并联IGBT占空比的温度特性建模与分析

并联IGBT是解决托卡马克(Tokamak)装置中等离子体垂直位移快速控制电源容量逐渐增大问题的有效途径。而并联IGBT之间的结温平衡是并联系统安全稳定运行的关键因素之一。因此,研究结温对并联IGBT功率损耗差异的影响对提高并联系统的稳定性至关重要。然而现有的研究成果主要集中在单个器件损耗模型或者是并联IGBT的最佳工作频率范围而未涉及对并联IGBT最佳工作占空比范围的讨论。研究发现,当IGBT工作在正温度系数区间时,结温差异造成的通态损耗差异与开关损耗差异呈不同的温度特性。因此,提出零温度-占空比的概念来估计并联IGBT之间结温失配趋势。该文建立零温度-占空比模型,并以此来分析电路设计参数、IGBT器件参数以及结温差异对并联IGBT最佳工作占空比范围的影响。实验结果表明,通过零温度-占空比模型可以对并联IGBT的可靠性、电路设计参数以及器件选型提供可行的参考。

具有自适应浮空分裂栅IGBT的特性研究

为降低传统绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关损耗E_(SW),提出了一种具有自适应浮空分裂栅的IGBT结构(AFSG-IGBT),并进行了仿真研究。此结构在传统载流子存储沟槽栅双极晶体管结构(CSTBT)的基础上,在沟槽栅中集成了分裂栅和P型结型场效应晶体管(JFET)。栅极与P型JFET相互耗尽,可以大幅降低米勒电容C_(GC),并且降低E_(SW)。在AFSG-IGBT导通时,P型JFET的沟道被夹断,使分裂栅保持在浮空状态,从而保证足够的注入增强效应。仿真结果表明,相比于CSTBT,AFSG-IGBT在高集电极电压下C_(GC)降低了79.7%,栅极电荷Q_(g)降低了52.6%。在导通压降(V_(ON))为1.4 V和集电极电流为100 A/cm^(2)的条件下,AFSG-IGBT的开通损耗E_(on)和关断损耗E_(off)分别比CSTBT低了37.1%和28.5%,并且该结构在驱动电阻分别为5Ω和10Ω时都显示出更优良的V_(ON)-E_(SW)折中关系。

基于TCAD的IGBT温度特性模拟研究

为测试绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)在工作中的温度特性,利用基于有限元方法的TCAD,模拟仿真了IGBT在不同温度下的静态特性及开关特性,结合硅的热疲劳机理及IGBT损耗分析对IGBT的温度特性进行理论研究,并建立沟槽栅IGBT模型,将IGBT所处温度作为变量,调节设置IGBT工作温度,通过监测栅极电压、集电极电压及集电极电流等参数,得到IGBT在不同温度下的转移特性曲线、输出特性曲线、击穿特性曲线和开关特性曲线,验证与分析理论研究的合理性与准确性。研究结果表明,高温度对IGBT的正常工作具有十分显著的影响,过高的温度可能会导致IGBT出现提前开通、开关难以控制、损耗增大,甚至器件损坏的结论。该研究工作对提高大功率IGBT高温工作稳定性具有参考意义。

适用于中点箝位型三电平逆变器的多目标调制策略

为同时实现中点箝位型三电平逆变器的中点电压平衡和共模电压降低,分别分析了基于载波脉宽调制(CBPWM)和基于虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)的中点电压平衡和共模电压降低方法。基于CBPWM提出一种可以降低共模电压的载波脉宽调制(RCMV_CBPWM)策略,可将大多数工作区域的共模电压限制在直流侧电压的1/6以内。为了实现上述2个目标,同时不过分增加开关损耗,在RCMV_CBPWM基础上提出了一种多目标调制(MOPWM)策略,在全调制度和全负载功率因数范围内,共模电压可限制在直流侧电压的1/6以内并实现中点电压平衡,且其开关损耗低于VSVPWM。比较了MOPWM、RCMV_CBPWM和VSVPWM在中点电压控制、共模电压降低和开关损耗降低方面的性能。实验结果验证了MOPWM的可行性和优越性。

基于器件复用的电流型软开关光伏全桥逆变器

提出了一种新颖的适用于分布式光伏的无源无损软开关全桥逆变器,用以减小逆变器高频开关的损耗。该电路保留了传统双降压全桥逆变器高效可靠的优点,在此基础上通过器件复用的方式,增加了无源无损吸收电路,并通过无源器件自身的谐振过程改善功率器件的开关状况实现软开关的功能,同时使无源无损吸收电路的能量得到有效转移,使得所提无源无损软开关全桥逆变器具有较高的可靠性。实验验证了所提无源无损吸收电路有效减小了开关损耗,提高了系统效率。

一种碳化硅与硅器件混合型三电平有源中点钳位零电压转换软开关变流器

该文提出一种碳化硅与硅(SiC&Si)器件混合型三电平有源中点钳位零电压转换(3L-ANPC ZVT)变流器拓扑。该拓扑中每相主电路采用两个SiC MOSFET器件工作在高频,其余主电路开关为Si器件工作在低频,通过辅助电路使得SiC器件工作在ZVT软开关条件下,进一步降低SiC MOSFET高频开关损耗和开关应力。拓扑中辅助电路开关采用Si器件且仅在主器件换相过程工作,具有额定电流小且无开关损耗的特点。该文首先介绍该软开关变流器的电路拓扑结构和工作原理,并给出辅助电路参数的优化设计过程。然后基于双脉冲测试数据对变流器进行损耗建模,分析对比不同开关频率下硬开关和软开关有源中点钳位三电平变流器的损耗分布和效率变化,揭示所提出的软开关变流器拓扑在高开关频率下可以有效改善变流器的效率。最后通过搭建的单相变流器实验平台验证上述分析结论的正确性。

IGBT开关特性离线测试系统

介绍一套容量为1200V/150A的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)开关特性离线测试系统。该测试系统包括器件开关特性的硬件测试平台和开关损耗建模软件平台两部分。硬件测试平台将计算机作为控制中心,根据用户在LabVIEW界面上选择的母线电压、集电极电流、门极电压、门极电阻以及温度等参数,通过RS232接口控制DSP完成开关特性测试,通过GPIB接口设置示波器,保存记录的波形。软件建模平台利用记录的电压、电流波形数据,采用3种平均模型(幂函数模型,幂函数与多项式结合的模型,神经网络模型)建立开关损耗模型。该系统实现了电力电子器件开关特性测量和损耗模型建立,方便用户预测工作范围内任一测试条件下的器件开关损耗。

基于IGBT离线测试平台的功率逆变器损耗准在线建模方法

逆变器损耗研究一直是电力电子领域的一个重要研究方向。现有方法大多依赖于器件厂商提供的数据手册,但是这些数据的提取环境为标准测试环境,与实际工况并不一致。本文提出一种基于IGBT离线测试平台的准在线建模方法,用该方法分析与等效逆变器的各种换流模式、调制方法和负载类型,借助离线测试平台模拟逆变器实际工况下的换流模式、驱动情况、缓冲电路以及杂散参数等工况,并调用测试平台建立的开关动态特性多维数据库得到逆变器实际工况下各开关工作点的开关能量损耗,最终计算出功率逆变器的损耗。与实测损耗的对比证明了该准在线建模方法的正确性。该建模方法对散热器的选取、高效率逆变器结构的优化设计具有重要的参考价值。

IGBT模块开关损耗计算方法综述

IGBT模块开关损耗计算方法有基于物理方法的损耗计算法和基于数学方法的损耗计算法。基于物理方法的损耗计算是采用软件仿真的办法建立相应的物理模型得到开关动态波形,计算损耗;基于数学方法的损耗计算是采用各种数学的方法建模,计算损耗。对各种开关损耗计算法进行讨论,并给出其相应的优缺点。

一种基于Si/SiC级联H桥逆变器的高性能模型预测控制方法

Si/SiC级联H桥逆变器,能够利用不同器件的开关组合保证低输出电流谐波畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)和装置效率,但也带来了Si/SiC子模块开关分配的难题.对此,本论文设计一种变权重的模型预测控制方法(Model Predictive Control,MPC)选择总开关状态并分配子模块开关组合.该方法在选取逆变器总开关状态和Si/SiC子模块开关组合的代价函数中引入基于器件开关损耗的变权重,以改善逆变器的效率和输出电流谐波畸变率.在五电平Si/SiC级联H桥逆变装置上验证了变权重MPC的有效性,相比于固定权重MPC,输出电流THD最多降低2.05%,装置损耗最多降低4.53%.

PWM方式开关电源中IGBT的损耗分析

描述了ＰＷＭ 方式开关电源中ＩＧＢＴ 的工作特点，介绍了损耗的简便测量及分析方法，为ＩＧＢＴ 的选择和热设计提供了参考。

基于BP神经网络的IGBT模块开关损耗求解

如何准确求解绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的开关损耗值,是电力变换器性能和寿命研究中的关键问题之一。针对现有IGBT开关损耗模型难以准确求解开关损耗值的缺陷,引入了基于粒子群算法优化的误差反向传播(BP)前馈神经网络模型。将影响开关损耗的5个主要因素(集射工作电压、集电极电流、驱动电压、驱动电阻、结温)作为BP神经网络的输入向量,并采用粒子群算法优化网络的初始权值与阀值,通过共轭梯度法的学习规则加速收敛,从而获得开关损耗的精确求解值。该模型实现了在额定值范围内对各种工况下的IGBT模块开关损耗值的可靠预测,其在100组测试验证样本下所出现的最大误差比率为3.85%。

PWM逆变器中IGBT的损耗计算

针对目前应用广泛的 PWM逆变器中的 IGBT,提出了一种其功率损耗的计算方法 ,该法根据厂家已提供的器件特性参数 ,可以方便地估算各种工况下 IGBT的功率损耗 .实验证明 ,该方法兼顾了简单和精确两个方面 ,效果较好 .

一种基于di_C/dt反馈控制的大功率IGBT驱动保护方法

针对大功率IGBT提出一种新型的有源门极驱动保护方法。在IGBT正常开通与关断过程中,利用di_c/dt反馈控制,设计软开通及软关断电路,有效缩短IGBT的开通与关断时间,提高IGBT的开关频率,减小器件功率损耗;在IGBT发生短路时,结合di_c/dt反馈技术,设计改进型有源钳位保护电路,实现IGBT软关断,防止关断时产生较大的过冲电压损坏IGBT,同时有效减小门极触发电阻R_g上的损耗。利用Saber软件进行电路仿真,并基于大功率IGBT模块YMIF1200-33实验平台,验证方案的可行性,结果表明,相对于传统控制方案,正常开关情况下,开通时间缩短了26.5%,关断时间缩短了52.6%;短路情况下,相对于传统有源钳位方法,改进方案在有效钳住V_(CE)电压的同时,关断期间门极电阻上的电流减小到原来的35.4%,并能在短路发生的第一时间迅速可靠地关断IGBT。

双馈风电机组变流器IGBT结温计算与稳态分析

针对双馈风电机组机侧变流器长期处于低频下运行导致故障率高的机理问题,提出其功率器件绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)结温准确计算方法及其变化规律的研究。首先基于不同损耗分析方法,结合IGBT热网络,建立了IGBT结温计算模型,并对一个实际IGBT在不同结温计算方法下的稳态结温进行比较。其次,结合双馈风电机组运行特性,分别建立其全范围工况下机侧变流器IGBT的结温计算模型。最后,分析了双馈风电机组在不同风速下机侧变流器IGBT稳态结温变化规律及其影响因素。结果表明,基于开关周期损耗的结温计算方法更适合较低频率运行下IGBT结温的准确计算;双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随变流器输出频率的降低而增大。

IGBT模块电气参数测试及分析

针对不同集电极电流及开关频率下的开关过程设计并搭建了IGBT电气参数测试系统。试验测录了IGBT模块在开关过程中的电压、电流波形,对电压、电流波形进行数据处理,得到IGBT模块的开关时间和开关损耗;根据对IGBT模块的开关损耗进行分析,得到IGBT模块的开关损耗在随着集电极电流和开关频率变化的规律。

PWM方式开关电源中IGBT的损耗分析

指出PWM方式开关电源中IGBT的工作特点 ,介绍损耗的简便测量及分析方法 。

PWM IGBT变频器的损耗

提出了一种计算PWMIGBT变频器正向损耗和开关损耗的新方法，该方法在计算精度和计算的复杂性之间寻找到一种比较合理的方案。有些计算过程还能应用到双极性晶体管式MOSFET中。

一种快速IGBT损耗计算方法

针对目前PWM逆变器中广泛使用的IGBT,提出了一种快速损耗计算方法。该方法只需已知所使用的IGBT器件在额定状态下的特性参数,就可以快速估算各种条件下的功率损耗。该方法的计算结果与厂家提供的软件的计算结果误差在2%以内,满足工程需要。

NPC三电平逆变器IGBT损耗计算

为计算NPC三电平逆变器IGBT模块损耗,提出了一种精确计算方法。首先,结合NPC三电平工作时序,对NPC三电平电路在一个输出周期内进行详细分析,得到正负半周内IGBT模块的工作状态与电流流通路径,给出损耗发生的具体对象与类型,并建立IGBT工作电流函数;其次,基于对IGBT模块损耗相关耦合参数的分析,建立损耗与各个参数的函数关系;最后,结合IGBT模块的热力学模型,通过样机实测温度,得出最终结果。结果表明,所建立的IGBT模块损耗强相关参数函数准确;NPC三电平逆变电路工作时序与IGBT模块损耗分析合理,由此计算的结果可精确反应IGBT实际损耗。