压接式IGBT器件内部芯片电流测量的研究

摘要

近年来，随着以IGBT为代表的全控型功率半导体器件的技术快速发展，柔性直流输电技术日趋成熟。当前直流输电系统不断朝着多端系统的方向发展，高压直流断路器被视为整个柔性直流输电系统的核心组成部分。压接式IGBT因其控制功率低、电流容量大和开关速度高的特点，被广泛应用于高压直流断路器中。通过将多个IGBT芯片并联以及多个二极管芯片反向并联可以提高压接式IGBT器件的通流能力，但在器件的开通和关断过程中，内部并联芯片因所在回路的电气参数差异产生的最大电流过冲对器件的可靠性影响很大。因此为了实现压接式IGBT器件的可靠性研究，需要测量器件在开通和关断过程中内部各个芯片的电流分布情况。
　　本文首先介绍了当前应用于电力电子器件的电流测量技术，分析了每一种测量技术的优缺点及其应用的方向，并针对本文所研究的Westcode公司4.5kV/1.2kA压接式IGBT器件，重点对Rogowski线圈传感器进行了详细的论述。
　　然后，详细介绍了传统Rogowski线圈传感器的工作机理。在此基础上，根据所研究的压接式IGBT器件，本文设计了一种小型PCB Rogowski线圈传感器，并结合线圈的阻抗特性，对传统的复合式积分器进行了优化设计。结合实际需要，进一步设计了一种集成的PCB Rogowski线圈，将6个PCB Rogowski线圈集成在同一块PCB板上，以便于安装在压接式IGBT器件内部，实现在不改变器件内部结构的情况下同时对其中6个凸台上芯片的电流进行测量。
　　最后，通过设计相关实验对所制作的PCB线圈传感器进行校准和测试，以验证传感器的性能。并将压接式IGBT用集成PCB Rogowski线圈传感器应用到基于混合式高压直流断路器工况的压接式IGBT短路特性测试平台，研究了不同驱动方式对压接式IGBT器件开通过程中内部芯片电流的分布情况的影响，为后续的压接式IGBT器件可靠性设计提供参考。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电力电子器件电流测量技术的研究

1．2．2 Rogowski线圈传感器的研究现状

1．3 本文的研究对象和主要研究内容

1．3．1 本文的研究对象

1．3．2 本文的主要研究内容

2 Rogowski线圈传感器工作机理

2．2．1 Rogowski线圈的频率响应

2．2．2 Rogowski线圈匝间电容的影响

2．3 Rogowski线圈复合式积分器

2．3．1 自积分和外积分工作方式

2．3．2 无源积分环节

2．3．3 有源积分环节

2．3．4 高通滤波环节

2．3．5 复合式积分器

2．4 小结

3 压接式IGBT用小型PCB Rogowski线圈传感器设计

3．1 引言

3．2 传感器设计的基本流程

3．2．1 设计流程概述

3．2．2 Q3D Extractor参数仿真分析

3．2．3 阻抗参数仿真和测试

3．3 PCB Rogowski线圈设计

3．3．1 PCB Rogowski线圈布线方案选择

3．3．2 PCB Rogowski线圈屏蔽设计

3．3．3 PCB Rogowski线圈探头设计方案确定

3．4 复合式积分器优化设计

3．4．1 解除非反相积分电路的限制

3．4．2 增加缓冲放大器环节

3．4．3 复合式积分器设计方案确定

3．5 压接式IGBT用集成PCB Rogowski线圈

3．6 小结

4 压接式IGBT用PCB Rogowski线圈传感器的校准与测试

4．1 引言

4．2 周期信号传变实验

4．2．1 测试系统搭建

4．2．2 测试结果

4．3 雷击浪涌突变信号的传变实验

4．3．1 测试系统搭建

4．3．2 测试结果

4．4 小结

5 压接式IGBT短路特性测试平台中器件内部芯片电流测量

5．1 引言

5．2 测试平台介绍

5．3 试验结果分析

5．4 小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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