中車永濟電機有限公司 張 丹 牛 勇 陳 宏 陳彥肖

?

基于IGBT并聯(lián)技術(shù)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(chǎn)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(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)的基礎上，設計了一個容量為230kVA輔助變流功率模塊。實驗結(jié)果證明，該模塊設計合理、運行可靠、滿足各項設計指標。

【關(guān)鍵詞】并聯(lián)；IGBT；均流

0　引言

通過電力電子器件串聯(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。采用這兩種方法設計的大功變流器，結(jié)構(gòu)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(lián)數(shù)目的增加來實現(xiàn)，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(chǎn)等優(yōu)點。

通過串聯(lián)IGBT可以提高變流器的電壓等級，而通過并聯(lián)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?？紤]到前者功率密度相對較低，從性價比出發(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)時需要遵循的原則。在此基礎上，設計研發(fā)出一個容量為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IGBT并聯(lián)使用時，由于驅(qū)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(lián)IGBT的電流不均衡，器件可能由于過熱而損壞。

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gfs和柵極－發(fā)射級閾值電壓Vge_th、反并聯(lián)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(tài)均流效果。

1.2IGBT驅(qū)動電路參數(shù)的影響

并聯(lián)IGBT的門極驅(qū)動電壓Vge的大小主要影響并聯(lián)IGBT的靜態(tài)均流，而門極驅(qū)動信號的變化率、門極驅(qū)動電阻Rg、驅(qū)動線路的布局和感抗等參數(shù)則對并聯(lián)IGBT的動態(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)會造成線路感抗差異，并對并聯(lián)IGBT的動態(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計

根據(jù)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(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進行開關(guān)變化，將輸入的AC401V單相交流電轉(zhuǎn)換為DC750V，再通過ACU控制三相逆變電路的IGBT開關(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)，所以本文重點介紹四象限整流電路是如何實現(xiàn)。

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(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，實現(xiàn)最好的靜態(tài)均流。

2.2驅(qū)動電路

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

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

2.3對稱布局

并聯(lián)IGBT之間換流回路的雜散電感差異會對動態(tài)均流產(chǎn)生重大影響，尤其對大功率模塊而言。并聯(lián)回路中所有的功率回路和驅(qū)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(jié)構(gòu)。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(qū)動連線使用雙絞線，長度相等。

2.4散熱

并聯(lián)IGBT之間的冷卻差異會引起工作結(jié)溫不同，進而影響IGBT的動態(tài)和靜態(tài)特性，使電流出現(xiàn)不平衡。因此，設計使并聯(lián)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(yōu)的熱平衡狀態(tài)。另外，組裝時還要求并聯(lián)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(qū)動信號驗證

為了驗證驅(qū)動電路同步性，對并聯(lián)IGBT模塊進行低壓脈沖測試，驅(qū)動導通電壓15V,關(guān)斷電壓-7V,如下圖2低壓脈沖測試所示。從圖中可知，并聯(lián)IGBT模塊的柵極電壓上升時間，下降時間同步，驗證了驅(qū)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(diào)整脈沖信號發(fā)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(fā)送兩個不連續(xù)的開通脈沖。結(jié)果如圖3和4所示。

圖3　V1和V2并聯(lián)上橋臂脈沖測試

圖4　V1和V2并聯(lián)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(jīng)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(jīng)下橋臂的總電流為1120A，其中一下管電流測得為520A，經(jīng)計算另一上管電流為550A,電流的不平衡率為2.8％。實驗結(jié)果表明，電路的均流特性良好，驗證主電路并聯(lián)設計的合理性。

4　結(jié)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(jié)構(gòu)緊湊、性價比高等優(yōu)點。整個產(chǎn)品已完成樣機試制，并完成變流器滿載、溫升等全部聯(lián)調(diào)試驗，結(jié)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(lián)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(lián)使用中靜態(tài)均流特性研究[J].電工技術(shù),2004.