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中高压功率IGBT模块开关特性测试及建模

陈娜  
【摘要】:绝缘栅双极型晶体管(IGBT)广泛应用于中大功率变流器中,其开关特性决定了器件的开关损耗、电气应力、装置最高可应用的开关频率、功率密度、电磁兼容性以及散热结构设计等,直接影响设备的性能和寿命。IGBT在实际工况下的开关特性与工作环境参数密切相关,研究功率开关器件的开关特性是正确设计变流器、改善变流器性能、提高变流器变换效率和确保功率器件及电力设备安全的重要前提。 中高压IGBT功率器件开关时间短,电压、电流变化率大,上升和下降沿产生大量电磁干扰,给开关特性的测量带来很大挑战。本文首先对中高压大功率IGBT模块的开关特性测试展开研究,提出了一种全电压等级的功率器件开关特性测试系统的设计准则,在该准则指导下设计和研制了一台通用型中高压大功率IGBT器件开关特性自动测试平台。该测试平台可用于多种拓扑和封装结构的功率IGBT模块开关特性测试,最高测试电压为5000V,最大测试电流为1500A,实现了:①根据用户需求自动调节IGBT的工作环境参数;②精确记录功率IGBT模块开关特性瞬态波形;③自动完成示波器设置、多组工作点重复测试和测试数据的自动保存;④获得器件定制的开关特性资料和器件开关特性随多维环境参数的变化趋势,为变换器设计、变换器性能优化和评估,以及器件的损耗计算提供实验基础和指导;⑤记录器件故障瞬态,为失效分析提供依据。 利用测试平台,本文进一步测试和研究了不同拓扑、技术和容量的IGBT功率模块,获得了功率模块各开关特性参数随环境参数的多维分布趋势。通过对不同技术和容量的IGBT功率模块进行测试:①分析了环路寄生电感对IGBT开关过程的影响;②提出了一种通过实验波形提取功率模块内部寄生电感的方法;③分析了IGBT的一种失效机理,发现反向恢复引起的二极管过压失效比IGBT关断过压失效更容易发生,应给予特别关注;④对不同公司相同IGBT结构的半桥功率模块进行测试和比较,为器件选型提供指导;⑤研究了一种新型拓扑的三电平IGBT功率模块(optimized A(T-type)-3level circuit),结合准在线分析方法,比较了新型三电平电路和NPC三电平电路的器件损耗,结果显示T型三电平电路的总导通损耗比NPC型三电平小,开关损耗比NPC型三电平大,在一定的开关频率范围内T型三电平电路具有器件损耗小的优势。 由于精确的IGBT物理解析模型很难实现,本文避开IGBT的工作物理机理,结合测试平台的大量实验建立了一种IGBT开关特性的实验模型——基于误差反向传播算法(backpropagation, BP)的IGBT开关特性神经网络预测模型,实现了对IGBT在实际工况下的开关特性参数如器件电气应力、开关损耗等的精确预测。与物理解析模型相比,基于实验数据的开关特性预测模型容易建立且使用方便,可以对用户购买的器件做定制的预测模型,具有较高的预测精度。 针对BP神经网络隐含层的节点数、网络的目标期望误差和神经网络的初始权值与阈值矩阵对网络性能影响大、凭经验和试凑法设计网络结构对性能的影响不可控、寻优容易陷入局部极小值且无法逃离极值点等局限性,本文进一步引入全局优化算法对开关特性的BP神经网络预测模型进行改进:采用遗传优化算法对隐层节点数和目标期望误差进行混合整数规划;分别采用遗传算法、模拟退火算法和粒子群算法对神经网络的初始权值和阈值矩阵进行优化,大大改善了BP神经网络模型的预测性能。 经过大量实验数据的训练,用改进的BP神经网络预测模型能以较高精度预测IGBT在不同的环路寄生电感、集电极电压、集电极电流、器件结温、驱动电阻和驱动电压下硬开关状态的开关特性参数。通过对开关特性的高精度预测,可以对器件进行模拟实际工况的准在线分析,计算器件损耗和系统效率,评估器件的电压、电流过冲和系统可靠性,优化硬件电路的寄生参数,合理设计死区时间,对工程师进行散热设计、电路设计、结构设计和装置性能评估具有很大的指导意义。


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