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。     

用于中等电压的兆瓦级功率开关器件—IGCT

设计能开关中等电压等级的兆瓦级功率电路的设备是一项艰巨的任务。两种现有的半导体开关技术，即门极可关断晶闸管和绝缘栅双极型晶体管由于其固有的特性要在设计上使用它们必须采用折衷方案，这又使得功率控制系统的成本及复杂性增加。     

MOSFET和IGBT关断特性及其对并联特性的影响

文章描述了MOSFET和IGBT关断特性的不同,及其对关断瞬间并联均流特性的影响。MOSFET和IGBT共有的MOS门极结构导致其在器件开通过程具备相似的开通特性。然而,MOSFET单极性结构和IGBT双极性结构的不同导致了其在关断过程中具备不同的关断原理(除了拖尾电流之外),这种不同的关断原理尤其表现在门极电压对关断电流的控制程度。MOSFET的关断电流完全直接受控于门极电压,而IGBT的关断电流在某种程度上不完全直接受控于门极电压。不同的关断原理进而导致了关断瞬间不同的并联均流特性,尤其是在电路参数不匹配的情况下的并联关断均流特性。文章通过理论分析和仿真建模对上述问题进行了研究,仿真和试验结果验证了所提的观点。     

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.     

有源电压箝位串联HV IGBT的适用性和优化(二)

介绍了5.2 kV高压绝缘栅双极型晶体管(HV IGBTs)的成功串联应用.穿通型HV IGBT串联应用时要完全控制感应过电压,最大的障碍是拖尾电流的关断问题.可以证明,采用先进的电压箝位技术能够限制因关断拖尾电流而引起的第二个电压尖峰.阳极采用载流子寿命局部分布的IGBT很适合这种应用;拖尾电流间隔时间越短,关断损耗越小.文中集中讨论了穿通型HV IGBT器件串联时的最佳通态等离子体分布,HV IGBT的最新发展趋势似乎与讨论结论相一致.未来先进的HV IGBT技术可完全减轻第一代HV IGBT串联时的困难.     

有源电压箝位串联HV IGBT的适用性和优化(一)

介绍了5.2 kV高压绝缘栅双极型晶体管(HV IGBTs)的成功串联应用.穿通型HV IGBT串联应用时要完全控制感应过电压,最大的障碍是拖尾电流的关断问题.可以证明,采用先进的电压箝位技术能够限制因关断拖尾电流而引起的第二个电压尖峰.阳极采用载流子寿命局部分布的IGBT很适合这种应用;拖尾电流间隔时间越短,关断损耗越小.文中集中讨论了穿通型HV IGBT器件串联时的最佳通态等离子体分布,HV IGBT的最新发展趋势似乎与讨论结论相一致.未来先进的HV IGBT技术可完全减轻第一代HV IGBT串联时的困难.     

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。     

集成门极换流晶闸管器件特性研究

简要介绍了集成门极换流晶闸管(IGCT)器件的结构,描述了IGCT的阻断状态、开通过程、导通状态及关断过程4个阶段的特点,并针对该4个阶段介绍了器件的重要参数及应用注意事项。     

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。     

GTO

最近,一种兼备可控硅和功率晶体管长处的功率可关断可控硅,一般称为门极关断可控硅GTO(或门极可控可控硅GCT)已投入实用。 GTO只要根据加在门极上的正负信号,就能实现从阻断到导通,或从导通到阻断的转换。控制性能非常好。 GTO与可控硅一样,耐压和容许电流的相克性不像晶体管那样强,因此比较容易做到大     

基于全碳化硅器件的辅助变流器设计及试验验证

辅助变流器是导轨电车上的重要电源设备,为全车提供380 V交流电和24 V直流电源。目前辅助变流器普遍采用基于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块进行设计,其体积大、开关频率低、功率密度小,无法满足当前导轨电车辅助变流器小型化、轻量化的设计需求。采用新型SiC(碳化硅)MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)功率器件代替IGBT进行系统设计,以提高系统开关频率,优化设计外围无源器件,同时利用新型箝位电路抑制了高开关频率带来的尖峰电压。通过计算及试验,验证了基于SiC设计的新型导轨电车辅助变流器在体积和性能方面的优势,对SiC MOSFET器件的应用具有积极意义。     

1200 V SiC MOSFET器件的体二极管抗浪涌能力研究

对1 200 V碳化硅金属氧化物场效应晶体管(SiC MOSFET)(包括双沟槽型栅极结构、非对称沟槽型栅极结构和平面型栅极结构)的抗浪涌能力进行了试验测试分析与评估。其中,平面型SiC MOSFET展现出了最优的抗浪涌能力,最大浪涌电流密度峰值达到了35 A/mm~2,而双沟槽型与非对称沟槽型SiC MOSFET的抗浪涌能力大致相等,分别为22 A/mm~2和25 A/mm~2。在经过最大浪涌电流后,3种SiC MOSFET器件的门极阈值电压、漏极电流和击穿电压均发生了失效,其失效原理均为热击穿而导致的三端短路。对比测试结果表明,平面型SiC MOSFET由于较少的栅氧化层缺陷而展现出良好抗浪涌电流能力,而双沟槽型SiC MOSFET由于浪涌应力下的沟道处泄漏电流导致更强的热效应,更容易在浪涌测试中发生失效。     

采用IGBT技术的牵引变流器：新晶体管技术应用的优点和运用经验

９０年代初，随着１２００Ｖ的ＩＧＢＴ（门极绝缘双极型晶体管）模块的成熟和批量生产，首次应用于铁路动车－德国法兰克福Ｒ型城市铁路低地板电力动车。文中将ＩＧＢＴ变流器与ＧＴＯ（门极可关断晶闸管）变流器作了比较：元器件特性好、体积小、重量轻，用于铁路机车动车可带来许多优越性；介绍了１２００Ｖ和１６００Ｖ的ＩＧＢＴ的电路和实际应用；指出ＩＧＢＴ将进一步发展，１９９５年将达到３０００Ｖ和４５００Ｖ；预计ＩＧ     

超结IGBT的结构特点及研究进展

随着绝缘栅双极型晶体管(IGBT)技术的发展,目前主流的场截止型结构越来越接近其理论极限。超结被誉为"功率MOS的里程碑",近年来也被引入IGBT以进一步提升器件性能。超结IGBT结合了场截止型IGBT和超结结构的优点,可在更短漂移区长度下实现高耐压和低损耗。然而,作为一种双极型器件,超结IGBT具有与超结MOSFET不同的工作原理。文章从超结原理出发,揭示了超结IGBT的结构特点和工作原理,并对超结IGBT的最新研究进展进行了梳理和概括。     

计及电热参数更新的高速列车牵引整流器IGBT模块寿命评估

绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为列车变流器的关键部件,其寿命受老化过程中参数变化的影响,为此提出了一种计及电热参数更新的IGBT模块寿命预测方法。首先,利用实车采集到的外部电压、电流数据结合变流器调制策略推导IGBT的驱动信号,进而获得单个IGBT的电压电流;其次,基于数据手册建立Foster热网络模型获取IGBT的结温;之后考虑到实际中IGBT的老化过程,提出一种IGBT结温计算过程中热阻和导通压降的更新策略;最后通过寿命模型对IGBT进行损伤度估算,并通过蒙特卡洛（Monte-Carlo）模拟评估器件寿命计算过程中的不确定性,取得可靠性变化曲线。     

基于沟道状态的SiC MOSFET器件浪涌能力研究

得益于技术的进步,SiC MOSFET器件中的体二极管可靠性有极大的提升,并在部分领域和模块中取代了续流二极管。文章基于浪涌电流试验,对不同沟道状态下SiC MOSFET器件浪涌能力进行了深入研究。首先,搭建了浪涌电流试验平台,对CREE和Infineon两家公司的器件进行了浪涌电流试验;然后,测量和对比了试验前后器件的阈值电压、导通电阻、体二极管电压和漏极漏电流等特性的变化;最后,通过超声波扫描显微镜观察了器件失效前后内部结构的变化,并分析了器件的失效原因。试验结果表明,SiC MOSFET器件在浪涌电流冲击下,栅极可靠性和金属层可靠性共同决定了器件的可靠性:一方面,栅极可靠性高的器件,沟道导通有利于降低最高结温,提高浪涌电流下的可靠性;另一方面,栅极可靠性低的器件,沟道的关闭有利于保护栅极。     

用于大功率领域的功率半导体器件

在未来１０年显现的市场中，绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）和集成式门极换流晶闸管（ＩＧＣＴ），将成为柔性交流传动系统（ＦＡＣＴＳ）和其它大功率应用领域的主导型功率半导体器件。半导体器件及其封装技术的新发展，将促进功率半导体器件更多地进入配电领域，这将导致装置的效率及可靠性提高，同时开关兆瓦级电路的成本将下降。     

针对高功率模块的4500VAmantysPowerDriveTM驱动器进入中国市场

10月22日,Amantys宣布推出一款针对高功率模块的全新绝缘栅双极晶体管（IGBT）栅极驱动器,其工作电压为4500V,额定电流从400～1200A。4500V栅极驱动器可满足电力机车、风力发电机组、高压直流和工业驱动应用不断增长的高压IGBT市场需求。     

结构上胜过传统IGBT的CSTBT

采用薄穿通(LPT)垂直结构的载流子贮存挖槽栅双极型晶体管(CSTBT)是一种新型的功率器件.与IGBT相比,其结构得到了改进,具有功耗更低、更耐用等优点,是工业功率变流应用最佳的功率器件.     

AC 01/02型电动列车牵引逆变器测试装置研制

交流传动车辆上牵引逆变器及其核心模块用的检测装置对车辆维修部门而言是非常必需的.提出并设计了AC 01/02型电动列车GTD(门极可关断晶闸管)牵引逆变器测试装置.本装置是在分析AC 01/02型电动列车GTO牵引逆变器及其相模块特性的基础上进行设计的.研究了其设计原理和相模块结构特点及其电气性能,并用于GTO逆变器及其相模块的检测与维修.还应用高性能数字信号处理器(DSP)芯片,开发了脉宽调制(PWM)控制电路板,装置及其软件设计能够符合工程应用的需要.对目前运行的绝缘栅双极晶体管(IGBT)牵引逆交器,同样具有重要的参考与应用价值.