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一种IGBT并联模块用交流母排的设计方法

作者:海飞乐技术 时间:2019-12-13 10:39

  将多个IGBT模块并联以提升电流容量的设计方案广泛应用于风电变流器、光伏逆变器、电动汽车电机控制器等领域。若均流效果不好,则会造成流过较大电流的IGBT器件加速老化,甚至使设备损坏。影响均流效果的因素包括:IGBT器件参数差异性、IGBT驱动器参数差异性、IGBT支路杂散参数的差异性等。为了解决均流问题,采取的常见方法有:①并联模块选用同一批次IGBT器件;②驱动器定制化设计;③交、直流母排采用对称结构设计等。
  在此研究当直流母排结构非对称且己经固定的前提下,如何通过调整交流母排结构改善并联模块的均流性能。建立了包含交、直流母排杂散电感的并联模块等效电路模型,给出了交流母排设计方法。以该设计方法为指导,给某车用电机控制器W相IGBT并联模块设计了一款交流母排,实验结果证明了该设计方法的有效性。
 
1. 交流母排设计方法
1.1 IGBT并联模块均流性能等效电路分析
  交、直流母排一般由导电良好的金属导体制成,其汇流点到IGBT端子的阻抗一般是几十至几百微欧。由于电阻值太小,对并联模块均流特性影响可以忽略,因此仅考虑交、直流母排的杂散电感参数对均流特性的影响。
  建立一个包含交、直流母排杂散电感的并联模块等效电路模型,如图1a所示。该并联模块由两个IGBT模块并联而成。其中,L1dc+为直流母排正极汇流点到IGBT1的杂散电感;L2dc+为直流母排正极汇流点到IGBT2的杂散电感;M1为L1dc+,L2dc+支路之间的互感;L1ac为交流母排汇流点到IGBT1的杂散电感;L2ac为交流母排汇流点到IGBT2的杂散电感;M2为L1dc,L2dc支路之间互感;Ligbt为IGBT器件内部寄生电感,由于2个IGBT模块空间距离
较远,互感影响可以忽略。由图1a可知,P,O两点之间的电路定义为IGBT并联支路,其杂散电感决定了并联模块的均流性能。
  当IGBT导通时,P,O两点之间杂散电感承担的电压为:

计算公式1 
  2个IGBT导通压降可以认为相等,因此认为2个IGBT支路上杂散电感承担的电压也相等。通常情况下,M1+M2显著小于L1dc+Ligbt+L1ac和L2dc+Ligbt+L2ac,i1与i2数值相差不超过10%(i1+i2)。为了分析方便,式(1)可以简化为:
计算公式2 
  功率组件的等效电路由图1a简化为图1b。由式(2)可推得并联模块电流不均流度计算公式为:
计算公式3 
一种IGBT并联模块用交流母排的设计方法 
图1 功率组件等效电路模型
 
  由式(3)可知,L1与L2数值越接近,并联模块均流效果越好。由L1与L2定义式可知,只要保证L1dc+L1ac与L2dc+L2ac数值接近,则可保证均流效果。反映到实际物理现象,则是并联模块的各个IGBT支路上直流母排杂散电感和交流母排杂散电感之和越接近越好。
 
1.2 直流母排杂散电感计算
  在实际应用中,并联模块中的各个IGBT以多连接点的形式分别和直流母排连接,造成实际产品中直流母排汇流点到各个IGBT的杂散电感难以保证一致,且直流母排一般体积较大,结构不易调整。与直流母排相比,交流母排结构简单,方便调整。因此为了保证良好的均流效果,可以先利用Q3D有限元仿真软件求得直流母排汇流点到各个IGBT的杂散电感值,然后按照与L1dc+L1ac与L2dc+L2ac数值接近的原则,调节交流母排结构,保证组件的均流效果。
  以车用电机控制器W相IGBT并联模块为研究对象,直流母排机械结构如图2所示。并联模块由2个FF600R12ME4半桥模块并联组成,其IGBT端子间杂散电感约为10nH,U,V,W三相空间布局按照自左至右顺序排开。标注正极和负极的端子为直流母排电源输入端;W1P端子连接W相并联模块第1个IGBT半桥模块的上管集电极,W1N端子连接W相并联模块第1个IGBT半桥模块的下管发射极;W2P端子连接W相并联模块第2个IGBT半桥模块的上管集电极,W2N端子连接W相并联模块第2个IGBT半桥模块的下管发射极;U,V相端子定义以此类推;直流母排内部均匀分布15只电容芯子,其正、负极分别与直流母排的正、负极连接。
直流母排机械结构 
图2 直流母排机械结构
 
  直流母排电源输入端在实际应用中通过一段电缆和外电源连接,在IGBT正常开关频率范围,该段电缆的阻抗远大于直流母排上电容到IGBT连接端子的阻抗。因此在正常工作时,电容作为直流母排汇流点向IGBT提供瞬态开通电流。简化分析,将15只电容等效成一只电容,W相IGBT并联模块等效电路可用图3表示。
功率组件W相等效电路 
图3 功率组件W相等效电路
  利用Q3D有限元仿真软件对直流母排杂散电感进行仿真计算,得到电容正极到W相IGBT连接端子杂散电感如下:L1dc+=10nH,L2dc+=12.7nH,M1=3.7nH。以下利用Q3D仿真软件计算得到的杂散电感均在2MHz频率下,为IGBT开通上升时间的倒数。
  由第1.1节分析可知,若电容正极到各IGBT的杂散电感不一致,可以按照L1与L2数值接近的原则设计交流母排。为了验证此方法的有效性,重新设计了一款交流母排,通过对比新旧两种交流母排方案下L1与L2的差值及并联模块不均流度,证明该设计方法的有效性。
 
1.3 交流母排设计
  交流母排分为两种:①原先已经应用的交流母排,记为a结构交流母排;②新设计的母排,记为b结构交流母排,如图4所示。
交流母排结构 
图4 交流母排结构
 
  a结构交流母排 利用Q3D仿真软件计算交流汇流点到各个IGBT的杂散电感。计算结果如下:L1dc=28.5nH,L2dc=32.8nH,M2=27.5nH,L1ac<L2ac,这是因为电流从IGBT1流向交流汇流点的过程中,电流方向出现了逆向,这段逆向电流削弱了IGBT1电流产生的磁通,故电感较小。
  b结构交流母排 利用Q3D仿真软件计算交流汇流点到各个IGBT的杂散电感。计算结果如下:L1ac=30.3nH,L2ac=25.7nH,M2=27.5nH。L2ac值较小,这是因为电流从IGBT2流向交流母排汇流点的过程中,电流方向出现了逆向,这段逆向电流削弱了IGBT2电流产生的磁通,故电感较小。
  将a,b母排杂散电感的计算结果以及Ligbt代入L1,L2的表达式及式(3),解得IGBT并联支路综合电感及电流不均流度,如表1所示,其中Δ为电感差值。
表1 ΔL及ε%对比
ΔL及ε%对比 
  通过表1数据可知,采用新母排方案可以显著降低IGBT支路杂散电感的差值,改善功率组件的均流性能。
 
2. 实验
  利用双脉冲斩波实验验证上述两种交流母排方案下并联模块的均流性能。电路主要参数如下:电源为400V;负载电感为13μH;IGBT型号为FF600R12ME4。双脉冲实验电路如图5所示,实验波形如图6所示,由于实验环境限制,无法直接测量IGBT电流,实际测量IGBT交流输出电流,其中电流上升阶段代表流过IGBT的电流。从实验电流波形来看,a结构交流母排ε%=4.5%,计算值为4.2%;b结构交流母排计算值为1.2%。由实验结果可见,根据直流母排杂散电感参数,合理设计交流母排结构,可以改善并联模块的均流效果。I1为i1峰值的90%,I2为i2峰值的90%。
双脉冲实验电路 
图5 双脉冲实验电路
实验波形 
图6 实验波形
 
3. 结论
  给出了通过调整交流母排结构改善均流效果的方法,借助Q3D有限元仿真软件设计了一款交流母排,仿真计算和电路实验都确认了该设计方法的有效性。




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