中高壓功率IGBT模塊開關特性測試及建模.pdf

1、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)廣泛應用于中大功率變流器中，其開關特性決定了器件的開關損耗、電氣應力、裝置最高可應用的開關頻率、功率密度、電磁兼容性以及散熱結構設計等，直接影響設備的性能和壽命。IGBT在實際工況下的開關特性與工作環(huán)境參數(shù)密切相關，研究功率開關器件的開關特性是正確設計變流器、改善變流器性能、提高變流器變換效率和確保功率器件及電力設備安全的重要前提。
　　 中高壓IGBT功率器件開關時間短，電壓、電流變化率大，上升和

2、下降沿產(chǎn)生大量電磁干擾，給開關特性的測量帶來很大挑戰(zhàn)。本文首先對中高壓大功率IGBT模塊的開關特性測試展開研究，提出了一種全電壓等級的功率器件開關特性測試系統(tǒng)的設計準則，在該準則指導下設計和研制了一臺通用型中高壓大功率IGBT器件開關特性自動測試平臺。該測試平臺可用于多種拓撲和封裝結構的功率IGBT模塊開關特性測試，最高測試電壓為5000V，最大測試電流為1500A，實現(xiàn)了:①根據(jù)用戶需求自動調節(jié)IGBT的工作環(huán)境參數(shù);②精確記錄功率I

3、GBT模塊開關特性瞬態(tài)波形;③自動完成示波器設置、多組工作點重復測試和測試數(shù)據(jù)的自動保存;④獲得器件定制的開關特性資料和器件開關特性隨多維環(huán)境參數(shù)的變化趨勢，為變換器設計、變換器性能優(yōu)化和評估，以及器件的損耗計算提供實驗基礎和指導;⑤記錄器件故障瞬態(tài)，為失效分析提供依據(jù)。
　　 利用測試平臺，本文進一步測試和研究了不同拓撲、技術和容量的IGBT功率模塊，獲得了功率模塊各開關特性參數(shù)隨環(huán)境參數(shù)的多維分布趨勢。通過對不同技術和容量的

4、IGBT功率模塊進行測試:①分析了環(huán)路寄生電感對IGBT開關過程的影響;②提出了一種通過實驗波形提取功率模塊內部寄生電感的方法;③分析了IGBT的一種失效機理，發(fā)現(xiàn)反向恢復引起的二極管過壓失效比IGBT關斷過壓失效更容易發(fā)生，應給予特別關注;④對不同公司相同IGBT結構的半橋功率模塊進行測試和比較，為器件選型提供指導;⑤研究了一種新型拓撲的三電平IGBT功率模塊(optimizedA(T-type)-3levelcircuit），結合準

5、在線分析方法，比較了新型三電平電路和NPC三電平電路的器件損耗，結果顯示T型三電平電路的總導通損耗比NPC型三電平小，開關損耗比NPC型三電平大，在一定的開關頻率范圍內T型三電平電路具有器件損耗小的優(yōu)勢。
　　 由于精確的IGBT物理解析模型很難實現(xiàn)，本文避開IGBT的工作物理機理，結合測試平臺的大量實驗建立了一種IGBT開關特性的實驗模型——基于誤差反向傳播算法(backpropagation，BP)的IGBT開關特性神經(jīng)網(wǎng)絡

6、預測模型，實現(xiàn)了對IGBT在實際工況下的開關特性參數(shù)如器件電氣應力、開關損耗等的精確預測。與物理解析模型相比，基于實驗數(shù)據(jù)的開關特性預測模型容易建立且使用方便，可以對用戶購買的器件做定制的預測模型，具有較高的預測精度。
　　 針對BP神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層的節(jié)點數(shù)、網(wǎng)絡的目標期望誤差和神經(jīng)網(wǎng)絡的初始權值與閾值矩陣對網(wǎng)絡性能影響大、憑經(jīng)驗和試湊法設計網(wǎng)絡結構對性能的影響不可控、尋優(yōu)容易陷入局部極小值且無法逃離極值點等局限性，本文進一步引入

7、全局優(yōu)化算法對開關特性的BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型進行改進:采用遺傳優(yōu)化算法對隱層節(jié)點數(shù)和目標期望誤差進行混合整數(shù)規(guī)劃;分別采用遺傳算法、模擬退火算法和粒子群算法對神經(jīng)網(wǎng)絡的初始權值和閾值矩陣進行優(yōu)化，大大改善了BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的預測性能。
　　 經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)的訓練，用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型能以較高精度預測IGBT在不同的環(huán)路寄生電感、集電極電壓、集電極電流、器件結溫、驅動電阻和驅動電壓下硬開關狀態(tài)的開關特性參數(shù)。通過對開關特