Hybrid IGBT在3.3 kW RAC图腾柱无桥PFC的应用

为了解决3 HP家用空调PFC功率级IGBT和整流桥温升高以及散热器尺寸大的痛点,采用图腾柱无桥PFC,以混合IGBT IKZA50N65RH5作为高频桥臂开关管,建立了CCM模式平均电流控制的图腾柱无桥PFC的PLECS仿真模型,并在3.3 kW、IGBT开关频率65 kHz的图腾柱无桥PFC评估板上实际测试获得了最高97.924%的效率,有效降低了IGBT的温升,提高了整机可靠性。

基于有限元法的半桥IGBT混合模块的可靠性分析与优化设计

为了避免过高的温度和热应力使IGBT模块内部材料疲劳失效,建立了硅基IGBT与碳化硅基JBS组成的半桥IGBT混合模块的有限元仿真模型,通过改变芯片排列位置、各层结构的厚度,以及焊料和陶瓷基板的材质,研究模块结温及最大热应力变化规律,并对模块封装结构进行优化。优化后模块的结温与最大热应力分别下降18℃和80.2 MPa,提高了模块的可靠性。

基于空间布局和杂散电感优化的直流断路器并联IGBT动态均流法

与压接式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)相比,模块式IGBT具有成本低、不需要单独压装结构、安装方便、故障后呈开路等特点,是750 V/1500 V混合式直流断路器中的核心元件。然而,受限于单个模块式IGBT器件的标称开断能力,多个模块式IGBT的并联均流技术是实现10 kA级直流开断的关键。文中从理论上分析了IGBT器件、缓冲电路和快速真空开关的空间排布位置对换流速度、动态均流、关断过电压等性能的影响。分析表明,从减少换流难度角度考虑,快速真空开关应与IGBT就近并联;从降低关断过电压角度考虑,各并联IGBT应采用分布式缓冲电路结构。进一步,考虑空间磁场耦合作用,建立了并联IGBT的动态开断电路模型,分析了并联IGBT动态开断性能的影响因素,发现增大子模块支路杂散电感、降低避雷器残压可有效提高并联IGBT的动态均流性能;子模块间负耦合电感可有效抑制IGBT关断过电压。最后,为兼顾换流速度、动态均流、关断过电压抑制等,提出了缓冲电路、IGBT、快速真空开关就近并联构成子模块,子模块再经电感并联的混合式直流断路器拓扑方案,并进行了仿真验证和1.5 kV/3 kA试验验证。

基于新型混合式断路器的IGBT缓冲电路研究

分析了新型混合式断路器的IGBT开关特性,在总结3种传统IGBT缓冲电路的基础上,提出一种优化的适合于新型混合式断路器的IGBT缓冲电路。该电路能在不降低吸收过电压效果的基础上,改变充、放电回路的电容,使放电时间跟随电容改变而改变,满足具体主电路对IGBT导通时间变化的要求和满足不同IGBT开关频率的要求。通过仿真和理论分析证明了该优化缓冲电路的有效性和适用性。

基于IGBT的混合式自动转换开关研究

对目前国内外自动转换开关的发展情况以及性能进行了分析和比较,在深入研究新型混合式断路器的基础上,阐述了一种基于IGBT混合式自动转换开关(HATS)的结构和工作原理,重点研究了该HATS的本体开关部分的合闸、分闸及限压特性,针对其动作特性,搭建实验平台模拟了该HATS的并联切换和串联切换方式,并具体分析和比较了2种不同切换方式的性能,实验结果表明:该HATS在保持机械转换开关静态特性的同时,其合闸和分闸动作的快速性、一致性及动作时的限压性能均得到改善。

IGBT串联阀混合式高压直流断路器分断应力分析

混合式高压直流断路器分断操作是体现断路器本质特征的核心功能。断路器分断故障大电流这一暂态过程中产生的应力是断路器电气特性研究的重点。应力分析是断路器电气、结构和试验系统设计的理论基础,其相关研究尚属空白,需要进行全面详细的解析。该文首先在断路器拓扑结构和分断运行分析的基础上研究混合式高压直流断路器毫秒级分断全过程和微秒级换流过程相关应力特性,并论述两种时间维度暂态过程之间的联系。然后,建立的断路器PSCAD/EMTDC器件级运行数字仿真电路验证毫秒级分断过程和微秒级换流过程相关应力特性及其影响因子。最后,实施的200kV断路器整机,100kV、50kV断路器单元以及单一电力电子模块分断试验结果验证仿真电路和数学分析的准确性。该文结果可指导IGBT串联阀混合式高压直流断路器电气结构和试验系统的设计。

混合式断路器的IGBT串联均压技术

作为混合式断路器中电力电子换流装置的主要器件——绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)单个器件容量的不足限制了其在电力系统领域的应用。对混合式断路器的拓扑结构及工作原理进行了介绍,对影响串联IGBT均压的因素进行了机理研究和实验分析,提出了一种闭环控制均压电路。仿真结果表明,该电路能较好实现串联IGBT动态均压,具有可快速连续控制,损耗小、成本低、易安装等特点。

串联IGBT的一种复合均压方法

针对IGBT串联应用时的集射极电压均衡问题,提出并研究了一种门极平衡核与无源RCD缓冲电路相结合的复合均压方案。分析了门极平衡核的均压原理,借助门极驱动等效电路模型,导出了门极平衡核的参数设计方法。在IGBT门极与发射极之间引入瞬态电压抑制器,有效减缓了平衡核变压器的漏感与IGBT输入电容引发的门极信号振荡幅度,同时有效保护了IGBT门极过电压。建立了复合均压方案的仿真与实验系统,实验结果表明,复合均压方案对由于IGBT特性参数差异和门极驱动信号不同步而引起的IGBT集射极电压不均问题具有显著的平衡效果。

混合式直流断路器IGBT关断能力提升技术研究

混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根据直流断路器IGBT的特殊工作条件和电气应力,分析影响IGBT关断能力提升的影响因素,分别从降低IGBT导通损耗、关断损耗和抑制IGBT关断过电压等3个方面提升IGBT的可关断电流能力。文中首先仿真不同回路参数对IGBT损耗的影响,通过优化IGBT退饱和能力和关断过程暂态特性,降低关断损耗,最终完成IGBT结温仿真校核。同时通过研究IGBT关断过电压的影响因素,仿真不同回路参数对IGBT过电压的影响,提出抑制IGBT的关断暂态过电压的具体方法。研制50 kV转移支路阀组,搭建试验平台,完成26 kA的大电流开断,IGBT稳态损耗和暂态损耗都得到有效控制,相关技术和研制设备已经应用张北工程±535 kV混合式高压直流断路器项目,具有十分重要的工程意义。

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其应用研究

综述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在门极优化控制策略、集成驱动设计、热电耦合损耗模型、芯片尺寸配比优化和混合功率模块研制等方面的最新研究成果与进展。Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结合了SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力和低成本优势,已有文献的最新研究和实验结果验证了该类器件的优异特性,表明其对高性能电力电子器件实现更高电流容量、更高开关频率和较低成本具有重要意义,是高性能变换器应用中非常有潜力的功率器件类型。

考虑温度影响的混合型SiC IGBT变参数暂态电热耦合模型建立与分析

SiC IGBT器件以其优良的性能更适合高压大电流应用场合,然而受现有制作工艺限制,其未能实现大规模投产,相比之下混合型SiC IGBT目前能更好地实现效率和成本的最优化。为研究混合型SiC IGBT的性能,提出一种基于Saber的考虑温度影响的变参数暂态电热耦合模型建立方法。首先对器件不同参数的温度敏感度进行分析,得到各温敏参数的温度特性。然后从理论角度分析结温变化对混合型SiC IGBT暂态过程dUCE/dt、dIC/dt的影响规律,减少了数学拟合方法额外参数的引入。基于分析建立仿真模型,并搭建实物平台,在不同初始环境温度条件下,随着混合型SiC IGBT器件工作时间的增加,对暂态特性的变化规律和结温升高规律进行测试。最后将建立的变参数暂态电热耦合模型仿真结果与实物结果进行对比,二者具有较高的吻合度,验证了所提建模方法的准确性,为实际工程应用混合型SiC IGBT时的动态性能分析、温度变化规律提供了参考依据。

1700 V/1600 A SiC混合IGBT应用研究

SiC功率器件具有高频、高效率、耐高温、抗辐射等优势,介绍了目前SiC功率器件应用情况,阐述了SiC-JBS以及SiC混合IGBT的特性,分析了应用于1 700 V混合IGBT的驱动技术,完成了SiC混合IGBT模块功率试验研究。

基于IGBT混联闭环控制策略的无弧智能直流接触器

针对机械开关分断电弧造成的触头烧损问题,提出一种基于IGBT混联闭环控制策略的无弧智能直流接触器。以单管IGBT混联的方式,实现直流接触器无弧分断,同时规避了采用IGBT模块体积大、成本高的缺陷。在相应的缓冲电路基础上,辅以静态均流闭环控制策略,解决了IGBT混联造成的串联不均压和并联不均流问题,实现了IGBT的高效利用,保证触头可靠无弧分断和系统的安全稳定性。在此基础上,通过理论分析得到了缓冲电路参数的相关约束方程,为电路优化提供理论依据,进一步减小了控制模块的成本和体积。实验结果证明所提控制方案简单有效,并具备良好的通用性。

1700V/1600A高性能SiC混合IGBT功率模块的研制

设计并封装了一款1 700 V/1 600 A Si C混合IGBT功率模块,对模块进行了常规电学特性测试,并与全Si功率模块进行了比较。由于Si C肖特基二极管优异的反向恢复特性,使得模块的开关性能得到明显提升,有效降低了模块的能量损耗。通过优化模块结构及栅极串联电阻,进一步降低了模块的开关损耗,使Si C混合模块比全Si IGBT模块具有更加优越的性能。

直流微网混合式断路器IGBT串联均压特性

混合式断路器在直流微网应用中将多个绝缘栅双极晶体管(insulated gatebipolar transistor,IGBT)串联以承受关断过电压,为此对IGBT串联动态均压特性展开探讨。首先,分析了IGBT串联动态不均压原因及电阻、电容、二极管(RCD)无源缓冲均压电路工作原理;其次,通过仿真分析不同RCD电路参数对均压特性、IGBT关断损耗及过电压、二极管反向电压的影响;最后,搭建容量为1.2 kA/2.4 kV的IGBT串联开断单元,以500 ns关断时间差、600 A短路电流为实验条件,进行开断验证。研究结果表明:缓冲电容在一定范围内越大,IGBT的过电压、关断损耗、不均压程度越小,但过大的电容值对3者减小的作用有限;缓冲电阻在一定范围内越大,避雷器关断后,电路阻尼振荡的抑制效果越好,但二极管承受的反向电压会增大;结合仿真和实验,提出缓冲电容2~3μF,缓冲电阻2Ω的最佳电路参数,并在此基础上给出二极管选型原则。该文通过研究获得的RCD无源缓冲电路均压特性,可为工程应用提供一定技术参考。

轨道交通混合SiC IGBT器件与Si IGBT器件应用对比研究

混合SiC IGBT采用SiC肖特基二极管替换传统IGBT器件中的反并联二极管,可以减少二极管反向恢复损耗和IGBT开通损耗,相对于传统的Si IGBT器件,其性能大幅提升,相比于高压大功率全SiC器件,混合SiC IGBT在成本和技术成熟度方面具有较大优势。文章根据混合SiC IGBT器件特性开发了符合混合SiC IGBT器件应用需求的低换流回路杂散电感的变流器模块,研究了换流回路杂散电感对混合SiCIGBT开关特性的影响。试验结果表明:变流模块杂散电感对混合SiC IGBT开通振荡电压幅值与持续时间具有较大的影响;使用混合SiC IGBT器件比使用Si IGBT器件可以降低约25%的系统损耗。

混合式高压直流断路器用IGBT功能模型

混合式高压直流断路器是保障柔性直流电网可靠性的关键装备,其中,绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)是实现断路器分断功能的核心器件,因此其需要具备短时分断超大电流及耐受严苛电压电流应力的能力。为此,建立了一种适用于混合式直流断路器应用工况的IGBT大电流关断功能模型。依据IGBT关断时的外部电压电流特性,研究了关断暂态的电流变化数学规律,以此为基础对PSCAD中的通用IGBT模型进行二次开发,建立了能够反映IGBT关断暂态过程器件电气应力的功能模型。利用所提模型在PSCAD中搭建二极管桥式子模块仿真模型并进行了不同电流等级下的仿真计算,同时搭建了测试试验平台,对提出的功能模型进行试验验证。对比试验结果和仿真结果可以发现:关断暂态电流偏差和尖峰电压偏差均控制在10%以内,证明了所建模型的准确性和有效性。另外,将IGBT功能模型嵌入到混合式高压直流断路器整机仿真电路中,仿真结果较好地反映了断路器ms级的分断过程和μs级的换流过程。研究结果为混合式高压直流断路器的整机精细化建模提供了更为准确的IGBT仿真模型,具有一定的工程实用价值。

SiC混合IGBT器件应用研究

Si C功率器件具有高频、高效率、高功率、耐高温、抗辐射等优点。文章介绍了目前Si C功率器件应用情况,阐述了Si C pn结肖特基势垒(JBS)、Si C-MOSFET以及Si C混合IGBT的特性,分析了应用于1 700 V Si C混合IGBT的可编程驱动技术;最后简述了Si C模块功率试验情况。

Key stress extraction and equivalent test method for hybrid DC circuit breaker

Firstly, relevant stress properties of millisecond level breaking process and microsecond level commutation process of hybrid HVDC circuit breaker are studied in detail on the basis of the analysis for the application environment and topological structure and operating principles of hybrid circuit breakers, and key stress parameters in transient state process of two time dimensions are extracted. The established digital simulation circuit for PSCAD/EMTDC device-level operation of the circuit breaker has verified the stress properties of millisecond level breaking process and microsecond level commutation process. Then, equivalent test method, circuits and parameters based on LC power supply are proposed on the basis of stress extraction. Finally, the results of implemented breaking tests for complete 200 kV circuit breaker, 100 kV and 50 kV circuit breaker units, as well as single power electronic module have verified the accuracy of the simulation circuit and mathematical analysis. The result of this paper can be a guide to electrical structure and test system design of hybrid HVDC circuit breaker.

新型通用混合型直流断路器用IGBT测试平台及测试分析

混合型直流断路器用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件在应用时不仅要保证其安全可靠,又要充分挖掘其能力,尤其是关断能力。然而,目前关于该应用工况下的IGBT器件特性研究尚不完善,尤其是其大电流下的关断特性,因此需要通过搭建测试平台测试IGBT器件的极限能力,包括极限关断能力、重合闸关断能力等。该文从混合型直流断路器的角度提出一种普遍适用的IGBT器件电气应力测试电路。首先,分析总结不同断路器拓扑和工况下的IGBT器件电气应力共性。基于此,提出新型通用混合型直流断路器用IGBT器件测试电路拓扑,该测试电路在电路参数调节上具有较大的灵活性,能够满足直流断路器各类工况下的不同测试和分析需求,并搭建相应测试平台。进一步地,对测试平台建立考虑寄生参数和特殊部件参数的简化模型,进而分析测试的各个阶段,得到被测IGBT器件电气应力满足的解析式。实验结果验证了测试电路的有效性以及测试电气应力易于调整的特点。该文提出的测试电路拓扑、测试电气应力分析和调整方法能够广泛地应用在断路器用IGBT器件考核和研发测试等方面。