牵引变流器IGBT驱动特性的研究

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摘要:目前单管IGBT的容量已达到6500V/750A,器件的容量及可靠性的提高极大提升了变流系统的容量和效率,使得牵引变流系统设计更紧凑,结构强度更高。在电力机车应用中,IGBT在高压大电流的硬开关方式下工作以及电力机车复杂的运行环境使得IGBT器件对驱动电路的要求较高。所以门极电路作为连接控制端与主电路的桥梁,对控制IGBT的导通状态,优化开关性能和保护IGBT具有重要作用。本文以电力机车牵引变流系统为主要研究对象,研究牵引系统中IGBT驱动电路的特性。调研了重载机车牵引传动系统功率等级发展变化趋势和功率器件使用情况。结合牵引IGBT的特点,就IGBT驱动的市场与技术,总结了大功率IGBT驱动的现状与发展。在此基础上研究了IGBT暂态过程,给出了应用于牵引变流系统的IGBT驱动电路特性。以HXD2型重载电力机车为例,仿真了主变流器故障工况。对故障后IGBT和续流二极管失效进行了分析,从IGBT驱动电路方面给出了主变流器IGBT模块损坏的原因。针对损坏的原因,新设计了一款IGBT驱动电路,并搭建了双脉冲实验平台。在此平台上,进行了短路实验,研究短路时VCE保护电压,关断时间点的选择。进行了关断时VCE电压的有源箝位实验,分析不同工艺IGBT对有源箝位的要求。研究了杂散电感,门极电阻,门极-发射极电容对IGBT暂态过程的影响。IGBT驱动电路作为牵引系统IGBT模块应用的配套关键技术,影响到IGBT模块的性能和安全。本文较为细致地介绍牵引变流系统的IGBT驱动电路设计,从驱动电路特点分析到工程计算,再到最终的实验结果。给大功率IGBT驱动的设计者提供了较完整系统的思路,有实用价值。
致谢第5-6页
中文摘要第6-7页
ABSTRACT第7页
1 引言第10-20页
    1.1 课题研究背景及意义第10页
    1.2 重载电力机车的发展第10-12页
    1.3 牵引系统IGBT特性第12-16页
    1.4 IGBT驱动电路现状与发展第16-19页
    1.5 论文主要研究内容第19-20页
2 IGBT工作特性与驱动电路特性研究第20-32页
    2.1 IGBT的结构第20页
    2.2 IGBT稳态输出特性第20-22页
    2.3 IGBT暂态特性第22-26页
    2.4 牵引变流系统中的IGBT驱动电路第26-31页
        2.4.1 驱动电路安全隔离第26-27页
        2.4.2 IGBT门极保护第27页
        2.4.3 短路保护特性第27-29页
        2.4.4 IGBT的V_(CE)过电压抑制第29-31页
    2.5 本章小结第31-32页
3 电力机车牵引变流系统故障及IGBT失效分析第32-46页
    3.1 牵引变流系统故障情况第32页
    3.2 牵引变流系统故障仿真与分析第32-39页
    3.3 变流器故障后IGBT失效分析第39-44页
        3.3.1 短路下IGBT擎住效应第42-43页
        3.3.2 短路下IGBT硅片融化机理第43-44页
    3.4 IGBT失效与驱动电路第44页
    3.5 本章小结第44-46页
4 IGBT驱动电路设计第46-66页
    4.1 IGBT驱动器供电电路第46-48页
    4.2 驱动电源欠压保护电路第48页
    4.3 短路保护电路第48-51页
        4.3.1 IGBT短路保护设计第48-50页
        4.3.2 短路保护V_(CE)电压值设定第50-51页
    4.4 门极有源箝位电路第51-53页
        4.4.1 有源箝位保护电路原理第51-52页
        4.4.2 瞬态抑制二极管TVS的选型第52-53页
    4.5 IGBT门极保护电路及参数设定第53-55页
    4.6 IGBT动态监测第55-57页
    4.7 IGBT驱动电路PCB布局第57-58页
    4.8 IGBT双脉冲测试第58-65页
        4.8.1 电感参数第59-60页
        4.8.2 电容参数第60-61页
        4.8.3 脉冲控制电路第61页
        4.8.4 电流测量第61-62页
        4.8.5 电压测量第62-63页
        4.8.6 短路保护实验方法第63-64页
        4.8.7 双脉冲实验平台第64-65页
    4.9 本章小结第65-66页
5 实验结果及分析第66-76页
    5.1 门极电容作用第66-68页
    5.2 门极电阻作用第68-69页
    5.3 杂散电感对二极管的影响第69-71页
    5.4 短路保护关断时间点设定第71-72页
    5.5 门极有源箝位实验第72-75页
    5.6 本章小结第75-76页
6 结论第76-78页
参考文献第78-80页
附录A第80-82页
作者简历第82-86页
学位论文数据集第86页
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