基于IGBT并聯技術的輔助變流模塊設計

中車永濟電機有限公司 張 丹 牛 勇 陳 宏 陳彥肖

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基于IGBT并聯技術的輔助變流模塊設計

中車永濟電機有限公司 張 丹 牛 勇 陳 宏 陳彥肖

【摘要】受電力電子器件生產制造工藝的限制，為了提高電力電子裝置的功率等級，一般采用電力電子器件串聯或是變流單元多重化串并聯的方法。文章在總結IGBT并聯技術的基礎上，設計了一個容量為230kVA輔助變流功率模塊。實驗結果證明，該模塊設計合理、運行可靠、滿足各項設計指標。

【關鍵詞】并聯；IGBT；均流

0　引言

通過電力電子器件串聯或并聯兩種基本方法，均可增大電力電子裝置的功率等級。采用這兩種方法設計的大功變流器，結構相對簡單，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數目的增加來實現，因此具有成本較低，便于不同功率等級變流器進行模塊化設計和生產等優點。

通過串聯IGBT可以提高變流器的電壓等級，而通過并聯IGBT則可以提高變流器的電流等級，從而提升變流器的功率等級。考慮到前者功率密度相對較低，從性價比出發，IGBT并聯技術是最好的選擇。

本文首先分析了影響并聯IGBT均流效果的主要因素，并得出在IGBT并聯時需要遵循的原則。在此基礎上，設計研發出一個容量為230kVA的輔助變流功率模塊。

1　影響IGBT并聯工作的因素

在多個IGBT并聯使用時，由于驅動電路特性、器件特性和電路布局等的影響，將引起流過各并聯IGBT的電流不均衡，器件可能由于過熱而損壞。

1.1IGBT和反并聯二極管靜態參數的影響

IGBT的飽和壓降Vce(sat)、反并聯二極管的正向壓降Vf主要影響靜態均流效果；IGBT的跨導gfs和柵極－發射級閾值電壓Vge_th、反并聯二極管的反向恢復特性（反向恢復時間trr和反向恢復電荷Qrr等）主要影響動態均流效果。

1.2IGBT驅動電路參數的影響

并聯IGBT的門極驅動電壓Vge的大小主要影響并聯IGBT的靜態均流，而門極驅動信號的變化率、門極驅動電阻Rg、驅動線路的布局和感抗等參數則對并聯IGBT的動態均流有很大的影響

1.3主電路結構的影響

主電路的結構會造成線路感抗差異，并對并聯IGBT的動態均流產生影響，而線路的電阻則影響靜態均流。

2　輔助變流模塊的主體設計

根據上述設計原則，本文設計一個額定容量為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進行開關變化，將輸入的AC401V單相交流電轉換為DC750V，再通過ACU控制三相逆變電路的IGBT開關變化，將DC750V逆變為三相AC380V,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并聯技術，所以本文重點介紹四象限整流電路是如何實現。

圖1　主電路原理圖

2.1IGBT模塊的選擇

通過選擇具有正溫度系數并且最好是同一批次的IGBT單元，可以提高器件參數的一致性，實現最好的靜態均流。

2.2驅動電路

如果每個IGBT分別由各自的驅動核和驅動回路實現并聯驅動，不僅略顯復雜，而且成本高，最重要的是不同驅動器之間的傳播延時不匹配是影響動態均流的主要因素，也比較難以控制。所以通過IGBT驅動電路參數的合理設計和共用同一驅動電路，可以提高IGBT開關速度、減小器件參數分布性的影響，改善動態均流的效果。

因此本文驅動板設計采用西門康SKYPER42R為驅動核，該芯片可以同時驅動3個并聯的IGBT，門極兩路輸出，可以控制一個橋臂IGBT的開關。通過使用該芯片為驅動核，來設計合理的外圍驅動電路，使其驅動四象限整流電路一個并聯橋臂。

2.3對稱布局

并聯IGBT之間換流回路的雜散電感差異會對動態均流產生重大影響，尤其對大功率模塊而言。并聯回路中所有的功率回路和驅動回路須保持最小回路漏感及嚴格的對稱布局，因此一個有效辦法是采用疊層母排結構。本文設計的輔助變流功率模塊，IGBT正負間電氣連接采用復合母排，交流輸入采用對稱銅排相連接，IGBT柵極驅動連線使用雙絞線，長度相等。

2.4散熱

并聯IGBT之間的冷卻差異會引起工作結溫不同，進而影響IGBT的動態和靜態特性，使電流出現不平衡。因此，設計使并聯IGBT模塊安裝在相同的水冷基板上，位置對稱并且相鄰以降低冷卻的差異，以獲得最佳的熱耦合，達到優的熱平衡狀態。另外，組裝時還要求并聯IGBT模塊涂抹的導熱硅脂盡可能地均壓和一致。

3　試驗驗證

3.1驅動信號驗證

為了驗證驅動電路同步性，對并聯IGBT模塊進行低壓脈沖測試，驅動導通電壓15V,關斷電壓-7V,如下圖2低壓脈沖測試所示。從圖中可知，并聯IGBT模塊的柵極電壓上升時間，下降時間同步，驗證了驅動電路雙路輸出設計一致性。

圖2　低壓脈沖測試

3.2高壓脈沖測試

在雙脈沖試驗臺上，給V1～V4每個IGBT的C、E端子之間接入

950Vdc左右，調整脈沖信號發生器兩次脈沖寬度和可變電感負載使IGBT接通后通過的電流能夠達1200A左右，然后給IGBT發送兩個不連續的開通脈沖。結果如圖3和4所示。

圖3　V1和V2并聯上橋臂脈沖測試

圖4　V1和V2并聯下橋臂脈沖測試

從圖3所知，上橋臂單管電流為520A，負載電流1090A，經計算另一上管電流為550A,電流的不平衡率為2.8％。從圖4所知，流經下橋臂的總電流為1120A，其中一下管電流測得為520A，經計算另一上管電流為550A,電流的不平衡率為2.8％。實驗結果表明，電路的均流特性良好，驗證主電路并聯設計的合理性。

4　結語

本文在理論研究的基礎上，研制出一個額定容量為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，具有功能獨立、結構緊湊、性價比高等優點。整個產品已完成樣機試制，并完成變流器滿載、溫升等全部聯調試驗，結果表明該模塊設計合理、滿足各項設計指標、具有高的應用和推廣價值。

參考文獻

[1]趙正元,謝吉華.IGBT并聯特性的研究與仿真[J].電氣應用,2008.

[2]孫強,王雪茹,曹躍龍.大功率IGBT模塊并聯使用中靜態均流特性研究[J].電工技術,2004.