文章列表
聯系我們 產品咨詢

聯系人:吳海麗
電話:0755-2349 0212
手機:157-1205-5037
郵箱:tel-sherry@foxmail.com
地址:廣東省深圳市龍華新區民治街道向南四區松花大廈
點擊這里給我發消息

一種IGBT并聯模塊用交流母排的設計方法

作者:海飛樂技術 時間:2019-12-13 10:39

  將多個IGBT模塊并聯以提升電流容量的設計方案廣泛應用于風電變流器、光伏逆變器、電動汽車電機控制器等領域。若均流效果不好,則會造成流過較大電流的IGBT器件加速老化,甚至使設備損壞。影響均流效果的因素包括:IGBT器件參數差異性、IGBT驅動器參數差異性、IGBT支路雜散參數的差異性等。為了解決均流問題,采取的常見方法有:①并聯模塊選用同一批次IGBT器件;②驅動器定制化設計;③交、直流母排采用對稱結構設計等。
  在此研究當直流母排結構非對稱且己經固定的前提下,如何通過調整交流母排結構改善并聯模塊的均流性能。建立了包含交、直流母排雜散電感的并聯模塊等效電路模型,給出了交流母排設計方法。以該設計方法為指導,給某車用電機控制器W相IGBT并聯模塊設計了一款交流母排,實驗結果證明了該設計方法的有效性。
 
1. 交流母排設計方法
1.1 IGBT并聯模塊均流性能等效電路分析
  交、直流母排一般由導電良好的金屬導體制成,其匯流點到IGBT端子的阻抗一般是幾十至幾百微歐。由于電阻值太小,對并聯模塊均流特性影響可以忽略,因此僅考慮交、直流母排的雜散電感參數對均流特性的影響。
  建立一個包含交、直流母排雜散電感的并聯模塊等效電路模型,如圖1a所示。該并聯模塊由兩個IGBT模塊并聯而成。其中,L1dc+為直流母排正極匯流點到IGBT1的雜散電感;L2dc+為直流母排正極匯流點到IGBT2的雜散電感;M1為L1dc+,L2dc+支路之間的互感;L1ac為交流母排匯流點到IGBT1的雜散電感;L2ac為交流母排匯流點到IGBT2的雜散電感;M2為L1dc,L2dc支路之間互感;Ligbt為IGBT器件內部寄生電感,由于2個IGBT模塊空間距離
較遠,互感影響可以忽略。由圖1a可知,P,O兩點之間的電路定義為IGBT并聯支路,其雜散電感決定了并聯模塊的均流性能。
  當IGBT導通時,P,O兩點之間雜散電感承擔的電壓為:

計算公式1 
  2個IGBT導通壓降可以認為相等,因此認為2個IGBT支路上雜散電感承擔的電壓也相等。通常情況下,M1+M2顯著小于L1dc+Ligbt+L1ac和L2dc+Ligbt+L2ac,i1與i2數值相差不超過10%(i1+i2)。為了分析方便,式(1)可以簡化為:
計算公式2 
  功率組件的等效電路由圖1a簡化為圖1b。由式(2)可推得并聯模塊電流不均流度計算公式為:
計算公式3 
一種IGBT并聯模塊用交流母排的設計方法 
圖1 功率組件等效電路模型
 
  由式(3)可知,L1與L2數值越接近,并聯模塊均流效果越好。由L1與L2定義式可知,只要保證L1dc+L1ac與L2dc+L2ac數值接近,則可保證均流效果。反映到實際物理現象,則是并聯模塊的各個IGBT支路上直流母排雜散電感和交流母排雜散電感之和越接近越好。
 
1.2 直流母排雜散電感計算
  在實際應用中,并聯模塊中的各個IGBT以多連接點的形式分別和直流母排連接,造成實際產品中直流母排匯流點到各個IGBT的雜散電感難以保證一致,且直流母排一般體積較大,結構不易調整。與直流母排相比,交流母排結構簡單,方便調整。因此為了保證良好的均流效果,可以先利用Q3D有限元仿真軟件求得直流母排匯流點到各個IGBT的雜散電感值,然后按照與L1dc+L1ac與L2dc+L2ac數值接近的原則,調節交流母排結構,保證組件的均流效果。
  以車用電機控制器W相IGBT并聯模塊為研究對象,直流母排機械結構如圖2所示。并聯模塊由2個FF600R12ME4半橋模塊并聯組成,其IGBT端子間雜散電感約為10nH,U,V,W三相空間布局按照自左至右順序排開。標注正極和負極的端子為直流母排電源輸入端;W1P端子連接W相并聯模塊第1個IGBT半橋模塊的上管集電極,W1N端子連接W相并聯模塊第1個IGBT半橋模塊的下管發射極;W2P端子連接W相并聯模塊第2個IGBT半橋模塊的上管集電極,W2N端子連接W相并聯模塊第2個IGBT半橋模塊的下管發射極;U,V相端子定義以此類推;直流母排內部均勻分布15只電容芯子,其正、負極分別與直流母排的正、負極連接。
直流母排機械結構 
圖2 直流母排機械結構
 
  直流母排電源輸入端在實際應用中通過一段電纜和外電源連接,在IGBT正常開關頻率范圍,該段電纜的阻抗遠大于直流母排上電容到IGBT連接端子的阻抗。因此在正常工作時,電容作為直流母排匯流點向IGBT提供瞬態開通電流。簡化分析,將15只電容等效成一只電容,W相IGBT并聯模塊等效電路可用圖3表示。
功率組件W相等效電路 
圖3 功率組件W相等效電路
  利用Q3D有限元仿真軟件對直流母排雜散電感進行仿真計算,得到電容正極到W相IGBT連接端子雜散電感如下:L1dc+=10nH,L2dc+=12.7nH,M1=3.7nH。以下利用Q3D仿真軟件計算得到的雜散電感均在2MHz頻率下,為IGBT開通上升時間的倒數。
  由第1.1節分析可知,若電容正極到各IGBT的雜散電感不一致,可以按照L1與L2數值接近的原則設計交流母排。為了驗證此方法的有效性,重新設計了一款交流母排,通過對比新舊兩種交流母排方案下L1與L2的差值及并聯模塊不均流度,證明該設計方法的有效性。
 
1.3 交流母排設計
  交流母排分為兩種:①原先已經應用的交流母排,記為a結構交流母排;②新設計的母排,記為b結構交流母排,如圖4所示。
交流母排結構 
圖4 交流母排結構
 
  a結構交流母排 利用Q3D仿真軟件計算交流匯流點到各個IGBT的雜散電感。計算結果如下:L1dc=28.5nH,L2dc=32.8nH,M2=27.5nH,L1ac<L2ac,這是因為電流從IGBT1流向交流匯流點的過程中,電流方向出現了逆向,這段逆向電流削弱了IGBT1電流產生的磁通,故電感較小。
  b結構交流母排 利用Q3D仿真軟件計算交流匯流點到各個IGBT的雜散電感。計算結果如下:L1ac=30.3nH,L2ac=25.7nH,M2=27.5nH。L2ac值較小,這是因為電流從IGBT2流向交流母排匯流點的過程中,電流方向出現了逆向,這段逆向電流削弱了IGBT2電流產生的磁通,故電感較小。
  將a,b母排雜散電感的計算結果以及Ligbt代入L1,L2的表達式及式(3),解得IGBT并聯支路綜合電感及電流不均流度,如表1所示,其中Δ為電感差值。
表1 ΔL及ε%對比
ΔL及ε%對比 
  通過表1數據可知,采用新母排方案可以顯著降低IGBT支路雜散電感的差值,改善功率組件的均流性能。
 
2. 實驗
  利用雙脈沖斬波實驗驗證上述兩種交流母排方案下并聯模塊的均流性能。電路主要參數如下:電源為400V;負載電感為13μH;IGBT型號為FF600R12ME4。雙脈沖實驗電路如圖5所示,實驗波形如圖6所示,由于實驗環境限制,無法直接測量IGBT電流,實際測量IGBT交流輸出電流,其中電流上升階段代表流過IGBT的電流。從實驗電流波形來看,a結構交流母排ε%=4.5%,計算值為4.2%;b結構交流母排計算值為1.2%。由實驗結果可見,根據直流母排雜散電感參數,合理設計交流母排結構,可以改善并聯模塊的均流效果。I1為i1峰值的90%,I2為i2峰值的90%。
雙脈沖實驗電路 
圖5 雙脈沖實驗電路
實驗波形 
圖6 實驗波形
 
3. 結論
  給出了通過調整交流母排結構改善均流效果的方法,借助Q3D有限元仿真軟件設計了一款交流母排,仿真計算和電路實驗都確認了該設計方法的有效性。




上一篇:三相逆變高壓IGBT功率模塊
下一篇:IGBT模塊結溫變化下的電磁干擾特性

毛片免费看