车载变流器大功率IGBT数字驱动方法研究

文中首先对车载变流器大功率IGBT的驱动进行了深入分析研究,提出了数字驱动的保护构架与保护思想。随后阐述了数字脉冲分配保护作为IGBT驱动预处理的重要作用,列出了预处理的主要功能。之后着重分析了IGBT开关过程中驱动电阻对开关性能的影响,并提出了数字驱动的保护方案。最后设计试验,得到了开通关断过程中不同栅极电阻对应的驱动特性,并结合IGBT开关特性得到最优的开关方案,测试结果表明：数字驱动方案大大降低了开通过程中的损耗与di/dt及关断过程的损耗与du/dt。这一研究成果已在既有大功率机车和动车上装车运用。     

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。     

导通瞬态时续流二极管(FWD)反向恢复现象

研究IGBT模块中续流二极管(FWD)导通脉冲宽度(tw)很小时的反向恢复现象.通过仿真测得这种极限工作状态下FWD的电流、电压有关波形,对波形分析可得知导通脉冲宽度(tw)很小时的反向恢复是导致芯片损坏的原因.     

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。     

IGBT模块中续流二极管关断过程失效机理分析

鉴于IGBT模块中的续流二极管在关断过程中会发生瞬变,文章从二极管的设计准则出发,研究续流二极管发生失效的机理,并结合一个IGBT模块中二极管失效的具体案例进行分析,给出了二极管失效的几种原因,并提出了避免其失效的几种方法。     

大功率晶闸管阴极面图形研究

本文对大功率晶闸管阴极面图形进行了初步研究。文中介绍和推导了临界关断电压上升率dv/dt、临界导通电流上升率di/dt理论计算公式。并针对平板型风冷500安2000伏(工作电压)晶闸管具体地进行了设计、研制和应用,取得了满意的结果。     

GTO变流器中的高压软快恢复二极管

结合ＧＴＯ逆变器的一般工况，阐明电路对吸收二极管和续流二极管正向和反向恢复特性的不同要求，从器件设计和工艺上分析实现这些恢复特性的途径和方法，并介绍适用于３０００Ａ／４５００Ｖ ＧＴＯ的ＺＫ３００－４５吸收二极管和ＺＫ１０００－４５续流二极管。     

IGBT模块功率损耗的产生机理、计算及模拟

分析了IGBT模块功耗的来源,根据其导通和开关波形讨论了功耗的定义和计算方法;介绍了如何根据模块数据手册估算IGBT及其续流二极管(FWD)的功耗,以及利用PSIM软件模拟模块在应用系统中的功耗;分别利用基本公式和PSIM软件模拟计算和比较了一个逆变电路中IGBT模块的功耗和最高结温。     

脉冲开关用 6 英寸高 di/dt 晶闸管的研制

针对脉冲开关用晶闸管对di／dt耐量的高要求,阐述了晶闸管的导通过程和di／dt的失效机理。通过选用适当的硅单晶参数,调整P基区浓度分布,优化门极图形,采用双负角造型工艺,设计并试制出6英寸脉冲开关用晶闸管。该晶闸管的脉冲峰值电流可达300kA,di／dt耐量超过3000A／μs,试验表明其具有良好的稳定性和可靠性。     

具有优化沟槽HiGT结构的3.3kV/1800 A IGBT及其模块优化设计

日立公司开发了具有最高电流等级的3.3k V/1800A IGBT模块,其额定电流等级比现有同尺寸、同电压等级常规产品提高了20%。通过采用优化沟槽Hi GT结构,降低了器件功耗,同时优化了模块的电、热性能设计,降低了热阻以及寄生电感。     

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。     

IGBT模块封装的热性能分析

利用ANSYS有限元分析软件建立了IGBT模块封装的有限元模型,分析了导热硅脂厚度、当量换热系数、基板厚度和材料、焊料厚度和材料、衬板厚度和材料、铜层厚度等因素对IGBT模块封装热性能的影响,并探讨了热扩展对芯片结温的影响。研究结果可为优化IGBT模块封装提供参考。     

压接式IGBT模块的热学特性研究

使用3种方法研究了压接式IGBT模块的热学特性,建立模块热学模型并通过数值计算和有限元仿真的方法分析其稳态热阻特性,搭建实物测试台,通过温度参数定标等方式间接测量模块热阻特性,最后对采用3种方法的结果进行了分析比较。     

一种具有故障处理能力的电容箝位子模块拓扑分析

通过介绍T型子模块、电容箝位子模块和二极管箝位子模块拓扑,提出一种基于T型子模块的改进电容箝位子模块拓扑。分析系统在故障时子模块各器件的电参数变化,从理论上确定其器件耐压特性和故障阻断能力。在MATLAB/Simulink平台上建立基于MMC的整流电路进行仿真,并与二极管箝位子模块和T型子模块进行了比较。研究结果表明:该子模块具有较强的故障处理能力。     

低米勒电容超结MOSFET开关过程及反向恢复性能仿真研究

针对超结场效应晶体管(SJ-MOSFET),利用工艺仿真建立多次外延离子注入和深槽刻蚀2种不同P柱形貌的器件结构,对比研究了不同工艺、不同栅极结构SJ-MOS的静态特性差异,并与实测数据对比,验证建立模型的正确性。从空间电荷区不均匀拓展的角度,分析不同工艺路线器件的C-V特性测试中"电容转折"现象的微观机理。研究了感性负载下SJ-MOSFET开关过程中栅极电压、漏极电流、漏源极电压随时间变化关系,并搭建寄生体二极管反向恢复测试平台,探究了不同工艺对于反向恢复电荷、峰值电流等参数的影响。研究内容可指导器件设计,提高功率半导体器件在机车应用场景中的匹配度。     

焊层空洞对IGBT 模块热应力的影响简

焊层空洞是造成IGBT模块散热不良和疲劳失效的主要原因之一。考虑芯片场环区的影响,建立了IGBT模块封装结构的三维有限元模型;研究了不同焊层厚度、焊层空洞率和空洞位置对模块最高结温与最大等效应力的影响;探讨了焊层空洞对模块瞬态热阻抗的影响。     

国产化6500V/200A高压大功率IGBT的研制

研制的IGBT器件采用完全国产化芯片,通过ANSYS仿真软件对电磁场、热、应力分布等特性进行仿真,实现IGBT器件结构设计最优化;研制的高压大功率IGBT通过了器件、功率模块、辅助变流柜和机车级的试验验证。试验结果满足设计要求,并已形成了芯片—IGBT器件—功率模块—变流器完整产业链,成功批量应用在国内轨道交通领域,具有重大的社会意义和市场前景。     

新一代牵引级IGBT模块技术研究与应用

牵引级IGBT模块是现代轨道机车车辆牵引变流器中实现电能变换和功率输出的核心功率器件。新一代牵引级IGBT模块采用最新的IGBT4芯片、EC4二极管芯片、VLD和DLC芯片边缘终端技术,优化了芯片面积与栅极电荷的设计,具有较低的导通电压、优良的高低温电气特性和安全工作区性能。新型IHV-B封装优化了内部芯片布局和互连设计,降低IGBT模块的杂散电感;通过增大芯片的有源面积,减少静态损耗并降低了模块的"结-壳"热阻;优化的功率端子结构提高了抗振动性能,并具有良好的温度分布特性。IGBT4模块通过了一系列严格的可靠性测试,具有良好的环境适应性、功率循环能力和高可靠性。应用IGBT4模块可以提升牵引变流器的功率密度和集成度设计,实现小型轻量化和长寿命的牵引系统解决方案。     

三电平NPC拓扑结构中功率IGBT器件的应用和分析

讨论了三电平NPC拓扑结构的基本工作原理和相应的换流路径;考虑到IGBT模块对直流电压稳定性的要求,给出在给定故障率条件下允许长期运行的最大直流母线电压;分析了器件芯片技术及封装的特点,给出了在三电平应用中的IGBT解决方案;以4.5k V IGBT为例,研究了三电平拓扑布局应用中杂散电感及结温差异所引起的开关特性问题,并提出一些在三电平设计中关于IGBT模块均流和布局应用方面的建议。     

高压IGBT模块AlN覆铜衬板特性研究

根据高压IGBT模块的应用需求,开展了对氮化铝(AlN)覆铜衬板特性的研究。主要验证了AlN覆铜衬板的正面可焊性、背面可焊性、正面可键合性、衬板级绝缘性和模块级绝缘性,并对测试结果进行了分析讨论。