IGBT并联关键技术和测试方法的研究

作者简介:王小红(1973-),女,安徽怀远人,硕士,高级工程师,研究方向为中高压风电变流器、SVC 和SVG 。

1引言

IGBT 并联具有高电流密度、均匀热分布、灵活布局及较高性价比等优势[1],可以提高变流器的电流等级,从而提升变流器的功率等级[2]。然而,电流回路结构是否对称,驱动信号是否一致,并联的IGBT 模块特性是否一致和温度等因素都会影响并联IGBT 模块开通、关断的一致性,从而导致并联IGBT 模块静态和动态不均流的现象。此处研究了克服上述影响因素的关键技术,为方便检测并联IGBT 之间电流不均衡的程度,根据风电变流器的检测经验,提出了一种改进型的双脉冲测试方法。通过检测并联回路交流引出点是否存在电压差,来判断并联IGBT 模块开通、关断的一致性,进而确定并联IGBT 之间电流不均衡的程度。

2IGBT 并联的关键技术

IGBT 并联需解决开通、关断时的动态均流和导通状态下的静态均流问题。此处提出了以下解决IGBT 并联时电流不均衡的关键技术。2.1结构对称性

结构对称性需注意:①系统回路等效电感尽

量小;②每个并联模块的大电流通路的路径必须相等。为减小回路杂散电感,变流器采用叠层母排的结构,该结构不仅杂散电感小,而且还具有低阻抗、低瞬间压降、抑制振荡、减少电磁干扰等优点。为了使并联模块的大电流路径相等,每个直流电压支撑电容的两个端子与叠层母排的两个固定点的方向,要与并联IGBT 与叠层母排的固定点的方向一致(平行),而不是垂直;从而保证了并联的两个IGBT 的任意一个同名端子距离直流支撑电容的正极或负极的等效距离相等。2.2驱动信号的一致性

驱动信号的一致性对IGBT 并联的动态和静态均流的影响非常大,该一致性包括时间和电压的一致性。采用某IGBT 驱动装置:单个驱动核驱动两个并联适配板的试验方法。对应两个并联IGBT 的适配板的放大电路具有来自驱动核同源输入信号,并联IGBT 可得到具有良好同步性的驱动信号。驱动信号出现1μs 左右的时间偏差是可以接受的[3],经测试,变流器驱动信号的时间偏差可控制在50ns 内,门极电压偏差可控制在50mV 内。2.3并联IGBT 的选择

在选择并联IGBT 模块时,应选择具有正温度系数的同批同型号IGBT 模块,保证器件参数的一致性,更好地实现电流回路的均匀分布。由于IGBT 的饱和导通压降和其体内二极管的正向导

IGBT 并联关键技术和测试方法的研究

王小红1,李世存2,梁帅奇1,田安民1

(1.国电南瑞科技股份有限公司,江苏南京

211000;2.南京南瑞集团,江苏南京211000)

摘要:随着兆瓦级变流器需求的与日俱增,IGBT 并联方案目前已广泛应用在实际工程中。此处通过基于IGBT 并联的风电变流器分析了IGBT 并联的关键技术,介绍了一种改进型的双脉冲测试方法,来检测基于IGBT 并联的风电变流器的各项性能。该方法操作简单且方便可靠,已经应用于风电变流器出厂前的批量测试。关键词:变流器;并联方案;双脉冲测试中图分类号:TM46

文献标识码:A

文章编号:1000-100X (2014)10-0045-03

Research on Key Technology and Test Method of Parallel 鄄connected IGBT

WANG Xiao ⁃hong 1,LI Shi ⁃cun 2,LIANG Shuai ⁃qi 1,TIAN An ⁃min 1

(1.NARI Technology Co .Ltd .,Nanjing 211000,China )

Abstract :With the growing demand of mega watt converter ,the scheme of parallel ⁃connected IGBT has been widely

used in practical engineering.The key technology of parallel ⁃connected IGBT is analyzed according to the wind ⁃power converter based on parallel ⁃connected IGBT.A modified double ⁃pulse test method is introduced which is used to de ⁃

tect the performances of wind ⁃power converter based on parallel ⁃connected IGBT.The method which has been applied to detect the wind ⁃power converter before delivery is simple and reliable.Keywords :converter ;parallel ⁃connected scheme ;double ⁃pulse test

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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,并联IGBT模块要安装在相同的散热器上,尽可能地靠近以降低冷却的差异,获得最佳的热耦合,达到良好的热平衡状态[4]。此外,并联IGBT的散热膏厚度应尽可能的均匀、一致。3改进型IGBT并联双脉冲测试

3.1改进型双脉冲测试的基本原理

采用上述关键技术后,可实现并联IGBT动态和静态均流。但由于变流器的加工安装误差及适配板分立器件不可能完全一致等因素,尤其是同型号IGBT模块之间也有一定差异,不可避免的导致并联IGBT开通和关断不完全一致。因此采用IGBT并联方案的风电变流器在出厂前,须对其并联IGBT的开通和关断的一致性进行测试。

若采用全功率测试方法不仅浪费时间,而且消耗能源。因此,通常采用双脉冲测试方法。常规的双脉冲测试原理:图1中的A,B点(并联回路交流引出点)用母排连接,测试V2和V4时,只采用一个电感将A,B点与正极相连,并用两个交流探头检测V2和V4发射极电流,监视两个并联IGBT动态和静态电流的一致性。然而,已经安装好的变流器功率单元,叠层母排与IGBT模块的正负极紧靠在一起,无法用常规的交流探头测试。而且由于A,B点短接,故无法分别检测两个并联I GBT集射极电压u ce的变化情况。因此,提出了一种改进型双脉冲测试方法,该方法通过检测A,B点电压差来判断并联IGBT模块开通、关断的一致性。

图1为基于IGBT并联的风电变流器模块的双脉冲测试原理框图。A,B点用母排短接后,每个桥臂就相当于两个IGBT并联。触发脉冲经过驱动核的光电转换和电气隔离,再经过适配板开通关断上下两个桥臂的IGBT。由于两个并联IGBT 的适配板放大电路的输入信号完全一样,从而保证了并联IGBT的驱动信号的一致性。

在改进型双脉冲测试方法中,将A,B点断开,当测试下桥臂的两个并联IGBT时,分别将等值电感L1和L2并联在直流母排的正极与A,B点之间。只需用高压探头监视A,B点之间的电压差,来检测并联IGBT的动、静态特性的一致性。因此,若并联IGBT开关不一致,造成动态和静态的特性不一致,则A,B点之间一定存在电压差。

3.2改进型双脉冲测试的意义

与常规的双脉冲测试相比,改进型双脉冲测试具有以下特点:①便于观测每个并联IGBT的变化情况:电压尖峰是否合适,开关过程是否有较大的振荡;并通过对比,分别评价每个IGBT开通关断时的安全程度[5];②通过测量并联IGBT交流引出点之间的电压差,检测并联IGBT模块的开关一

致性情况。

3.3改进型双脉冲测试平台

根据风电变流器的测试流程,采用改进型双脉冲测试方法测试并联IGBT模块的开关一致性。测试平台为变流器的一个功率单元,由两个Prime Pack封装的FF1000R17IE4[6]型IGBT,3个400μF/ 1100V的电容、叠层母排、自制的24μH空心电感L1和L2及IGBT驱动装置(包括驱动核和适配板)组成。测试仪器包括一台4通道高带宽示波器、两个P5210A型泰克高压差分电压探头、两个CWT15B型罗氏线圈电流探头。

测试平台的被测对象均为两并联IGBT模块的下管V2和V4,此时两个交流输出端处于断开状态。双脉冲触发脉冲只提供给V2和V4,对应的上管V1和V3处于关断状态,负载电感L1和L2分别并联在IGBT模块1上管V1和IGBT模块2的上管V3的两端。

脉冲触发监视装置发出双脉冲触发信号,两个脉冲的宽度均为10μs(可调),脉冲间隔100μs (可调)。通过光纤将驱动信号发送到驱动核,然后再到适配板。

图1双脉冲测试原理框图

Fig.1Principle diagram of double⁃pulse

test

463.4测试波形及其分析

图2a示出两并联IGBT模块下管V2,V4的集射极电压u ceV2和u ceV4及L1,L2的电流i L1和i L2的波形,图2b为图2a在t3时刻的展开图。

如图2a所示,在t0时刻,V2和V4同时收到第一个触发脉冲,同时开通,直流母线电压U dc加在L1和L2上,i L1和i L2线性上升,其变化率由U dc,L1和L2决定。当U dc,L1和L2确定时,关断时i L1和i L2的大小与t1成正比,时间越长,电流越大,故可调整脉宽来设置电流的大小。

在t1时刻,V2和V4同时关断,i L1和i L2由对应的IGBT模块上管V1和V3的二极管续流。从t1~ t2,回路中等效电阻消耗能量,电流缓慢减小。由于直流母排存在一定杂散电感,电流的减小在杂散电感上的压降方向与直流母排的电压方向一致,因此u ceV2和u ceV4会产生一个电压尖峰。

在t2时刻,V2和V4同时收到第2个触发脉冲,再次开通。V1和V3的续流二极管进入反向恢复阶段,反向恢复电流同对应的电感电流一起分别穿过V2和V4。

在t3时刻,V2和V4同时关断,此时电流较大,由于测试系统和IGBT模块自身存在一定的杂散电感,u ceV2和u ceV4产生一个电压尖峰。

由图2a,b可知,u ceV2,u ceV4和i L1,i L2保持良好的一致性,说明两个IGBT模块下管的开通和关断基本一致,但将t3时刻的波形展开后,V2和V4在t3关断时刻还是存在一定的差异。

此处为了更直观地观测,用一个高压探头测量A,B点之间的电压u AB波形,如图2c所示。其的波形反映了两个IGBT模块下管关断过程的不一致性:宽度约为200ns,电压峰值约为25V,稳态时电压差约为20mV。

综上所述,针对基于并联的风电变流器的功率单元,利用改进型的双脉冲测试平台,通过测量两个交流输出端之间的波形,可方便、直观地检测出并联IGBT的开通和关断的一致性。为风电变流器的出厂测试提供了一个简单、快捷的测试方法。

图2c中u AB的脉冲宽度表明了在某时间段内(IGBT的开通或关断过程),一个IGBT流过的电流会大于另一个IGBT,脉冲幅值越大,电流差值会越大。u AB稳态时的电压表明了IGBT的饱和导通压降(IGBT导通时)和与之相连的IGBT的体内二极管的导通压降(IGBT截止二极管续流时)都具有正温度特性,因此允许有一定差异。

针对IGBT并联的变流器,可根据实际应用设定一个标准,当测得图2c中的波形参数不能满足这个标准时,即可认定该变流器功率单元属于不合格产品。

4总结

介绍了IGBT并联的关键技术和应用于IGBT 并联测试的改进型双脉冲测试方法的原理及其意义。根据试验波形和实际应用经验,采用改进型双脉冲测试可以非常直观地检测并联IGBT模块开通、关断的一致性情况。该方法操作简单且方便可靠,已经应用于风电变流器出厂前的批量测试,大大提高了检测效率。

参考文献

[1]赵振波,梁知宏.IGBT并联设计参考[J].变频器世界, 2008,12(12):73-77.

[2]王宝归,曾国宏,唐建平.基于IGBT并联技术的PEBB

设计[J].变频器世界,2012,16(5):76-80. [3]陈娜,何湘宁,邓焰,等.IGBT开关特性离线测试

系统[J].中国电机工程学报,2010,47(12):50-55. [4]王雪松,赵争鸣,袁立强,等.应用于大容量变换器的IGBT并联技术[J].电工技术学报,2012,27(10):155-162.

[5]U Schlapbach.Dynamic Paralleling Problems in IGBT Mo⁃dule Contstruction and Application[A].Proceeding of the 6th International Conference on Integrated Power Elec⁃tronic Systems[C].2010:1-7.

[6]Infineon IGBT module technical information[EB/OL].http: //www.infineon.com,2013.

图2试验波形

Fig.2Experimental

waveforms

IGBT并联关键技术和测试方法的研究

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