基于IGBT并联技术的辅助变流模块设计

中车永济电机有限公司 张 丹 牛 勇 陈 宏 陈彦肖



基于IGBT并联技术的辅助变流模块设计

中车永济电机有限公司 张 丹 牛 勇 陈 宏 陈彦肖

【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串联或是变流单元多重化串并联的方法。文章在总结IGBT并联技术的基础上，设计了一个容量为230kVA辅助变流功率模块。实验结果证明，该模块设计合理、运行可靠、满足各项设计指标。

【关键词】并联；IGBT；均流

0　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，设计研发出一个容量为230kVA的辅助变流功率模块。

1　影响IGBT并联工作的因素

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。

1.1IGBT和反并联二极管静态参数的影响

IGBT的饱和压降Vce(sat)、反并联二极管的正向压降Vf主要影响静态均流效果；IGBT的跨导gfs和栅极－发射级阈值电压Vge_th、反并联二极管的反向恢复特性（反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr等）主要影响动态均流效果。

1.2IGBT驱动电路参数的影响

并联IGBT的门极驱动电压Vge的大小主要影响并联IGBT的静态均流，而门极驱动信号的变化率、门极驱动电阻Rg、驱动线路的布局和感抗等参数则对并联IGBT的动态均流有很大的影响

1.3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。

2　辅助变流模块的主体设计

根据上述设计原则，本文设计一个额定容量为230kVA辅助变流功率模块。该模块由四象限整流和三相逆变两部分构成。在辅助控制单元ACU的控制下，辅助四象限整流电路的IGBT进行开关变化，将输入的AC401V单相交流电转换为DC750V，再通过ACU控制三相逆变电路的IGBT开关变化，将DC750V逆变为三相AC380V,逆变方式为PWM，其主电路如下图所示。从电路原理图1所知，四象限整流电路采用IGBT并联技术，所以本文重点介绍四象限整流电路是如何实现。

图1　主电路原理图

2.1IGBT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。

2.2驱动电路

如果每个IGBT分别由各自的驱动核和驱动回路实现并联驱动，不仅略显复杂，而且成本高，最重要的是不同驱动器之间的传播延时不匹配是影响动态均流的主要因素，也比较难以控制。所以通过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。

因此本文驱动板设计采用西门康SKYPER42R为驱动核，该芯片可以同时驱动3个并联的IGBT，门极两路输出，可以控制一个桥臂IGBT的开关。通过使用该芯片为驱动核，来设计合理的外围驱动电路，使其驱动四象限整流电路一个并联桥臂。

2.3对称布局

并联IGBT之间换流回路的杂散电感差异会对动态均流产生重大影响，尤其对大功率模块而言。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，因此一个有效办法是采用叠层母排结构。本文设计的辅助变流功率模块，IGBT正负间电气连接采用复合母排，交流输入采用对称铜排相连接，IGBT栅极驱动连线使用双绞线，长度相等。

2.4散热

并联IGBT之间的冷却差异会引起工作结温不同，进而影响IGBT的动态和静态特性，使电流出现不平衡。因此，设计使并联IGBT模块安装在相同的水冷基板上，位置对称并且相邻以降低冷却的差异，以获得最佳的热耦合，达到优的热平衡状态。另外，组装时还要求并联IGBT模块涂抹的导热硅脂尽可能地均压和一致。

3　试验验证

3.1驱动信号验证

为了验证驱动电路同步性，对并联IGBT模块进行低压脉冲测试，驱动导通电压15V,关断电压-7V,如下图2低压脉冲测试所示。从图中可知，并联IGBT模块的栅极电压上升时间，下降时间同步，验证了驱动电路双路输出设计一致性。

图2　低压脉冲测试

3.2高压脉冲测试

在双脉冲试验台上，给V1～V4每个IGBT的C、E端子之间接入

950Vdc左右，调整脉冲信号发生器两次脉冲宽度和可变电感负载使IGBT接通后通过的电流能够达1200A左右，然后给IGBT发送两个不连续的开通脉冲。结果如图3和4所示。

图3　V1和V2并联上桥臂脉冲测试

图4　V1和V2并联下桥臂脉冲测试

从图3所知，上桥臂单管电流为520A，负载电流1090A，经计算另一上管电流为550A,电流的不平衡率为2.8％。从图4所知，流经下桥臂的总电流为1120A，其中一下管电流测得为520A，经计算另一上管电流为550A,电流的不平衡率为2.8％。实验结果表明，电路的均流特性良好，验证主电路并联设计的合理性。

4　结语

本文在理论研究的基础上，研制出一个额定容量为230kVA的辅助变流功率模块。他将逆变电路和整流电路集为一体，具有功能独立、结构紧凑、性价比高等优点。整个产品已完成样机试制，并完成变流器满载、温升等全部联调试验，结果表明该模块设计合理、满足各项设计指标、具有高的应用和推广价值。

参考文献

[1]赵正元,谢吉华.IGBT并联特性的研究与仿真[J].电气应用,2008.

[2]孙强,王雪茹,曹跃龙.大功率IGBT模块并联使用中静态均流特性研究[J].电工技术,2004.