài)均流效果。

1.2IGBT驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的影響

并聯(lián)IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電壓Vge的大小主要影響并聯(lián)IGBT的靜態(tài)均流，而門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化率、門極驅(qū)動(dòng)電阻Rg、驅(qū)動(dòng)線路的布局和感抗等參數(shù)則對(duì)并聯(lián)IGBT的動(dòng)態(tài)均流有很大的影響

1.3主電路結(jié)構(gòu)的影響

主電路的結(jié)構(gòu)會(huì)造成線路感抗差異，并對(duì)并聯(lián)IGBT的動(dòng)態(tài)均流產(chǎn)生影響，而線路的電阻則影響靜態(tài)均流。

2　輔助變流模塊的主體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，本文設(shè)計(jì)一個(gè)額定容量為230kVA輔助變流功率模塊。該模塊由四象限整流和三相逆變兩部分構(gòu)成。在輔助控制單元ACU的控制下，輔助四象限整流電路的IGBT進(jìn)行開(kāi)關(guān)變化，將輸入的AC401V單相交流電轉(zhuǎn)換為DC750V，再通過(guò)ACU控制三相逆變電路的IGBT開(kāi)關(guān)變化，將DC750V逆變?yōu)槿郃C380V,逆變方式為PWM，其主電路如下圖所示。從電路原理圖1所知，四象限整流電路采用IGBT并聯(lián)技術(shù)，所以本文重點(diǎn)介紹四象限整流電路是如何實(shí)現(xiàn)。

圖1　主電路原理圖

2.1IGBT模塊的選擇

通過(guò)選擇具有正溫度系數(shù)并且最好是同一批次的IGBT單元，可以提高器件參數(shù)的一致性，實(shí)現(xiàn)最好的靜態(tài)均流。

2.2驅(qū)動(dòng)電路

如果每個(gè)IGBT分別由各自的驅(qū)動(dòng)核和驅(qū)動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，不僅略顯復(fù)雜，而且成本高，最重要的是不同驅(qū)動(dòng)器之間的傳播延時(shí)不匹配是影響動(dòng)態(tài)均流的主要因素，也比較難以控制。所以通過(guò)IGBT驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的合理設(shè)計(jì)和共用同一驅(qū)動(dòng)電路，可以提高IGBT開(kāi)關(guān)速度、減小器件參數(shù)分布性的影響，改善動(dòng)態(tài)均流的效果。

因此本文驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)采用西門康SKYPER42R為驅(qū)動(dòng)核，該芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)3個(gè)并聯(lián)的IGBT，門極兩路輸出，可以控制一個(gè)橋臂IGBT的開(kāi)關(guān)。通過(guò)使用該芯片為驅(qū)動(dòng)核，來(lái)設(shè)計(jì)合理的外圍驅(qū)動(dòng)電路，使其驅(qū)動(dòng)四象限整流電路一個(gè)并聯(lián)橋臂。

2.3對(duì)稱布局

并聯(lián)IGBT之間換流回路的雜散電感差異會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)均流產(chǎn)生重大影響，尤其對(duì)大功率模塊而言。并聯(lián)回路中所有的功率回路和驅(qū)動(dòng)回路須保持最小回路漏感及嚴(yán)格的對(duì)稱布局，因此一個(gè)有效辦法是采用疊層母排結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的輔助變流功率模塊，IGBT正負(fù)間電氣連接采用復(fù)合母排，交流輸入采用對(duì)稱銅排相連接，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)連線使用雙絞線，長(zhǎng)度相等。

2.4散熱

并聯(lián)IGBT之間的冷卻差異會(huì)引起工作結(jié)溫不同，進(jìn)而影響IGBT的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，使電流出現(xiàn)不平衡。因此，設(shè)計(jì)使并聯(lián)IGBT模塊安裝在相同的水冷基板上，位置對(duì)稱并且相鄰以降低冷卻的差異，以獲得最佳的熱耦合，達(dá)到優(yōu)的熱平衡狀態(tài)。另外，組裝時(shí)還要求并聯(lián)IGBT模塊涂抹的導(dǎo)熱硅脂盡可能地均壓和一致。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1驅(qū)動(dòng)信號(hào)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路同步性，對(duì)并聯(lián)IGBT模塊進(jìn)行低壓脈沖測(cè)試，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通電壓15V,關(guān)斷電壓-7V,如下圖2低壓脈沖測(cè)試所示。從圖中可知，并聯(lián)IGBT模塊的柵極電壓上升時(shí)間，下降時(shí)間同步，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電路雙路輸出設(shè)計(jì)一致性。

圖2　低壓脈沖測(cè)試

3.2高壓脈沖測(cè)試

在雙脈沖試驗(yàn)臺(tái)上，給V1～V4每個(gè)IGBT的C、E端子之間接入

950Vdc左右，調(diào)整脈沖信號(hào)發(fā)生器兩次脈沖寬度和可變電感負(fù)載使IGBT接通后通過(guò)的電流能夠達(dá)1200A左右，然后給IGBT發(fā)送兩個(gè)不連續(xù)的開(kāi)通脈沖。結(jié)果如圖3和4所示。

圖3　V1和V2并聯(lián)上橋臂脈沖測(cè)試

圖4　V1和V2并聯(lián)下橋臂脈沖測(cè)試

從圖3所知，上橋臂單管電流為520A，負(fù)載電流1090A，經(jīng)計(jì)算另一上管電流為550A,電流的不平衡率為2.8％。從圖4所知，流經(jīng)下橋臂的總電流為1120A，其中一下管電流測(cè)得為520A，經(jīng)計(jì)算另一上管電流為550A,電流的不平衡率為2.8％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路的均流特性良好，驗(yàn)證主電路并聯(lián)設(shè)計(jì)的合理性。

4　結(jié)語(yǔ)

本文在理論研究的基礎(chǔ)上，研制出一個(gè)額定容量為230kVA的輔助變流功率模塊。他將逆變電路和整流電路集為一體，具有功能獨(dú)立、結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)產(chǎn)品已完成樣機(jī)試制，并完成變流器滿載、溫升等全部聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，結(jié)果表明該模塊設(shè)計(jì)合理、滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)、具有高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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