大功率IGBT功率模块并联特性研究

发布时间：2020-09-30 18:14

　　绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)结合了MOSFET与GTR的长处,形成了自身开关速度快、驱动功率小以及通流能力强的优良特性。在电气节能、新能源发电、电力牵引、智能电网以及军工装备等领域都得到了极为广泛的应用。然而,单个器件的功率处理能力还不能满足日益增长的大容量电力电子装置对电能处理能力的需求以及特定封装的功率模块不存在,所以,在提高单个器件功率处理能力的基础上,以并联为重要内容的器件组合技术,在很长时间内都是很重要的发展方向,并且从可靠性、可用性以及应用需求的角度,器件组合技术应该是今后大容量电力电子技术和应用的重要技术方向。同时,IGBT模块的并联应用在增大变流器输出电流的同时,还可以增加装置的功率密度、均衡并联模块间的温度分布、优化变流器的内部布局,提高装置的性价比。然而,由于半导体器件自身参数的离散性、驱动与主功率回路的不合理设计、温度不一致等不利因素的存在。并联的IGBT模块间的电流往往会不均衡分配,这就使得变流器的输出电流必须要降额使用。降额系数通常不能被准确定量,而是根据设计和使用的最差工况作出的假设,这种假定明显不符合产品真实的运行情况。通常,为了保证产品长期工作的可靠性,工程师一般会较高的估计IGBT的降额系数,这种行为导致的直接影响就是增加了产品的设计成本和客户的使用成本。同时,电流的失配会使单个模块过载,不仅增大了器件损坏的可能性,还降低了整个系统的可靠性。因此,分析研究静动态不均流的原因,然后寻求电流均衡分配的方法,并分析并联应用时的电热特性就显得十分必要。本文首先分析了IGBT的结构组成及特性原理。其次,针对静动态不均流的原因,从静态不均流和动态不均流两个方面进行了详尽的理论分析及仿真与实验验证。然后,针对静动态不均流的原因,在阐述已有的降额法、串加阻抗法的基础上,提出了采用耦合电感均流和主动门极控制的方法,并进行了理论推导与实验验证,表明了所提方法的可用性。最后,在ANSYS Icepak软件中构建了IGBT模块的三维有限元电热仿真模型,在分析单模块电热特性的基础上,构建了并联IGBT模块的电热仿真模型,从仿真结果出发分析了并联应用的相关特点,为工程应用中提高模块与系统的可靠性提供了可行的参考。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN322.8
【部分图文】：

波形,波形,均衡分配,静动态

特意进行了实验验证，实验中选取的均流电感的电感值为 5μH，实验所用装置见图 3-19。实验所得的波形，见图4-3，从图中可以看出，未加均流电感时，两个管子的电流在静态和动态均不相同，而且差异较大，总体上看，并联效果较差。串加均流电感后，动态电流几乎完全一致，静态电流的一致性也得到了大幅度提高。实验结果表明，串加电感可以提高并联模块的电流均衡程度。但是，加入电感后，器件的开关速度稍有下降，这是最为不利的方面。4.5 外加耦合电感法（Method of Coupled Inductor）本文提出一种新型的并联 IGBT 模块间静动态电流均衡分配方法，就是将耦合电感应用在并联 IGBT 模块的主回路中，实现电流的静动态均衡分配。电流均

IGBT模块,芯片结构,热击穿,散热系统

硕士学位论文。一旦 PN 结的反向电压升高，反向电流就会立即增加，升，结温升高又反作用于电流，导致反向电流增大，此时量及时的带出系统，结温和电流都会上升，呈现一种恶性被击穿，此种击穿源于热效应，故又称热击穿。也可以热失效的机理，就是产生的热量与耗散的热量间的动态平产热功率大于散热系统的最大功率耗散，见式(5-30)，式，PS为散热系统最大的功率耗散，则 IGBT 的结温将会以导致 IGBT 热击穿[86]。f SP Pt t

【参考文献】