大功率IGBT电流型闭环有源门极驱动关键技术研究

发布时间：2020-04-09 05:04

【摘要】：为了应对能源危机和生态环境恶化等问题,世界各国大力发展可再生能源发电、新能源汽车、高压直流输电等新兴应用,促进了大功率电力电子变流装置的广泛应用。大功率变流装置的可靠性对这些应用而言十分重要。装置的可靠性与其核心器件大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)密切相关,而器件的可靠性与其开关瞬态的电气应力和损耗密切相关,开关应力控制与损耗优化主要依赖于门极驱动技术。随着IGBT制造工艺的发展,传统门极驱动方法对器件开关瞬态的电气应力控制效果较差,器件应力和开关损耗存在折中,无法满足器件高可靠性的要求,有源门极驱动技术受到广泛关注。本文针对适合大功率IGBT模块的有源门极驱动技术进行深入研究和探讨。文章首先对IGBT开关瞬态的电气应力与损耗进行分析,探索优化的门极驱动方式。在此基础上,提出了一种基于高速反馈的电流型闭环有源门极驱动(active current source gate drive,ACSD)方法,采用受门极驱动信号控制的电流源对门极进行充放电,实现快速驱动;设计了一种基于压控电流源的高速反馈电路,对di/dt和dv/dt信号进行采样、处理,在IGBT开关瞬态调节门极驱动电流,从而控制器件开关速度和开关应力。由于ACSD仅对电压上升、电流上升和下降三个阶段进行控制,对开关时间影响较小,开关损耗相比传统门极驱动大幅下降。搭建了双脉冲测试平台,对ACSD控制性能进行了实验验证,并与传统门极驱动进行对比,结果表明,ACSD开关应力控制效果显著,开关时间、损耗较小,并且在不同的集电极电流下也能较好地控制开关应力,具备软关断特性。结合ACSD反馈电路控制特性,对di/dt反馈信号进行积分来检测器件电流,进行短路保护。该短路保护方法能够快速、准确地检测短路故障,并快速关断器件,从而降低短路保护时间和短路电流峰值;由于软关断特性,器件电压应力得到控制。IGBT开关瞬态较短,集电极电压/电流上升或下降时间通常在几十纳秒到几百纳秒之间,对闭环有源门极驱动的控制带宽和稳定性要求较高。电路寄生电感、IGBT模块寄生参数以及反馈参数对闭环控制稳定性影响较大。因此,文章建立了较为准确的IGBT器件以及ACSD小信号模型,进行稳定性分析,并研究了关键参数对稳定性的影响,从而优化参数设计,提高稳定性。由于闭环有源门极驱动的控制机理,在桥臂电路中会引入额外的串扰信号。本文以ACSD为例,建立了串扰信号产生的理论模型,对桥臂电路中的串扰问题进行研究,并设计了一种串扰抑制电路,解决了闭环有源门极驱动在桥臂电路应用中的可靠性问题。器件的开关应力与负载电流和母线电压密切相关。当负载电流或母线电压很小时,应力较小,可以适当地提高器件开关速度,来降低开关损耗。因此,本文提出了一种自适应ACSD方法,反馈电阻能够跟随负载电流或母线电压变化进行智能调节,从而实现器件开关损耗的优化。搭建了满载为5kW的Buck变换器进行实验验证,结果表明,自适应ACSD方法能够优化开关损耗,变换器总体效率相比传统门极驱动在不同输出功率范围内稳定提升约0.6%。该方法适用于负载频繁切换的变换器,以及负载电流周期性变化的逆变器。
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电力电子器件,变换器,工作频率,功率

可再生能源展现出对化石能源的替代趋势，２０１７年新增发电装机中可再生能源占比达逡逑到６８％［１］，其中风能、太阳能等新能源发电近年来获得了最为显著的增长。我国《可再生逡逑能源发展“十三五”规划》提出，实现２０２０年和２０３０年非化石能源分别占一次能源消费逡逑比重１５％和２０％，太阳能光伏装机量从１．１亿千瓦增至２亿千瓦，风电装机量从２．１亿千逡逑瓦增至３．５亿千瓦的目标ｌ２Ｌ在用电领域，，推广新能源汽车等清洁能源设备来替代传统化逡逑石能源设备有利于改善生态环境，减小碳排放量，实现“巴黎协定”设定的控制未来升温逡逑幅度“低于２°Ｃ”的目标能源互联网是解决可再生能源大规模利用的一yL有效途径ＷＷ，逡逑而直流输配电系统更适合可再生能源接入，是目前的研究热点ｗ＿｜８｜？新能源发电、新能源逡逑汽车、高压直流输配电等新兴应用的快速发展，对大功率电力转换装备的效率、可靠性的逡逑要求也不断增加，而装备的可靠性与其核心器件ＩＧＢＴ的可靠性密切相关。逡逑１．１．１邋ＩＧＢＴ在大功率变流系统中的应用逡逑ＩＧＢＴ因其开关频率较高、耐压高、通流能力强等特点，广泛应用于大功率变流系统。逡逑目前的丨ＧＢＴ工业产品，最大额定电压可达６．５ｋＶ，最大额定电流可达３．６ｋＡ，适用于大部逡逑ｕ功率（Ｗ）逡逑

电压等级,功率,列车牵引,宽禁带

浙江大学博士学位论文逡逑分的工业应用场合。图１．１给出了晶闸菅、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等主要电力电子器件应用与变逡逑换器功率、工作频率的关系［９］，１ＧＢＴ模块在中大功率、中高频范围内得到广泛应用，而逡逑采用宽禁带材料ＳｉＣ的ＩＧＢＴ器件耐高压高温、拖尾电流小，能够实现高频、高效运行，逡逑从而进一步提升ＩＧＢＴ的市场竞争力。逡逑ｕ邋功率（Ｗ）逡逑＿＿＿邋）逡逑Ｉ＊＊逦邋ｔｆＭＷ逡逑｜家用电器丨，丨７０！Ｖ－＾ｐ４逡逑／＾１２００Ｖ逦列车牵引逡逑｜光伏发ｉ、＿风电逦灌画逡逑逦逦？逡逑额定电压（Ｖ）逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN322.8

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