大功率IGBT直接并聯(lián)應(yīng)用技術(shù)研究

吳疆

摘要：介紹大功率IGBT的集中常見的并聯(lián)方式以及各個并聯(lián)方式的主要技術(shù)要領(lǐng)，通過對并聯(lián)技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，IGBT并聯(lián)技術(shù)有著可靠性高、均流效果好等幾方面的優(yōu)點(diǎn)，因此，IGBT直接并聯(lián)應(yīng)用技術(shù)在市場上的應(yīng)用也將越來越廣泛。這其中對于IGBT技術(shù)的研究主要包括對理論進(jìn)行分析、實(shí)際應(yīng)用和運(yùn)行考核等幾個方面。

關(guān)鍵詞：IGBT;并聯(lián)方式;脈沖整流器

一、變流器中常用的幾種并聯(lián)方式

1.1功率模塊級并聯(lián)

所謂的模塊級并聯(lián)指的就是相同功率間的模塊進(jìn)行并聯(lián)并且應(yīng)用。模塊級并聯(lián)既有顯著的優(yōu)點(diǎn)，也有顯著的缺點(diǎn)，模塊級并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)就是它的變流器系統(tǒng)具有良好的魯棒性，它更多的應(yīng)用于一些高要求的特殊場合，如果在工作中某個模塊出現(xiàn)問題，它可以保證在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下時切除出現(xiàn)問題的模塊。除此之外，它可以選配不同功率等級的產(chǎn)品，因此，它能更親近于客戶并且有較短的開發(fā)時間。從另一方面來講，并聯(lián)器需要有外置的均流電抗器，因?yàn)槠浔旧淼木餍圆缓茫疫@種方式的保護(hù)同步性較差。IGBT器件、復(fù)合母排以及散熱器等許多部件都是由功率模塊集成的。

1.2驅(qū)動級并聯(lián)

驅(qū)動級并聯(lián)是指每一個IGBT器件都擁有屬于它自己的驅(qū)動器，而這些驅(qū)動器還是同步運(yùn)行的，這主要是通過脈沖分配電路實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動級并聯(lián)的缺點(diǎn)就是造價高，因?yàn)槊總€器件都有一個驅(qū)動器，而且在出現(xiàn)故障時不能同步的進(jìn)行保護(hù)。相比于模塊級并聯(lián)，驅(qū)動級并聯(lián)在工作時各個電路互不影響，因此，有較好的均流效果。

1.3器件級并聯(lián)

所謂器件級并聯(lián)指的就是多個器件由一個驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，這種并聯(lián)方式普遍應(yīng)用于小功率IGBT器件中，因?yàn)楹茈y做到大功率IGBT的并聯(lián)。器件級并聯(lián)的方式在節(jié)約成本的同時提高了質(zhì)量，因?yàn)槠骷壷苯硬⒙?lián)可以使得驅(qū)動信號和故障保護(hù)一致。但是器件級并聯(lián)的缺點(diǎn)也很明顯，因?yàn)槠骷町惖榷喾矫嬉蛩囟紝@個技術(shù)的效果有影響，所以技術(shù)難度相當(dāng)高。本文主要針對大功率IGBT器件級并聯(lián)技術(shù)展開討論和研究。

二、大功率IGBT并聯(lián)應(yīng)用的要素

2.1 IGBT直接并聯(lián)應(yīng)用的器件選型

在選用并聯(lián)器件時，盡量選用同一批次生產(chǎn)的、型號相同的器件，因?yàn)槠骷牡刃щ娮钑餍Чa(chǎn)生很大的影響，此外，為了得到更好的均流效果對器件的電壓一致性的要求也較高。在選用并聯(lián)器件時還要考慮到溫度對電流的影響，盡量選用正溫度特性的器件。

2.2 IGBT直接并聯(lián)驅(qū)動器的設(shè)計

在并聯(lián)應(yīng)用中對于保護(hù)和驅(qū)動信號的同步性要求較高，IGBT直接并聯(lián)的工作方式對于滿足同步性的需求具有很大的優(yōu)勢。但是也有很多弊端，例如，由于電壓差異對均流效果的影響變得越來越大。因此，為了減小弊端，獨(dú)立驅(qū)動電阻更廣泛的應(yīng)用于驅(qū)動器。

共射環(huán)流問題是直接并聯(lián)方式普遍存在的問題。因此為了限制震蕩，一般會對驅(qū)動器的驅(qū)動電阻進(jìn)行限制，這樣做還可以使驅(qū)動電阻上產(chǎn)生的電壓對門極電壓起到一個調(diào)節(jié)的作用。現(xiàn)在有很多驅(qū)動器采用動態(tài)控制技術(shù)、平衡磁芯技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，但是這些技術(shù)不僅損耗大，而且電路十分復(fù)雜。而本文所研究的并聯(lián)驅(qū)動器控制電路不僅電路簡單，而且可靠性高。

2.3主電路設(shè)計

為了降低分布電感的同時提高電流重合度，一般采用復(fù)合低感母排技術(shù)。此技術(shù)的核心是要保證并聯(lián)主電路對稱，一旦并聯(lián)主電路不對稱就會造成嚴(yán)重的不均流現(xiàn)象。

2.4散熱設(shè)計

散熱方式有很多種，可以采用風(fēng)冷散熱，也可以采用水冷散熱。如果使用的是風(fēng)冷散熱器，就要對風(fēng)道進(jìn)行良好的合計，進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口以及送風(fēng)量等問題都需要考慮到其中。如果是水冷，要使散熱器和器件位置擺放合理，使得器件散熱均勻。需要特別注意的是，要考慮到水的溫度升高對其造成的影響。

三、IGBT直接并聯(lián)應(yīng)用研究

3.1直接并聯(lián)電路

運(yùn)用脈沖控制器、電流傳感器、電壓傳感器、電容以及直流電源和示波器等進(jìn)行應(yīng)用。安裝4個IGBT進(jìn)行兩元件并聯(lián)，如果要用三個元件，需要增加一個探頭測量新增加支路的電流。

3.2三元件直接并聯(lián)應(yīng)用

采用兩元件并聯(lián)的應(yīng)用方式來進(jìn)行三元件并聯(lián)應(yīng)用，用前面提到的兩種并聯(lián)方式作為本次應(yīng)用進(jìn)行對比。應(yīng)用結(jié)果顯示，驅(qū)動的均流性理想。

3.3四元件并聯(lián)

IGBT實(shí)現(xiàn)四元件并聯(lián)主要是通過驅(qū)動底座2AB30A17K-OA-4ED來實(shí)現(xiàn)的，該型號的適配板是配合著2QD30A17K-I驅(qū)動核來驅(qū)動IGBT的，它和2QD30A17K-I配合使用可以驅(qū)動全系列的IGBT，例如從600V到1200V甚至到1700V都可以用他們配合來進(jìn)行驅(qū)動。除此以外，它配合2QD30A17K-I驅(qū)動核可以對雙通道的IGBT進(jìn)行驅(qū)動，而且適用于各種已經(jīng)封裝的IGBT，它不僅僅局限于此，還可以使用電接口和光纖接口，用戶可以根據(jù)需要選擇合適的控制接口，短路保護(hù)、欠壓保護(hù)等也都是它所具備的。

該適配板可以為光纖接頭提供一個電源，該電源的電壓為5V，除此以外，它也為2QD30A17K-I提供了一個電源。當(dāng)驅(qū)動器檢測到IGBT發(fā)生短路或者柵極電壓降到保護(hù)值以下時，此時IGBT會被安全的斷開，同時傳出故障信息。當(dāng)檢測到有故障時，IGBT會處于關(guān)斷狀態(tài)，只有驅(qū)動器復(fù)位之后才可以重新開始正常的工作。

3.4功率考核試驗(yàn)

功率考核應(yīng)用單臺容量為1.2MVA的脈沖整流器模塊，交流器由電容、復(fù)合母排和水冷散熱以及驅(qū)動控制部分幾部分組成，通過長時間的運(yùn)行得到應(yīng)用的結(jié)果顯示，即使通過IGBT的電流超過其額定值，交流器功率模塊也能正常運(yùn)行。

四、結(jié)束語

本文通過對IGBT直接并聯(lián)方式進(jìn)行了種種實(shí)驗(yàn)考核，均流效果讓人滿意。IGBT的直接并聯(lián)技術(shù)是一種被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中的一種電路結(jié)構(gòu)，IGBT直接并聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，例如，它不僅有較高的頻率和較大的容量范圍，它還具有非常高的調(diào)節(jié)精度和效率。正因如此，它還應(yīng)用于地鐵、電車、大功率氧化等用直流驅(qū)動的設(shè)備中。

參考文獻(xiàn)：

[1]李凱.高穩(wěn)定性IGBT驅(qū)動器保護(hù)電路 [J].自動化與儀器儀表，2021（2）.

[2]劉峻靈，付星，孫浩巍，王天一.含變阻結(jié)構(gòu)的線性光耦隔離MOSFET/IGBT告訴驅(qū)動 [J].通信電源技術(shù)，2018（1）.

[3]劉洋，何成軍.LLC諧振式IGBT驅(qū)動電源的研究 [J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（8）.

[4]劉永江，張曉，林珍君，李華，李聰炟. CRH380A動車組自主牽引變流器三電平功率模塊研制 [J].機(jī)車電傳動，2021（1）.