大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究
基于IGBT器件的大功率DCDC电源并联技术研究
随着电力电子技术的发展,很多场合需要大功率大电流的直流电源.EAST的磁约束核聚变装置使用的直流快控电源即是一种大功率直流电源,其技术要求为:电压响应时间1ms峰值电压50V;最大电流20kA,能实现4个象限的运行.针对此要求,不可避免地需采用电源并联技术,即功率管并联或电源装置的并联.对于20kA直流电源,若采用功率管IGBT并联,每个桥臂则至少需15只功率管并联,这不但给驱动带来很大困难,而且,在一般情况下,电流容量较大的功率管的电压容量也较大,在实际电压只有50V 的情况下,对功率管的电压容量而言,这是极大的浪费.因此,提出采用多米诺结构的DC/DC电源装置并联技术思路.对电源并联系统的基本要求为:1)在电网扰动或负载扰动下保持输出电压稳定;2)各模块调制频率一致.若不一致,则产生低频脉动信号,增大输出电流和电压的纹波成分;3)控制各模块电流,使其均分负载电流.1 大功率直流电源的拓扑结构DC/DC电源并联有两种拓扑结构,一种是采用输入直流母线结构,其系统结构框图如图1a所示,主要包括整流变压器和不可控二极管整流电路,N 路DC/DC变换器,泵升电压抑制电路等;另一种是采用独立的AC-DC/DC电源并联,系统结构图如图1b所示.采用图1a所示的拓扑结构,系统需大容量不可调直流电源,一般可采用整流变压器降压,二极管整流并经电容滤波得到.这种结构虽可保证并联的每条支路有共同的直流电压输入,避免并联支路因直流侧输入电压不同而带来的不均衡,但该直流电源的容量大,电流达20KA,直流母线承受的负荷过重,前级AC-DC设备要求较高,不易实现.另外,输入端共用母线不利于实现完全意义上的独立电源模块的并联.因此,采用如图1b 所示的AC-DC/DC直流电源并联的拓扑结构.图1b所示的拓扑结构可保证每个AC-DC/DC电源模块的独立性,即可实现直流电源装置的并联,能够根据实际的电压,电流及功率的要求自由地增减模块的个数!在实际应用中有很大的空间,有一定的研究价值.但这种拓扑结构也有它不利的一面!即若变压器输出电压略有差别,则每个整流模块的输出电压将不同,从而造成各整流模块输出电流严重不平衡.不过,这种不平衡可采取如下相应措施进行抑制:首先,在采用独立的AC-DC/DC电源并联时,应尽量做到每个模块的AC-DC/DC输出直流电压接近相等;其次,针对由于变压器输出电压不同造成的各整流模块输出电流的不平衡,可在DC/DC环节设置均流措施.DC/DC模块采用的是受限单极型脉宽调制方式(PDW),通过调节各DC/DC模块的占空比使各回路的负载趋于平衡.当电源模块给定电流正负切换时,可实现不同象限的运行,满足系统4象限运行的要求.2 大功率直流电源的控制方案在托卡马克快控电源的应用中,要求电源输出电流实时跟踪给定电流曲线.因此,该电源系统是电流随动系统,系统的快速性将是一较重要的性能指标.而控制方式的选择将影响整个系统的静态与动态性能指标.为更好提高系统稳态和动态性能指标的精度,实现电流跟随性,采用两级电流控制(图2),即总电流环和模块电流环相互配合,不仅可提高性能指标,且可实现各模块电流的均衡.外环的主要功能是实现电流的实时跟踪,采用反馈加前馈的复合控制方式.复合控制中的前馈控制不影响原系统的稳定性.但却可在不增大开环增益的情况下大幅提高系统的稳态精度和动态性能.为达到控制效果.又不使前馈通道的结构变得复杂.前馈控制采用的是输入信号的一阶导数,且加到信号的输入端.内环模块电流环的主要功能如下.1)改造控制对象的传递函数.2)限制电流最大输出,同时又实现各电源模块的均流.3 数据传输拓扑结构EAST等离子体垂直位移快控电源的均流是装置并联的一重要问题.监控计算机和电源模块的CPU数据传输采用主从方式(图3),即由每一电源模块的CPU 负载实现各自的电流控制,并向监控计算机发送该电源模块状态信息,监控计算机的作用是实现对各电源模块的统一管理,包括向每个电源模块发送启动和停止指令。
大功率变频器IGBT并联驱动电路设计
• 153•大功率变频器IGBT并联驱动电路设计泰安众诚自动化设备股份有限公司 闫晓兵【摘要】在大功率变频器中，IGBT模块常因主控系统的延滞而影响其故障保护的时效性，甚至导致其工作电流超出安全工作区而损坏。
针对这种情况，本文设计了基于HCPL-316J的低成本、高可靠性驱动电路，详细讨论了IGBT并联中的稳态均流问题，重点分析了过流保护时驱动电路的工作过程。
并试制样机进行了测量验证。
【关键词】大功率变频器；IGBT驱动电路；HCPL-316J；过流保护；稳态均流1 引言绝缘栅型双极性晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor-IG-BT）是一种电压控制型功率器件，所需驱动功率小、控制电路简单、导通压降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力，在中功率及以上的逆变回路中得到广泛应用。
大功率变频器功率等级通常为几百甚至上千kW，主电路瞬时电流可达到数百安培以上，浪涌电压超几千伏，靠单个主开关器件来满足要求非常困难。
通常，电流越大的IGBT价格越高，可供选择的供应商越少，价格也居高不下。
这也加大了电源成本和驱动电路的复杂性，在试验阶段运行风险很大，可靠性不高。
而低电流的IGBT厂商较多量产时间久价格较低，采用多管并联提高电流定额以满足输出功率等级要求，具有很高的实际应用价值。
IGBT作为核心功率器件，其驱动电路对于功率变换器至关重要，直接决定了系统的可靠性和安全性。
如何有效地驱动和保护多个并联使用的IGBT，使其安全高效地工作，已成为当前电力电子领域的一个重要课题。
本文以HCPL-316J芯片为核心，设计了具有过流保护功能的驱动电路，详细分析了驱动电路的工作过程及过流保护过程，并进行了相应的实验验证。
2 IGBT的并联特性和通断过程并联的IGBT自身参数的不一致及电路布局的不对称性，会引起器件电流分配的不均衡，严重时会使器件失效甚至损坏主电路。
IGBT并联应用时，电流分配不均衡主要有两种：稳态电流不均衡和瞬态电流不均衡。
IGBT并联解决方案
IGBT并联解决方案一、背景介绍IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种常见的功率半导体器件，广泛应用于电力电子领域。
在某些高功率应用中，单个IGBT无法满足要求，因此需要采用IGBT并联解决方案。
本文将详细介绍IGBT并联解决方案的原理、优势和应用。
二、原理介绍IGBT并联解决方案是通过将多个IGBT器件并联连接，以提高功率和可靠性。
并联连接的IGBT器件具有相同的电压和电流特性，并通过特定的控制电路实现同步开关。
当负载电流较大时，多个IGBT器件可以共同分担负载，从而提高系统的功率处理能力。
三、优势1. 提高功率密度：IGBT并联解决方案可以将多个低功率IGBT器件组合成高功率模块，从而提高功率密度，减小系统体积。
2. 提高可靠性：通过并联连接，即使其中一个IGBT器件发生故障，其他器件仍然可以继续工作，提高了系统的可靠性和稳定性。
3. 分担负载：并联连接的IGBT器件可以共同分担负载电流，减小每个器件的负载压力，延长器件的寿命。
4. 提高效率：并联连接的多个IGBT器件可以实现更好的电流分配，减小功率损耗，提高系统的能效。
四、应用领域1. 可再生能源发电：IGBT并联解决方案广泛应用于风力发电和太阳能发电系统中，提高了系统的功率处理能力和可靠性。
2. 电动交通工具：电动汽车和混合动力汽车中的电力传动系统通常采用IGBT并联解决方案，以满足高功率输出和高效率要求。
3. 工业自动化：工业控制系统中的高功率逆变器和变频器常常采用IGBT并联解决方案，以提供可靠的电力输出。
4. 高速列车：高速列车的牵引系统需要大量的功率输出，采用IGBT并联解决方案可以满足高功率和高可靠性的要求。
五、实施步骤1. 选择合适的IGBT器件：根据应用需求选择适合的IGBT器件，包括电压等级、电流容量和频率特性等。
2. 设计并联连接电路：根据系统需求设计并联连接电路，确保各个IGBT器件的电流和电压分布均匀。
（整理）IGBT并联技术详解.
（整理）IGBT并联技术详解.IGBT并联技术技术详解IGBT并联均流问题影响静态均流的因素1、并联IGBT的直流母线侧连接点的电阻分量，因此需要尽量对称；2、IGBT芯⽚的Vce(sat)和⼆极管芯⽚的V F的差异，因此尽量采取同⼀批次的产品。
3、IGBT模块所处的温度差异，设计机械结构及风道时需要考虑；4、IGBT模块所处的磁场差异；5、栅极电压Vge的差异。
影响动态均流的因素1、IGBT模块的开通门槛电压VGEth的差异，VGEth越⾼，IGBT开通时刻越晚，不同模块会有差异；2、每个并联的IGBT模块的直流母线杂散电感L的差异；3、门极电压Vge的差异；4、门极回路中的杂散电感量的差异；5、IGBT模块所处温度的差异；6、IGBT模块所处的磁场的差异。
IGBT芯⽚温度对均流的影响IGBT芯⽚的温度对于动态均流性能和静态均流性能影响很⼤：1、由于IGBT的Vcesat的正温度系数特性，使温度⾼的芯⽚的Vcesat更⾼，会分得较少的电流，因此形成了⼀个负反馈，使静态均流趋于收敛；2、根据我们的经验，我们发现，芯⽚温度变⾼后，动态均流的性能也会变好；例如在测试动态均流时，我们会使⽤双脉冲测试⽅法，但这时芯⽚是处于冷态的，当把机器跑起来后，动态均流会改善。
IGBT芯⽚所处的磁场对均流的影响IGBT模块附近如果有强磁场，则模块的均流会受到影响。
1、如果两个IGBT模块并联且并列安装，如果交流排的输出电缆在摆放时靠近其中某⼀个IGBT模块⽽远离另外⼀个，则均流性能就会出问题；2、以上现象的原因是某个⼤电流在导线上流动时会产⽣磁场，对磁场内的其他导通的电流产⽣“挤出”或“吸引”的效应；因此，在结构设计时，需要注意交流排出线的⾛线形式，以免发⽣磁场的⼲涉现象。
IGBT并联使⽤⽅法分类IGBT并联可以分为“硬并联”及“桥臂并联”2⼤类。
（1）“硬并联”指的是IGBT的发射极和集电极直接连接在⼀起，如左下图所⽰；（2）“桥臂并联”指的是，IGBT桥臂的交流输出端通过均流电抗（感量有⼀定数值）连接在⼀起，如右下图所⽰；这两种分类⽅法本质上以模块交流端⼦到汇流端的电感量进⾏分类的。
IGBT并联解决方案
IGBT并联解决方案1. 简介IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种高性能功率半导体器件，广泛应用于各种功率电子设备中。
IGBT并联解决方案是针对高功率应用中的电流共享和热管理问题而提出的一种解决方案。
本文将详细介绍IGBT并联解决方案的原理、设计要点和应用案例。
2. 原理IGBT并联解决方案通过将多个IGBT器件并联连接，实现电流共享和热分布均衡，提高系统的功率容量和可靠性。
并联连接的IGBT器件通过电流分配电路实现电流的均衡分配，确保每一个器件承担相等的电流负载。
同时，通过热敏电阻和热传感器监测每一个器件的温度，利用热管理系统实现热量的均衡分布，避免单个器件的过热问题。
3. 设计要点（1）器件选择：选择具有相同参数和特性的IGBT器件进行并联连接，确保电流共享和热分布均衡。
（2）电流分配电路：设计合适的电流分配电路，根据每一个器件的电流特性进行电流的均衡分配。
常用的电流分配电路包括电流传感器、电流分配电阻、电流共享电路等。
（3）热管理系统：通过热敏电阻和热传感器监测每一个器件的温度，利用热管理系统实现热量的均衡分布。
常用的热管理系统包括散热器、风扇、热管等。
（4）保护电路：设计合适的保护电路，监测并联IGBT器件的工作状态，及时响应故障，保护系统的安全运行。
4. 应用案例IGBT并联解决方案广泛应用于各种高功率电子设备中，如电力变换器、机电驱动器、风力发电系统等。
以下是一个应用案例：案例：电力变换器在电力变换器中，IGBT并联解决方案可以提高系统的功率容量和可靠性。
通过将多个IGBT器件并联连接，实现电流共享和热分布均衡。
电流分配电路确保每一个器件承担相等的电流负载，热管理系统实现热量的均衡分布。
在这个案例中，我们选择了10个相同参数和特性的IGBT器件进行并联连接。
每一个器件通过电流传感器和电流分配电阻进行电流的均衡分配。
热敏电阻和热传感器监测每一个器件的温度，热管理系统包括散热器和风扇，实现热量的均衡分布。
大功率IGBT驱动电路及串并联特性研究2300
大功率IGBT驱动电路及串并联特性研究摘要：近年来，以IGBT等全控器件为基础的轻型高压直流输电发展起来，随着行业的需求，人们对IGBT的功率也有了更高的要求。
为此，人们选择的方式中，其中一种就是对功率等级较小的IGBT实行串并联，以符合电路的要求。
串联和并联各有特性和优缺点，本文将主要探讨两种电路的特性，并提出更好的设计方法。
关键词：大功率IGBT；串联；并联近年来，IGBT在电路中的应用越来越广，同时，诸如轨道交通等行业对兆瓦级大功率变流器的需求也增加，也就更需要大功率的IGBT。
直接选用大功率等级的IGBT虽然满足要求，但会增加成本和驱动电路的复杂性，因此驱动电路简单而市场货源充足的串联或并联较小功率等级的IGBT的方法就受到了人们的青睐，有关人员对此实行了研究。
1.IGBT简介传统的高压直流输电是以晶闸管作为换流阀，用相控换流器（PCC）技术为核心。
但是，晶闸管具有单向导电性，导致PCC技术只能控制阀的开通，只有通过交流母线电压过零，把阀电流减小到阀的维持电流以下，才能实现阀的自然关断。
IGBT就是在这种情况下发展而来的。
IGBT的全称是Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管。
与传统的晶闸管器件相比，它的开关损耗和驱动功率都比较小、通态压也明显降低，但速度和输入阻抗则比较高，因此在高压固态开关、柔性直流输电等需要大功率的设备和场合更为适用。
但这些大功率的设备同时也需要较高的电压，通常能达到数十甚至数百千伏，然而目前单个IGBT 最高只能达到6.5千伏的电压，因此急需提升容量的方法。
研究人员要兼顾经济性和器件的可靠性，因此就需要对多只IGBT采取串联或并联的措施，以实现大功率的需要[1]。
2.对大功率IGBT串联的研究2.1 大功率IGBT串联及动态不均压原因的简述对IGBT器件直接串联是实现大功率IGBT的一种方式，这种串联的电路依据的理论就是在触发IGBT的时间和器件参数相同时，可以根据其耐压值，串联任意数量的器件。
大功率IGBT并联驱动电路设计
大功率IGBT并联驱动电路设计随着工业的发展，对于IGBT的电压等级和电流等级的要求也越来越高。
目前国内外市场上IGBT电压等级最高为6500V，电流等级最大到3600A。
对于中小功率应用场合，完全可以采用较高电压等级和较大电流等级的IGBT来满足对系统更高的要求，通常1700V和1000A 的IGBT就可以满足要求，而且市场供应量充足，价格适中。
但在高压大功率场合，若对IGBT的电压和电流要求接近市场上的较大值时，如6500V的IGBT，价格昂贵，且国外对中国有出口限制(不能用于军事用途)，此时就要考虑采用IGBT并联和串联扩容。
由于IGBT的特性依赖于其结构和工艺参数，lGBT并联和串联时存在静态和动态不均流和不均压，除了选择参数一致的IGBT模块外，通过设计适当的驱动电路也是解决IGBT并联和串联存在的问题的有效途径。
1. IGBT并联静态均流的研究当两个及以上IGBT并联时，由于模块不一致的静态和动态特性会导致电流分配不均。
在IGBT处于稳态运行时，影响均流的因素主要是IGBT的输出特性。
如图1所示，两个输出特性不一致的IGBT并联运行时，饱和导通压降V CEsat低的管子会分担更多的电流。
图1 IGBT模块输出特性比较图中，V01，V02-Q1，Q2的集电极电流为零时对应的集射极电压ΔV1，ΔV2-电流为I C1，I C1时对应的两管通态电压变化量。
Q1，Q2的输出特性可近似描述为：Q1，Q2并联，有：由此可见，当V01～V02时，IGBT的通态电阻(即输出特性斜率的倒数V CE/I C)是影响电流不均衡的主要因素。
因此为了实现静态均流，应选择饱和压降一致的IGBT模块。
图2 仿真电路图针对IGBT输出特性对静态均流的影响做仿真，IGBT模块选择三菱CM600HA-24H，额定电流600A，额定电压1200V，饱和压降2.5V。
同时选择CM600HA-28H模块，额定电流600A，额定电压1400V，饱和压降3.1V。
大功率工GBT模块并联特性及缓冲电路设计
了 ） 又１ １！ １
保护 知识产权 申明
木人完全Ｊ ’ 解西安理 Ｌ 大学有关保护知识产权的规定，即： 研究生在
校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理 「 大学所有
本人保证： 发表或使川与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理一人 学，无论何时何地，未经学校许．， 叮 决不转移或扩散与 之相关的仟何技术 或成果 学校仃权保留本人所捉交论文的原件或敏印件，允许论文被在阅 或借阅； 学校可以公布本论文 的全部或部分内容，可以采川影印、 缩印或 其他 卜 段交制保存本论文
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（ 加密学位论文解密之前后，以 卜 中明同样适用 ）
论文作者 签 名： 汁师签名
多） １ 了 ： 力雄 砂 ： Ｊ汰１
万方数据
摘
要
大功率 工Ｂ 模块并联特性 ＧＴ
及缓冲电路研究
学科名称 ：
全 测技术与 自动化装 置
导师姓名 ： 孙 强 （ 教授） 作者姓名 ： 王 雪 茹 ０４ 答辩 日期 ： ２ ０ 年 ３月
Ｇｒ Ｏ是日前耐压最高、电流容量最大的 一 种器件， 但其飞作频率较 低， 驱动电路复杂， 应用受到一定局限。电力品体管 Ｇ Ｒ是一种双极性 Ｔ
半导体，其优点是通态压降小、载流能力高，产品已实现模块化 ，在中
IGBT并联解决方案
IGBT并联解决方案1. 概述IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种常用于功率电子设备的半导体器件，具有高电压和高电流承受能力。
在一些高功率应用中，单个IGBT无法满足需求，因此需要采用并联解决方案，将多个IGBT并联使用，以提高功率承受能力和可靠性。
2. 并联原理IGBT并联的基本原理是将多个IGBT连接在一起，共享负载电流，以达到增加功率承受能力的目的。
在并联中，每一个IGBT的电压和电流分布应保持均衡，以确保每一个IGBT都能承受相同的负载。
3. 并联电路设计为了实现IGBT的并联，需要考虑以下几个方面的设计：3.1 电流均衡为了保持IGBT之间的电流均衡，可以采用电流分配电路。
电流分配电路通过监测每一个IGBT的电流，并根据需要调整电流分配，以确保每一个IGBT承受相同的负载。
常用的电流分配电路包括电流传感器和电流比较器。
3.2 电压均衡为了保持IGBT之间的电压均衡，可以采用电压分配电路。
电压分配电路通过监测每一个IGBT的电压，并根据需要调整电压分配，以确保每一个IGBT承受相同的负载。
常用的电压分配电路包括电压传感器和电压比较器。
3.3 散热设计IGBT并联解决方案中，由于多个IGBT共享负载，每一个IGBT的功耗会减少，从而减少了散热要求。
然而，仍然需要进行散热设计，以确保IGBT在工作过程中保持适宜的温度。
散热设计可以包括散热片、散热风扇、散热管等。
4. 并联解决方案的优势采用IGBT并联解决方案具有以下优势：4.1 提高功率承受能力通过将多个IGBT并联使用，可以将负载电流分散到每一个IGBT上，从而提高了整体的功率承受能力。
4.2 提高可靠性在并联解决方案中，如果一个IGBT发生故障，其他IGBT仍然可以继续工作，从而提高了系统的可靠性。
4.3 减少单个IGBT的应力采用并联解决方案可以将负载电流分散到多个IGBT上，从而减少了单个IGBT的应力，延长了其寿命。
5. 实际应用案例IGBT并联解决方案在许多领域都有广泛应用，以下是一个实际应用案例：5.1 高速列车牵引系统高速列车的牵引系统需要承受高电压和高电流，因此需要采用IGBT并联解决方案。
大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究
大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究1. 本文概述随着现代电力电子技术的快速发展，大功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块在电力系统、工业控制、新能源等领域中发挥着越来越重要的作用。
特别是在高电压、大电流的应用场合，单个IGBT模块往往难以满足系统的功率需求，将多个IGBT模块并联使用成为了一种常见的解决方案。
IGBT模块在并联运行时会出现诸如均压均流问题、热平衡问题以及开关特性不一致等问题，这些问题不仅影响系统的稳定性和可靠性，还可能缩短模块的寿命。
本文针对大功率IGBT模块并联运行时的特性和问题展开研究，重点分析并联模块之间的电压和电流分配不均的机理，以及由此引发的热平衡问题和开关特性不一致现象。
进一步地，本文将探讨缓冲电路的设计和优化，以解决并联运行中的这些问题。
缓冲电路能够有效地抑制电压和电流的峰值，降低开关过程中的损耗，从而提高系统的效率和可靠性。
本文将通过理论分析和仿真验证，提出一种适用于大功率IGBT模块并联运行的缓冲电路设计方案，并对该设计方案的性能进行评估。
本文的结构安排如下：介绍IGBT模块的基本原理和工作特性，以及并联运行时的问题和挑战分析并联模块间电压和电流分配不均的机理，以及热平衡问题和开关特性不一致现象的产生原因接着，详细阐述缓冲电路的设计原理和优化方法通过仿真实验验证所提出缓冲电路设计方案的有效性和可行性总结全文并提出进一步的研究方向。
2. 模块基础理论绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种高压、大电流的功率半导体器件，广泛应用于电力电子装置中。
IGBT模块的工作原理涉及三个基本过程：导通、截止和开关。
在导通状态下，IGBT作为一个功率开关，允许电流流过而在截止状态下，则阻止电流流过。
IGBT的开关速度和效率是其关键性能指标。
当IGBT模块并联使用时，可以实现更高的功率输出。
模块间的并联特性对整体性能有显著影响。
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