IGBT并联[教育]

IGBT并联[教育] 基于IGBT并联技术的PEBB 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 王宝归 曾国宏 (北京交通大学 新能源研究所，北京100044) 摘 要:受电力电子器件生产制造工艺的限制，为了提高电力电子装置的功率等级，一般采用电力电子器件直接串并联或是变流单元多重化串并联的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。文章在总结绝缘栅双极晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)并联技术的基础上，设计了一个容量为250kVA的功率半导体组件(Power Electronics Building Block，PEBB)。实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，该PEBB设计合理、运行可靠、满足各项设计指标，具有很高的应用和推广价值。 关键词:串并联;绝缘栅双极晶体管;均流;功率半导体组件 中图分类号:TM921.51 文献标识码:A 文章编号: Design of PEBB Module based on IGBTs Parallel WANG Bao-gui，ZENG Guo-hong (New and Renewable Energy Research Institute, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China) Abstract:As the restrictions of power electronic devices manufacture technique, we generally adopt the method of series/parallel connection of converter cells or direct series/parallel connection of power electronic devices, if we want to enlarge power rate of power electrical equipments. This paper first generalizes the former study about parallel operation，and designs a 250kVA Power Electronic Building Block(PEBB)based on IGBTs parallel. Experimental results show that the PEBB has a rational design and reliable operation to meet the design specifications, and has a high value of the application and promotion. Key words:series/parallel; IGBT; flow equalization; PEBB0 引言 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,1,2,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。 本文首先分析了影响并联IGBT均流效果的主要因素，并得出在IGBT并联时需要遵循的原则。在此基础上，研制出一个容量为250kVA的PEBB，并对其进行实验测试。实验证明，该PEBB运行可靠，满足各项设计指标;具有成本低，结构紧凑，功率等级便于进一步扩展等优点。 1 IGBT并联运行分析 在多个IGBT并联使用时，由于驱动电路特性、器件特性和电路布局等的影响，将引起流过各并联IGBT的电流不均衡，器件可能由于过热而损坏。基于此情况，作者对影响并联IGBT均流的主要因素进行了深入分析，并得出PEBB设计时需遵循的原则。 1.1 影响并联IGBT均流的主要因素 1) IGBT和反并联二极管静态参数的影响 IGBT的饱和压降V、反并联二极管的正向压降V主要影响ce(sat)f 静态均流效果;IGBT的跨导g和栅极,发射级阈值电压V、反并联二极管的反向恢复特性(反向恢fsge_th[2,3]复时间t和反向恢复电荷Q等)主要影响动态均流效果。 rrrr 2) IGBT驱动电路参数的影响 并联IGBT的门极驱动电压V的大小主要影响并联IGBT的静态均流，而ge 门极驱动信号的变化率、门极驱动电阻R、驱动线路的布局和感抗等参数则对并联IGBT的动态均流有g,3,4,5,很大的影响。 3) 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 PEBB设计需遵循的原则 1) 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。 2) 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。 3) 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 [6]量靠近，并优化均衡散热，以提高并联IGBT的均流效果。 4) 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。 5) 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 [6,7]降呈负温度系数，因此最好对IGBT进行15,,20,的降额使用。 3 PEBB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PEBB，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。 控制板 直流电压驱动板驱动板驱动板传感器LV-1-+ T11T12T13T31T32T33T51T52T53 + C10C2C3C5C6C8C9C1C4C7T41T42T43T61T62T63T21T22T23-共模磁环 直流支撑L1L2L3L7L8L9L4L5L6电容x2 电流电流传感器x2传感器x1-+LV-2交流电压-+传感器LV-3 BAC 图1 PEBB整体结构电气图 PEBB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。 PEBB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 [7]关过程产生的过电压，而且还可以降低电磁干扰，提高PEBB的电磁兼容(EMC)性能。 控制板以TMS320F2812为核心，外围扩展了CPLD完成数字信号输入输出功能，还扩展了三片高精度16位AD转换芯片完成18路模拟输入信号的AD转换功能，另外还配备了半双工隔离RS-485串行接口、LED状态指示、DSP编程插座以及CPLD编程插座。 下面简单介绍PEBB设计中的几个主要器件参数计算与选型及IGBT驱动电路的设计。 3.1 IGBT选型 本文设计的PEBB额定容量(P)为250kVA,交流输出线电压(U)为380V，则交流输出相电流峰值(I)ABA为(以A相为例进行设计计算): P2I,，A (1)3UAB 250000 2537,，,A3380， 正常工作时，流过每个IGBT和续流二极管的电流峰值为179A(537A/3)，开关管两端承受的最大电压为840V(700V×1.2，直流电压700V)。 本文选用EUPEC公司生产的FS300R12KE3 IGBT模块。其内部包含3个半桥、6个300A/1200V的IGBT，便于并联和设计直流母排。 [8] 3.2直流支撑电容设计 对于700V的直流电压,考虑电压波动，直流支撑电容耐压值设计为1000V。 采用SVPWM调制时，直流支撑电容的纹波电流(I)计算如下: inh VV,，311,，V (2)phasepeakphasepeak,,0.7M,,,,2V22700VV，DCDC , 2383182IIMMM,，,,()cosinhout222 (3),,, 23,，，,A 3800.7188 2,式中:M――调 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 ;V――交流输出相电压峰值;V――直流电压;I――交流输出相电流。phase-peakDCOUT 根据直流电压动态响应性能的要求，在额定容量运行情况下，当变流器突加50,负载时，在电压环PI调节器调用时间间隔200us内，直流电压最大波动应小于5,，则计算直流支撑电容容值如下: 12224, CVVP,,,，，，[(15%)]50%210DCDC212224, ,,,，，，C[700700(15%)]50%2500002102 CuF,1000 (4) 本文直流支撑电容选用2个750uF/1000V电容并联，每个电容耐纹波电流能力为150A。 3.3 均流电感设计 因为交流侧均流电感量比较小(几个uH)，所以本文选用在交流母排上套磁环的方法设计均流电感。这种结构设计十分灵活，通过增加或减少磁环的数目就可以方便的改变电感值，以适应各种不同的工作条件。本文使用10个MAGNETICS Kool Mu 77438磁环套在交流母排上作为一个交流均流电感。 [9]3.4 IGBT驱动电路设计 对于并联工作的IGBT半桥模块，为保证其良好的均流效果，每相并联IGBT半桥模块共用一块驱动板。每块驱动板上包含一片CPLD、3个SCALE驱动模块和一些辅助电路。CPLD将一组带有死区的PWM输入信号经过处理后变成3组PWM信号以驱动3个并联的IGBT半桥模块。SCALE模块选用双通道驱动模块CONCEPT 2SD106A，它所具有的故障反馈功能，保证了驱动电路的可靠性与IGBT并联运行的安全性。 4.试验结果及分析 为测试硬件电路设计的正确性和控制系统工作的可靠性及PEBB在大容量工作下的稳定性，作者搭建了无功并网实验平台，实验电路如图2所示。 预充电接触器K2 预充电电阻 风扇交流断路FAN器Q1压敏电LCL 滤波阻UA+BPEBBV-CW +15V+15VMMMM-15V-15V交流接触器 K1Uab电压Ubc电压传感器传感器 图2无功并网实验电路图 PEBB三相电流(Ia、Ib、Ic)及BC相电压(Ubc)如图3所示，三相电流相位互差120?，电流峰值535A，谐波含量少、波形呈明显的正弦曲线;Ib相位超前Ubc相位60?，由相电压与线电压相位关系得，Ib相位超前Ub相位90?，为无功并网实验，运行容量250kVA。 IaIbIc U/V(500V/div)I/A(200A/div) Ubct/ms(5ms/div) 图3无功并网实验波形 无功并网实验表明，PEBB硬件系统设计合理、控制系统运行正常、系统重要部件温升均符合工作要求，PEBB可以长期稳定地运行在250kVA容量下。 5.结语 本文在理论研究的基础上，研制出一个额定容量为250kVA的PEBB。它将中间支撑电容、传感器、IGBT、驱动单元、散热装置和控制系统等变流器所需的重要器件集为一体，具有功能独立、结构紧凑、性价比高、功率等级便于进一步提高等优点。实验结果表明该PEBB设计合理、运行可靠、满足各项设计指标、具有很高的应用和推广价值。 本文作者创新点:本文在PEBB设计过程中，引入了数项创新技术。例如，采用均流电感法提高并联IGBT的动态均流效果，且均流电感采用套磁环的方法设计;正负母排采用复合母排法设计，大大降低了电路中的杂散电感;实验方法采用无功并网法，在保证实验可靠、有效的情况，大大简化了实验平台，节约了实验费用。 参考文献: [1]蒋力，傅鹏，李军. 串联IGBT在加速极电源模块中的应用[J]. 微计算机信息，2009，3-1:133-134. 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