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大功率应用条件下绝缘栅双极型晶体管驱动和保护技术的研究

作　者: 罗湘
导　师: 邱宇峰；荆平
学　校: 中国电力科学研究院
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: IGBT 驱动技术保护技术栅极特性 M57962AL 功率主电路
分类号: TN322.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着电力系统的不断发展,提高电网的输送能力和安全稳定运行水平,改善用户电能质量等问题日益突出。在电力系统中加装基于可关断器件的大功率电力电子装置是通过技术手段解决这些问题的有效途径之一。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)已经成为近年来发展最快、应用最广的可关断电力电子器件之一。随着IGBT器件耐压和电流等级的提高,IGBT在大功率电力电子装置中将会得到越来越广泛的应用,因此对于大功率应用条件下IGBT模块的驱动和保护技术的研究显得越来越重要。本文首先阐述了第三代IGBT的结构和原理;分析了由IGBT的寄生元件构成的寄生电路及IGBT的栅极特性。本文借鉴了国内外IGBT驱动技术和保护技术的经验,对现有的驱动电路形式、保护电路形式以及IGBT专用驱动模块进行了分析、比较和总结;列举和分析了IGBT驱动电路和保护电路的各种要求。在实际应用中,IGBT与其他功率器件配合构成功率主电路,共同完成所需的功能。功率主电路的设计中必须尽可能地减少回路的杂散电感。本文分析了功率主电路设计的必要性,对几种常见低杂散电感的功率主电路连接方法的适用性进行了分析、比较和总结。针对IGBT驱动电路和保护电路的要求,再结合工程实际应用的要求,以IGBT专用驱动模块M57962AL为核心分别为600A/1200V和1200A/1200V两种功率等级的IGBT模块设计了相应的驱动电路和保护电路。针对IGBT在10kV静态同步串联补偿器中的应用,分别为两种功率等级的IGBT模块设计了试验功率主电路,并在各自的功率主电路上对所设计的驱动和保护电路进行了试验验证。在功率主电路的设计中采用了紧贴铜排等技术处理,最大程度上减小了电路的杂散电感;在试验中解决了由于驱动连接线造成的驱动波形失真、IGBT模块开通波形难以测量、吸收电路元件参数选择不合适造成的驱动波形畸变等问题。试验中,IGBT和主电路工作正常,驱动及负载电流波形良好,达到了设计的预期目的。试验结果表明所设计的驱动和保护电路是正确和有效的。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-13
  1.1 IGBT的发展及应用现状  8-11
    1.1.1 概述  8
    1.1.2 IGBT在大功率电力电子装置中的应用  8-11
  1.2 本课题的提出  11
  1.3 本课题的项目背景  11-12
  1.4 论文的主要内容和所做的工作  12-13
第二章 IGBT的结构、原理和栅极特性  13-18
  2.1 IGBT的结构和原理  13-15
    2.1.1 概述  13
    2.1.2 三代IGBT  13-15
      2.1.2.1 第一代PT-IGBT和第二代NPT-IGBT  13-14
      2.1.2.2 第三代IGBT—FS-IGBT  14-15
  2.2 IGBT的栅极特性  15-17
  2.3 本章小结  17-18
第三章 IGBT的驱动和保护技术研究  18-27
  3.1 IGBT的驱动技术研究  18-21
    3.1.1 IGBT栅极驱动电路  18-19
    3.1.2 IGBT专用驱动模块  19
    3.1.3 IGBT对驱动电路的要求  19-20
    3.1.4 设计驱动电路时的布线要求  20-21
  3.2 IGBT的保护技术研究  21-26
    3.2.1 IGBT的过电压保护  21-23
    3.2.2 IGBT的过电流保护  23-25
    3.2.3 IGBT的过热保护  25-26
  3.3 本章小结  26-27
第四章功率主电路设计技术的研究  27-31
  4.1 概述  27
  4.2 功率主电路连接方式的选择  27-28
  4.3 主电路的排列  28-30
  4.4 本章小结  30-31
第五章大功率应用条件下IGBT驱动和保护电路的设计  31-47
  5.1 600A/1200V单管IGBT模块驱动和保护电路的设计  31-41
    5.1.1 600A/1200V单管IGBT模块  31
    5.1.2 驱动电路的设计  31-37
      5.1.2.1 驱动模块的选择  31-32
      5.1.2.2 驱动电压的选择  32-33
      5.1.2.3 驱动电阻的选择  33
      5.1.2.4 驱动控制信号的产生  33
      5.1.2.5 死区时间的控制  33-34
      5.1.2.6 驱动电路的实现  34-37
    5.1.3 保护电路的设计  37-41
      5.1.3.1 IGBT过电流保护电路的设计  37-39
      5.1.3.2 IGBT过电压保护电路的设计  39-40
      5.1.3.3 放电回路的设计  40-41
  5.2 1200A/1200V单管IGBT模块驱动和保护电路的设计  41-45
    5.2.1 1200A/1200V单管IGBT模块  41-42
    5.2.2 驱动电路的设计  42-43
      5.2.2.1 驱动模块的选择  42
      5.2.2.2 驱动电压的选择  42
      5.2.2.3 驱动电阻的选择  42
      5.2.2.4 驱动控制信号的产生  42
      5.2.2.5 死区时间的控制  42
      5.2.2.6 驱动电路的实现  42-43
    5.2.3 保护电路的设计  43-44
      5.2.3.1 IGBT过电流保护电路的设计  43
      5.2.3.2 IGBT过电压保护电路的设计  43-44
      5.2.3.3 放电回路的设计  44
    5.2.4 散热器的选择  44-45
      5.2.4.1 IGBT损耗估算  44-45
      5.2.4.2 散热器的选择  45
  5.3 本章小结  45-47
第六章主电路设计及试验验证  47-61
  6.1 600A/1200V单管IGBT模块功率主电路设计及试验验证  47-54
    6.1.1 试验目标  47
    6.1.2 试验主电路电路图  47
    6.1.3 功率主电路的搭建  47-50
    6.1.4 驱动控制信号的产生  50-51
    6.1.5 试验结果及波形分析  51-54
  6.2 1200A/1200V单管IGBT模块功率主电路设计及试验验证  54-60
    6.2.1 试验目标  54
    6.2.2 试验主电路电路图  54
    6.2.3 功率主电路的搭建  54-55
    6.2.4 驱动控制信号的产生  55
    6.2.5 试验结果及波形分析  55-60
  6.3 本章小结  60-61
第七章结论和展望  61-63
  7.1 结论  61-62
  7.2 展望  62-63
参考文献  63-65
致谢  65-66
攻读硕士学位期间发表的论文  66

大功率应用条件下绝缘栅双极型晶体管驱动和保护技术的研究

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