高速动车组变流器大功率IGBT驱动器保护电路设计

国内高速动车组牵引变流器、辅助变流器均采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为功率开关器件。理想的IGBT驱动器除了提供适当的栅极正偏压和负偏压,使高压IGBT模块可靠地开通和关断,还应具有完善的保护功能。本文提出了IGBT栅极电压保护、短路保护、di/dt保护、集电极-发射极过电压保护的方法,并利用IGBT双脉冲试验台,进行试验验证。试验结果验证了保护方法的有效性。     

牵引用3300V IGBT芯片均匀性及其对可靠性的影响

为满足轨道交通领域牵引用3300 V IGBT芯片应具有优良的栅极控制特性、较低的通态压降和较宽的安全工作区的要求,对3300 V IGBT芯片工艺进行了深入研究。在工艺控制和关键工艺改进方面采取措施,全面提升了牵引用3300 V IGBT芯片在栅极特性、电压阻断、导通特性和安全工作区等方面的表现,进而大幅度提高了芯片的可靠性。     

用于低压和高压器件的IGBT的额定过载特性

具有薄n基区和低掺杂场截止层新结构的非穿通绝缘栅双极型晶体管NPT IGBT明显降低了总损耗.特别是场截止概念与挖槽晶体管单元的结合能产生通态电压最小、开关损耗最低、载流子浓度近乎理想的器件.这种概念在600V～6.5 kV以上的IGBT和二极管中得到了发展.当折衷性能和总耐量与电压和电流额定值无关时,低压器件的开关特性与高压晶体管(VBr＞2 kV)的处理方法不同.采用HE-EMCON二极管和高达1 700 V的新型场截止NPT IGBT,几乎不受开关性能的限制,不过,需考虑的是外部栅极电阻必须取确定值.相比低压晶体管,高压器件的电流密度较低,因而高压二极管和IGBT中的"动态"电场强度更临界.     

基于电磁隔离的1.7kV IGBT驱动器

分析了IGBT驱动器应该具备的基本功能,设计了一种基于电磁隔离的IGBT驱动器,并进行了斩波与短路试验研究。试验结果表明,该驱动器驱动特性和保护性能好,能满足1.7 k V IGBT器件应用要求。     

4500 V等级IGBT智能驱动器的设计与研究

详细介绍了对于4 500 V等级IGBT驱动器的研究,该驱动器是基于FPGA的新型智能IGBT驱动,分析并介绍了智能驱动器的有源短路保护、无源短路保护、di/dt短路保护、欠压检测和保护、IGBT驱动开通与关断控制的工作原理以及智能驱动的故障管理系统。通过和传统驱动器的比较,说明了智能驱动器在IGBT保护及驱动控制策略上的优势。     

风力发电变流器的IGBT关断过电压抑制研究

IGBT关断过电压抑制是变流器中一个重要的研究课题。文章对比分析了各种关断过电压抑制方法的优缺点,得出有源箝位是抑制关断过电压最优方式的基本结论,同时设计并试验了一种用于风力发电变流器的带有源箝位功能的栅极驱动器。结果表明,该驱动器可将IGBT的关断过电压限制在一定的范围内,完全满足风电变流器的应用要求。     

高压IGBT芯片开关过程栅分布效应仿真研究

高压IGBT在导通或关断时是先从栅焊盘处获得驱动信号,然后再依靠多晶硅层通向芯片的各个区域。由于多晶硅层形成的栅分布电阻效应使得芯片内元胞对栅驱动信号的反应时间不同,芯片内各个元胞不能同时开启或关断,因此IGBT芯片在开关过程中容易产生电流集中现象,尤其当芯片面积较大时,电流集中的现象尤为明显,由此引起芯片动态过程分布效应问题。文章围绕IGBT的电学和温度特性研究高压IGBT芯片动态过程分布,对IGBT芯片进行器件结构建模,搭建Spice电路构建带有栅极电阻和栅极分布电阻的IGBT模型,仿真分析IGBT芯片动态过程中电压、电流和功率的变化情况。采用ANSYS仿真软件构建IGBT热仿真模型,仿真分析动态过程分布中电流集中效应给器件表面温度分布带来的影响,为提高器件的电流和温度分布均匀性提供了重要的参考依据。     

IGBT并联应用技术研究

介绍了IGBT元件并联均流的主要影响因素,针对1 200 V/900 A功率等级IGBT并联应用设计了IGBT并联驱动器、低感母排和散热器,并进行了相应的试验研究。研究结果表明,该并联方案均流效果十分出色。     

牵引级高压IGBT模块短路特性研究及其优化

介绍了IGBT 3种短路类型,通过优化器件的晶体管增益提高第二类短路能力,以承受更大短路电流的冲击,采取驱动电路栅极电压箝位措施来限制短路状态下的过流。经过设计与工艺优化后的高压IGBT成功通过了短路特性试验,满足轨道交通的应用需求。     

日立制作所最近开发的机车车辆控制用半导体元件

介绍了用于铁路机车车辆驱动装置的2000V IGBT模块的开发经过与协向。由于2000V、3300V、4500－6500V的耐压系列化，几乎适用于所有的铁路机车车辆用2点式及3点式的逆变器。IGBT模块电流的系列化发展，使各种容量的逆变器实现了小型紧凑化，以3300V IGBT为例，针对路机车车辆器件的高耐压低损耗硅元件的关键技术，介绍了快速低损耗的穿通型IGBT的开发构思及特性以及快速快复二级管的技术特性。同时介绍了可靠性高的大容量模块技术，低热电阻、均流及绝缘技术并对下一代器件技术HiGT的设计、特性及适用性作了说明。     

一种具有数据采集功能的IGBT驱动器北大核心

文章介绍了一种新型IGBT驱动器,该驱动器除具有传统的驱动与短路保护功能外,还具有运行状态数据采集功能。采集IGBT运行状态数据及其故障时刻数据,有助于理解IGBT工作环境,分析IGBT失效原理,为电力电子装置改进和正向设计提供理论依据。该驱动器以可编程逻辑器件FPGA为核心,集脉冲控制、驱动与保护、信号采集、串行通信功能于一体。文章详述了驱动器主要功能模块,运用数学建模、仿真和试验测试等方法验证了其功能与可靠性,为驱动技术数字化、智能化发展提供了技术储备,为IGBT模块失效分析与健康管理研究提供数据支撑。     

问与答

答：（1）IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是功率MOSFET 技术的派生器件。它结合了双极结型晶体管（BJT）的低导通损耗和功率MOSFET的高开关速度的特点,是一种电压控制型器件。与晶闸管相比，IGBT速度更快，dv/dt抗干扰和栅极关断能力更好。当某些晶闸管例如GTO由门极关断时，要求有反向门极电流，而IGBT关断时，唯一要求的是栅极电容放电。象MOSFET一样，IGBT是跨导器件，只要保持栅极电压在阈值电压电位以上，便能维持IGBT的充分导通状态。在故障情况下，IGBT表现了可靠耐用的特性。当器件处于端子短路或接地状态时，短路…     

一种具有多重保护功能的新型IGBT驱动器

分析了IGBT的开关过程,针对IGBT的开关特点设计了具有多重保护功能的新型IGBT驱动器,并进行了对比试验研究以及模组级短路试验研究。试验结果表明,该驱动器具有更好的驱动特性和保护性能,桥臂直通短路保护速度提高了5倍,短路功耗下降了71%。     

大功率IGBT 驱动信号隔离技术研究

分析与比较了IGBT驱动器中常用驱动信号隔离技术。针对大功率IGBT驱动器的工况,设计了一种基于磁耦合的数字信号隔离电路,并进行了理论分析,样机开发设计与研究性试验证明了其优异的传输性能和抗干扰性。     

电动汽车用电机驱动器IGBT模块驱动电源

分析了IGBT模块门极特性以及IGBT驱动电源在隔离、功率及温度等方面的特殊要求.提出了一种利用开关电源反激拓扑结构设计IGBT驱动电源的方法,最后通过设计的电动汽车用电机驱动器IGBT模块驱动电源进行了实验验证.     

轨道交通用750A/6500V高功率密度IGBT模块

通态损耗及开关损耗的降低是高压绝缘栅双极晶体管(IGBT)设计与制造的关键。基于"U"形增强型双扩散金属氧化物半导体(DMOS~+)元胞结构、增强型受控缓冲层(CPT~+)及横向变掺杂集电极(VLDC)技术、横向变掺杂(VLD)终端结构等关键技术,研发了具有低通态损耗的6 500 V平面栅IGBT芯片及其配套快恢复二极管(FRD)芯片。将IGBT及FRD芯片封装成750 A/6 500 V IGBT模块并对其进行测试、试验,其动、静态特性与安全工作区(SOA)性能优良,满足我国高速动车组、大功率机车等轨道交通牵引的应用要求。     

高功率密度IGBT模块的研发与特性分析

基于现有标准DMOS设计技术,通过优化高压IGBTFRD芯片及其模块结构,降低芯片功耗、模块寄生电感和模块热阻,改善模块散热,提高最高工作温度。研究开发了高功率密度1 500 A/3 300 V、1 200 A/4 500 V及750 A/6 500 V IGBT模块,满足轨道交通的应用要求。     

具有先进保护功能的新型IGBT门极驱动器集成电路

论述了IGBT门极驱动器设计新方案,它具有先进的保护功能,如元件采用双电平开通以减小峰值电流,采用双电平关断以限制过电压,以及防止出现桥臂贯通的有源密勒箝位.此外还介绍一种包括双电平关断驱动器和有源密勒箝位功能的新电路,并对所述功能的试验及结果进行阐述,重点介绍双电平关断驱动器的中间电平对IGBT过电压的影响.     

IGBT门极驱动技术现状和发展趋势

分析了IGBT的工作特点及其对门极驱动器提出的新要求,并通过对当前主流门极驱动器供应商的产品的举例分析,对门极驱动技术的现状和发展趋势进行了研讨和总结。     

IGCT高压测试台的研制

集成门极换流晶闸管（IGCT）是一种新型的电力电子器件,在大功率高压变流器中得到广泛的应用。为了配合开发工作,研制了一种IGCT高压测试台,用来测试4500V／4000A等级以下IGCT器件的特性。几组实验验证了该测试台设计的合理性和可行性。