基于IGBT并联技术的PEBB设计.docVIP

IGBT并联技术分析 胡永宏博士（艾克思科技） 通过电力电子器件串联或并联两种基本方法，均可增大电力电子装置的功率等级。采用这两种方法设计的大功变流器，结构相对简单，加之控制策略与小功率变流器相兼容，功率提升主要靠电力电子器件串并联数目的增加来实现，因此具有成本较低，便于不同功率等级变流器进行模块化设计和生产等优点。 通过串联IGBT可以提高变流器的电压等级，而通过并联IGBT则可以提高变流器的电流等级，从而提升变流器的功率等级。考虑到前者功率密度相对较低，从性价比出发，IGBT并联技术是最好的选择。 1 IGBT并联运行分析 1.1 影响并联IGBT均流的主要因素 IGBT和反并联二极管静态参数的影响IGBT的饱和压降Vce(sat)、反并联二极管的正向压降Vf主要影响静态均流效果；IGBT的跨导gfs和栅极－发射级阈值电压Vge_th、反并联二极管的反向恢复特性（反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr等）主要影响动态均流效果。 IGBT驱动电路参数的影响并联IGBT的门极驱动电压Vge的大小主要影响并联IGBT的静态均流，而门极驱动信号的变化率、门极驱动电阻Rg、驱动线路的布局和感抗等参数则对并联IGBT的动态均流有很大的影响。 IGBT安装的散热考虑，如果IGBT散热出现热量过于集中，IGBT温度差别大，会影响的温度特性，形成正反馈现象。 主电路结构的影响主电路的结构会造成线路感抗差异，并对并联IGBT的动态均流产生影响，而线路的电阻则影响静态均流。 1.2 并联技术遵循的原则 模块的选择：通过选择具有正温度系数并且最好是同一批次的IGBT单元，可以提高器件参数的一致性，实现最好的静态均流。 共用驱动电路通过IGBT驱动电路参数的合理设计和共用同一驱动电路，可以提高IGBT开关速度、减小器件参数分布性的影响，改善动态均流的效果。 对称布局并联回路中所有的功率回路和驱动回路须保持最小回路漏感及严格的对称布局，模块应尽量靠近，并优化均衡散热，以提高并联IGBT的均流效果。 串联均流电感：交流输出端串联的电感可以抑制IGBT和二极管在开关过程中的电流变化率，可以大大减小由于开关过程的差异造成的电流不均衡，通过均流电感的合理设计可以确保并联IGBT的动态均流效果满足设计要求。 降额使用：即使IGBT模块的选择、共用驱动电路和优化布局已达到最优，但其静态和动态性能仍然不可能达到理想的均衡。更为重要的是，IGBT模块内部的反并联续流二极管是双极性器件，其正向通态压降呈负温度系数，因此最好对IGBT进行15％～20％的降额使用。 3 并联技术整体设计 根据上述设计原则，本文设计了一个额定容量为250kVA的电路，三相交流输出线电压为380V，交流输出相电流为380A，为满足三相变流器在380V交流电压下PWM整流器工作模式的需要，直流环节电压设计为700V，整体设计结构如图1所示。 图1 电路整体结构电气图 电路将IGBT模块、控制单元、驱动单元、直流支撑电容(C10)、均流电感(L1～L9)、吸收电容(C1～C9)、两个交流电流传感器(x1、x2)、两个交流电压传感器(LV-2、LV-3)、一个直流电压传感器(LV-1)、共模磁环等变流器所需的重要零部件集成在一起，组成一个功能相对比较完整和独立的模块。 电路的每相半桥电路由3个并联的IGBT半桥电路组成，每个IGBT半桥电路的中间引出端通过均流电感并联在一起，以提高每个IGBT半桥单元的动态均流效果。 IGBT模块的正负端通过复合母排连接到直流支撑电容的两极上。选用复合母排不但有助于减小IGBT开关过程产生的过电压，而且还可以降低电磁干扰，提高电路的电磁兼容(EMC)性能。 下面简单介绍并联设计中的IGBT管子参数选择方法，因为IGBT是最为重要的器件，成功与否在与这个管子是否好使。 3.1 所有IGBT饱和压降测试 工欲善其事，必先利其器！手头上最好要有IGBT参数测试，测试IGBT的饱和压降Vsat。 图2 IGBT的饱和压降曲线 由于IGBT的特性，如果饱和压降差别过大，会出现正反馈现象。这里需要将IGBT的不一致参数尽量压缩小，上图的参数中，测试精度要求为mV级别，最好选择参数一致达到100mV内的管子。 测试过程中，需要注意的事情： 第一：测试环境温度保持恒定。 第二：测试使用脉冲电流，减小IGBT自身热量，减小IGBT自身的温度提高。 第三：测试使用自动模式测试，使用测试点频率一致的测试调节。 参考仪器：IGBT-1200A。 3.2 所有IGBT内建二极管饱和压降测试 在使用同样的方法，测试内建二极管饱和压降，他的压降不同会导致静态电流时，出现温度升高不一致的情况。首先将IGBT的控制端G和E短路，保证IGBT断开，测试方式在使用测试IGBT饱和压降的方法测试内建二