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于华龙, 赵争鸣, 袁立强, 鲁挺, 姬世奇. 高压IGBT串联变换器直流母排设计与杂散参数分析. 清华大学学报: 自然科学版, 2014, 54(4): 540-545[Hualong YU, Zhengming ZHAO, Liqiang YUAN, et al. High-voltage IGBTs series converter bus bar design and stray parameter analysis[J]. 2014, 54(4): 540-545]  
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高压IGBT串联变换器直流母排设计与杂散参数分析
于华龙, 赵争鸣, 袁立强, 鲁挺, 姬世奇
清华大学 电机工程与应用电子技术系, 电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室, 北京 100084
赵争鸣, 教授,E-mail:zhaozm@tsinghua.edu.cn

作者简介: 于华龙(1988-), 男(汉), 天津, 博士研究生。

基金:国家 “八六三” 高技术项目 (2011AA050402);
摘要

高压IGBT串联是提高大容量变换器电压等级和容量的有效手段之一,但器件串联带来的复杂机械结构为母排设计与杂散参数建模分析带来巨大的困难,常规的部分单元等效电路(PEEC)方法直接用于该领域难以保证准确性。该文提出了一种应用于提取大尺寸复杂结构母排杂散参数的改进的PEEC方法和结构设计准则,采用分块计算方式建立了母排杂散参数模型。在实际的4.5 kV/600 A高压IGBT串联试验平台上进行了系列高压大电流试验,在剔除换流二极管正向特性影响的条件下,对比实验和仿真结果分析了母排杂散参数对器件暂态的影响,证明了该方法的准确性与实用性。该设计方法降低了杂散参数,提升了变换器运行的可靠性,并为主动控制创造了有利条件。

关键词: 大容量; 母排; 杂散参数; 部分单元等效电路
中图分类号:TM464 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)04-0540-06
High-voltage IGBTs series converter bus bar design and stray parameter analysis
Hualong YU, Zhengming ZHAO, Liqiang YUAN, Ting LU, shiqi JI
State Key Laboratory of Control and Simulation of Power systems and Generation Equipment, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Fund:
Abstract

High-voltage IGBTs series are one of the most effective means to improve converter voltage levels and capacities. However, the complex mechanical structure when the devices are used in series complicates bus bar design and stray parameter modeling. The results may not be accurate if the conventional PEEC method is used. This paper describes the bus bar design principles and ways to improve the PEEC method when extracting large complex structure bus bar stray parameters. The bus bar parameter model is based on the partitioning calculation result. The influence of stray parameters during the switch transient process is illustrated by simulations and tests on a 4.5kV/600A HVIGBTs series experimental platform with consideration of the diode forward recovery characteristics. The results illustrate the accuracy and practicality of the method and how bus bar design effectively reduces the stray parameters and creates favorable conditions for active control.

Keyword: high capacity; bus bar; stray parameter; partial element equivalent circuit

在电力电子变换器中,主回路的杂散参数对设备运行的安全性与可靠性有重要的影响。对主回路的杂散参数进行研究,合理设计变换器连接线,从而减小杂散参数尤其是连线电感引起的器件关断过程中的电压尖峰值以及其他电磁干扰,对于提高变换器的可靠性和运行性能至关重要[1,2]。

部分单元等效电路(partial element equivalent circuit, PEEC)方法是目前较为实用的杂散参数计算分析的方法[3]。PEEC方法从积分形式的Maxwell方程出发,将大尺寸、结构复杂的导体分割成一定数量的小尺寸、结构简单的导体即部分单元,计算出各部分单元的自电感、自电容以及各单元之间的互电感、互电容后,再根据各部分单元之间的串联和并联关系搭建出研究对象整体的杂散参数等效电路网络。这种方法将电磁场的分析方法和电路的分析方法结合起来,可以将复杂形状导体的电磁场求解问题转化为对等效电路的建模与分析问题。

器件串联是提高变换器电压等级和容量的有效手段之一,但由此带来的母排尺寸较大、机械结构复杂的问题为器件暂态过程的分析带来了巨大的困难,采用常规的PEEC方法难以保证其准确性。

本文以实际的4.5 kV/600 A高压IGBT串联试验平台为例,提出了PEEC方法应用于提取大尺寸复杂结构母排杂散参数的准则,采用分块计算方式建立了母排杂散参数模型。在试验平台上进行了系列高压大电流试验,考虑了换流二极管的正向特性[4],对比实验和仿真结果分析了母排杂散参数对器件暂态过程的影响。

1 PEEC方法

利用PEEC方法进行杂散参数计算分析的一个关键问题就是部分单元的划分方法[5]。单元划分要遵循以下原则:

1) 部分单元导体上的所有点电位相等,即要求部分单元的最大尺寸要远小于工作电磁波的波长;

2) 单元划分要便于分布电感和分布电容的计算,使得计算所得的杂散参数比较准确,同时要求据此建立的等效电路模型简洁直观。

2 试验平台结构设计原则

高压IGBT串联实验平台采用了4.5 kV/600 A的IGBT模块,设计目标为实验平台可在直流母线电压5 kV、 负载电流600 A的工况下正常工作。

高压IGBT串联实验平台主回路的换流过程如图1所示。

图1 高压IGBT串联试验平台换流过程

在换流过程中,两上管T1和T2中的电流逐渐减小,负载通过两下管T3和T4的反并联二极管D1和D2续流。换流回路中包含了4个高压IGBT模块,由于对绝缘等级和散热效果有较高的要求,母线电容、散热器的体积较大,各模块间距也较大,从而导致主回路母排连线变长,结构变得更加复杂。

应用高压IGBT串联技术的电力电子变换装置的母排机械结构具有以下特点:

1) 高压IGBT模块较多,并且由于功率等级的要求,各模块的静态均压电路与动态缓冲吸收电路体积较大,母排连线在空间的位置与走向受到限制,结构设计变得更加复杂;

2) 两串联的IGBT模块对母排结构的对称性有较高要求,否则将造成两IGBT器件在动态过程中出现电压不均衡的情况,严重影响变换装置运行的安全性与可靠性[6];

3) 绝缘等级和通流能力要求较高,与低压变换器相比,母排的尺寸有大幅增长,为建模带来困难。

针对以上特点,将PEEC方法应用于该领域,应遵循以下几点原则:

1) 在器件附近的连接母排对器件开通与关断的动态过程有较大影响,应采用层叠结构以减小其杂散参数[7],尽量减小母排层叠间距以保证层叠效果,层叠母排间加贴双层绝缘纸以满足绝缘等级的要求;

2) 为保证各IGBT模块在结构上的对称性,各IGBT器件C、 E极的连接母排以及静态均压电路、动态缓冲吸收电路的连接母排均采用相同的机械结构,将器件、保护电路、散热器、连接母排进行一体化设计,将其模块化后再与连接母线电容的主干母排相连;

3) 仿真分析不同模块间母排的相互影响,对相互影响较弱的不同部分的母排进行解耦,将复杂结构的母排分化求解,减小数据计算量,并保证计算结果的准确性。

3 母排杂散参数计算与等效电路建模方法

针对该实验平台的结构特点,在Ansoft Q3D Extractor软件中建立仿真模型,对距离较远的不同部分的母排的相互影响进行分析。仿真结果表明: 对于间距300 mm的两IGBT模块C极连接排,其互感对整体等效杂散电感的影响约为13%; 但由于采用了层叠结构,同一IGBT模块的C、 E极层叠母排相互削弱了对另一IGBT模块的C极或E极连接母排的影响,其互感的总体影响不足0.1%; IGBT模块C、 E极连接母排中的电流方向与连接母线电容的主干母排中的电流方向设计为相互垂直的关系,基本无互感参数影响; 不同模块的母排间无正对面积,相互的杂散电容数值极小,可忽略其影响。综上,在Ansoft Q3D Extractor软件中建立母排模型时,可根据IGBT模块的位置将其由上至下分成4部分分别进行杂散参数计算,在减小计算量的同时也保证了计算结果的准确性。4部分母排结构如图2所示。

图2 各部分直流母排模型

由于母线电容的稳压作用,经过电容之后的靠近器件一侧母排的杂散参数才会对对器件开关过程产生较大影响[8], 因此在第四部分的母排结构建模过程中只考虑了经过电容连接端子后靠近器件侧的母排结构。

3.1 部分单元的划分方法

利用上述部分单元划分的原则对各部分母排结构进行分割: 部分单元尽量划分为直导体,以保证计算得到的杂散电感参数的准确性; 尽量保证具有层叠结构的两部分单元的对应关系,以保证电容参数的准确性; 分割面尽量垂直于电流方向,以保证对应的等效电路模型中串并联关系的准确性。

3.2 杂散参数计算与数据处理

通过Ansoft Q3D Extractor软件计算可以得到模型的杂散电感参数矩阵和杂散电容参数矩阵。将矩阵的每一行或每一列的所有元素做代数和,将代数和作为对应部分单元的等效电感,即相当于在等效电路中已将部分单元之间的相互影响考虑在内,完成了单元间的解耦,降低了电路模型的复杂程度。

3.3 等效电路模型

图3为具有层叠结构的两个部分单元S1、 S2的等效电路。由于采用了同一种单元划分方式,因此两部分单元间的杂散电容应置于部分单元的中间位置,每个部分单元的两端均由1/2的等效杂散电感和1/2的分布电阻组成[9,10]。

图3 两层叠部分单元等效电路

依据此方法搭建整体串联实验平台母排的高频等效电路模型[11,12],如图4所示。

图4 串联试验平台高频等效电路模型

4 PEEC模型仿真与实验分析

综合上文所述的设计原则,设计高压IGBT串联实验平台的机械结构。实际的实验平台机柜见图5, 机柜整体尺寸为1 800 mm×900 mm×2 200 mm。

图5 高压IGBT串联试验平台机柜

利用得到的等效电路模型,对串联的高压IGBT在直流母排杂散参数影响下的开关特性进行仿真,与实验数据进行比较分析。

在实际的串联试验平台上,测得两串联的高压IGBT一次关断过程的波形如图6所示。其中 UCE1和 UCE2分别为T1和T2的关断电压, IT为关断电流, UD1和 UD2分别为续流二极管D1和D2的电压。

图6 IGBT关断过程

在母线电压约5 kV、 负载电流约600 A的情况下,图6a中 UCE1和 UCE2波形基本一致,尖峰基本相同。可见,模块一体化的结构设计取得了比较好的动态均压效果。图6b中, UCE1和 UCE2之和的尖峰达到6 180 V。

一般认为,导致IGBT关断过程中产生电压尖峰的主要因素是换流回路中杂散电感的影响,假设母线电压不变,器件关断过程中杂散参数不变,令 UT= UCE1+ UCE2, 则

UT=U0+LsdITdt.(1)

其中: U0为母线电压, Ls为等效杂散电感。

但在试验波形中可以看到,两串联的续流二极管在换流过程中有明显的正向恢复过程, UT尖峰是杂散参数与续流二极管正向恢复共同作用而产生的,即:

UT=U0+LsdITdt-UD.(2)

其中 UD为续流二极管在关断过程中的正向恢复电压(阴极至阳极的电压)。在高压大电流的工况下,续流二极管在器件关断过程中 UD对器件关断电压尖峰的影响与低压时相比更为明显。

在Pspice的仿真过程中,二极管模型并未表现出正向恢复过程,只体现了换流回路杂散参数对于关断电压尖峰的影响。因此对实验数据进行处理,排除二极管正向恢复过程的影响后,再与仿真波形进行对比分析,如图7所示。

图7 IGBT关断过程实验与仿真波形对比

以 UT峰值与稳态值的差值作为衡量模型准确性的标准。实验测得的 UT峰值为5 576 V, 稳态值为4 944 V, 差值为632 V; 仿真得到的 UT峰值为 5 595 V, 稳态值为4 939 V, 差值为656 V。两者的相对误差为|(656-632)/632|=3.80%。

仿真值与实验值基本相吻合,利用PEEC方法建立的高压IGBT串联实验平台母排等效电路模型准确性得到了验证,提取的杂散参数的精度符合工程的要求,可以利用这一方法对高压大电流工况下大尺寸复杂结构的直流母排进行分析研究。

5 结 论

本文总结了应用高压IGBT串联技术的电力电子变换装置的母排机械结构特点,相应地提出了PEEC方法应用于该领域应遵循的建模原则。以实际的4.5 kV/600 A高压IGBT串联试验平台为例,在考虑绝缘和散热要求无法整体减小直流母排尺寸的情况下,合理有效地对母排结构进行了优化设计,采用分块方式计算母排的杂散参数,并建立了等效电路模型。在实验平台上进行了系列高压大电流试验,通过实验波形说明了续流二极管正向恢复特性对器件关断过程的影响。在考虑了续流二极管正向特性影响的情况下,对比实验与仿真波形分析了杂散参数对器件暂态过程的影响,证明了本文所用方法的准确性与实用性。母排的合理设计减小了换流回路的杂散参数,降低了关断电压尖峰,为高压IGBT串联参数设计和主动控制提供了有利条件。

The authors have declared that no competing interests exist.

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