CN110932569A - 一种电力机车四象限功率模块igbt的并联结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构，包括并联的IGBT模块及四象限功率模块，IGBT模块的桥臂为H1和H3并联，B1和B3并联，实现电气原理上并联对称；IGBT模块的封装设计为叠层母排，所述叠层母排上设有绝缘支撑座，用于支撑叠层母排重量；所述IGBT模块为从同一厂家、同一型号、同一批次中选择的VGE(th)、VCE(sat)、VF参数最接近的两个IGBT进行配对；四象限功率模块采用驱动板和配置板分离，处于并联状态的两个IGBT模块共用一块驱动板，各用独立的配置板，调节配置板栅极外围电容方式，使得参数存在差异的IGBT模块接收的控制信号保持同步，配置板上配备保护器件。本发明的优点是，经济可靠、电气原理及结构布局对称、IGBT模块参数一致、驱动信号同步。

Description

一种电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构

技术领域

本发明属于电力机车领域，具体涉及一种电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构。

背景技术

目前在轨道交通技术装备中传动系统中的关键部分为牵引变流器，电力电子器件又是变流器中最核心的器件之一。IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)作为一种可控器件在轨道交通中牵引变流器和各种辅助变流器中得到广泛的应用，在牵引变流器中IGBT模块承载了所有的输出电流，因此IGBT通过的电流是较为可观的。但是现有电力机车IGBT模块存在以下缺点：

1)在轨道交通应用领域，主电路(直流电容到IGBT模块间)存在较大杂散电感，IGBT模块附近如果有强磁场，则模块的均流会受到影响。如果两个IGBT模块并联且并列安装，如果交流排的输出电缆在摆放时靠近其中某一个IGBT模块而远离另外一个，则均流性能就会出问题，该现象的原因是某个大电流在导线上流动时会产生磁场，对磁场内的其他导通的电流产生“挤出”或“吸引”的效应；因此，在结构设计时采用走线方式或铜排走线势必存在大量弯曲，形成较大杂散电感。

2)IGBT的开通门槛电压VGE(th)和VCE(sat)存在个体差异，同一栅压下VGE(th)低的IGBT会先导通，承受电路中的大部分电流，如果电流过大且超过额定电流值，可能会引起IGBT的损坏，导致整体电路的故障；当IGBT并联使用的时候，VCE(sat)越小的IGBT模块承受的电流越大，务必让两个IGBT模块的VCE(sat)平衡，否则会导致IGBT导通瞬间两个IGBT的电流不平衡而损坏。同理，作为整流桥功能使用时，需要考虑具二极管的导通电压VF。

3)驱动电路输出栅极驱动信号的不同步也会导致IGBT在开启和关断时的瞬态电流分布不均衡。驱动电路的控制信号需要经过一系列电子元件、导线及栅极电阻的传输后，最终到达IGBT的栅极，这个过程会使栅极驱动信号有一定的时差，使并联IGBT在不同的时间节点开启、关断，先开启或者后关断的IGBT就会承担较大的过电流，如果电流过大且超过额定电流值，可能会引起IGBT的损坏，导致整体电路的故障。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种经济可靠、电气原理及结构布局对称、IGBT模块参数一致、驱动信号同步的电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构，包括并联的IGBT模块及四象限功率模块，所述IGBT模块的桥臂为H1和H3并联，B1和B3并联，实现电气原理上并联对称；所述IGBT模块的封装设计为叠层母排，所述叠层母排上设有绝缘支撑座，用于支撑叠层母排重量；

所述四象限功率模块采用驱动板和配置板分离，处于并联状态的两个IGBT模块共用一块驱动板，各用独立的配置板，调节配置板栅极外围电容方式，使得参数存在差异的IGBT模块接收的控制信号保持同步，配置板上配备保护器件。

进一步的，所述叠层母排为三层母排，分别为S1、S2、S3。

进一步的，所述IGBT模块为从同一厂家、同一型号、同一批次中选择的VGE(th)、VCE(sat)、VF参数最接近的两个IGBT进行配对。

进一步的，所述IGBT模块包括IGBT芯片及二极管芯片。

进一步的，所述并联的IGBT模块用于在四象限模块作为整流桥功能工作时实现二极管均流，在四象限模块作为能馈功能使用时实现IGBT均流。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明四象限功率模块根据大功率IGBT的常规封装设计叠层母排，根据并联IGBT拓扑设计三层母排，在结构布局上实现了IGBT模块并联支路的等效电阻、杂散电感的对称，且叠层母排可以有效降低杂散电感；并联IGBT模块的一个桥臂H1和H3并联，B1和B3并联，在电气原理上实现并联对称；叠层母排上设有绝缘支撑座，用于支撑叠层母排重量，以保护IGBT模块。IGBT模块为从同一厂家、同一型号、同一批次中选择的VGE(th)、VCE(sat)、VF参数最接近的两个IGBT进行配对，用于IGBT并联，有效减小IGBT的个体差异；四象限功率模块采用驱动板和配置板分离的方式，处于并联状态的两个IGBT模块共用1块驱动板，各用独立的配置板，驱动板至配置板的电缆厂家、型号、长短一致，通过调节配置板栅极外围电容的方式，使得参数存在差异的IGBT模块接收的控制信号保持同步，配置板上配备各种保护器件，保证IGBT模块处于安全工作范围内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明并联IGBT拓扑图；

图2为本发明四象限功率模块叠层母排示意图；

图3为本发明驱动分离示意图；

图4为本发明配置板电路图；

图中：1-叠层母排，2-驱动板，3-配置板，4-绝缘支撑座。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。

一种电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构，在HXD2型电力机车四象限功率模块的实际应用中，综合考虑经济、可靠等因素，采用双IGBT模块并联技术以满足前、后级功率需求。

本发明电力机车四象限功率模块的IGBT模块并联使用，必须保持并联的两只IGBT模块尽量对称，包括电气原理及结构布局对称、IGBT模块参数一致、驱动信号同步。本发明针对以上问题的解决方案是：

1、电气原理及结构布局对称：

本发明电力机车四象限功率模块IGBT并联实现方案如图1所示：

图1中是并联IGBT模块的一个桥臂，其中H1和H3并联，B1和B3并联，在电气原理上实现并联对称。

因为IGBT模块内部包含有IGBT芯片和二极管芯片，当四象限模块作为整流桥功能工作的时候需要考虑二极管均流；当四象限模块作为能馈功能使用时需要考虑IGBT均流，如果两个模块电流不均匀，流通电流较大的模块可能会因为过流而损坏。

在轨道交通应用领域，主电路(直流电容到IGBT模块间)存在较大杂散电感，IGBT模块附近如果有强磁场，则模块的均流会受到影响。如果两个IGBT模块并联且并列安装，如果交流排的输出电缆在摆放时靠近其中某一个IGBT模块而远离另外一个，则均流性能就会出问题，该现象的原因是某个大电流在导线上流动时会产生磁场，对磁场内的其他导通的电流产生“挤出”或“吸引”的效应；因此，在结构设计时采用走线方式或铜排走线势必存在大量弯曲，形成较大杂散电感。

本发明电力机车四象限功率模块根据大功率IGBT的常规封装设计叠层母排1，根据并联IGBT拓扑设计三层母排，分别是S1、S2、S3，在结构布局上实现了IGBT模块并联支路的等效电阻、杂散电感的对称，且叠层母排1可以有效降低杂散电感。

此外考虑叠层母排1材质以铜为主自生重量较大，为保护IGBT安全，本发明还设有绝缘支撑座4，用于支撑叠层母排1重量，以保护IGBT模块。叠层母排1结构如图2所示。

2、IGBT模块的参数一致：

IGBT的开通门槛电压VGE(th)和VCE(sat)存在个体差异，同一栅压下VGE(th)低的IGBT会先导通，承受电路中的大部分电流，如果电流过大且超过额定电流值，可能会引起IGBT的损坏，导致整体电路的故障；当IGBT并联使用的时候，VCE(sat)越小的IGBT模块承受的电流越大，务必让两个IGBT模块的VCE(sat)平衡，否则会导致IGBT导通瞬间两个IGBT的电流不平衡而损坏。同理，作为整流桥功能使用时，需要考虑具二极管的导通电压VF。

由于以上参数均为IGBT模块的固有属性，且具有个体差异，因此在使用IGBT并联桥臂的时候需要对IGBT进行筛选，且筛选过程尤为重要。为了减小IGBT的个体差异，在HXD2型电力机车四象限功率模块IGBT并联应用中，都从同一厂家、同一型号、同一批次中选择。并对IGBT进行开关试验，检测IGBT模块的VGE(th)、VCE(sat)、VF，选择以上参数最接近的两个IGBT进行配对，用于IGBT并联。

3、驱动信号同步

驱动电路输出栅极驱动信号的不同步也会导致IGBT在开启和关断时的瞬态电流分布不均衡。驱动电路的控制信号需要经过一系列电子元件、导线及栅极电阻的传输后，最终到达IGBT的栅极，这个过程会使栅极驱动信号有一定的时差，使并联IGBT在不同的时间节点开启、关断，先开启或者后关断的IGBT就会承担较大的过电流，如果电流过大且超过额定电流值，可能会引起IGBT的损坏，导致整体电路的故障。

为了确保并联的IGBT模块栅极接收的控制信号始终保持同步，本发明电力机车四象限功率模块采用驱动板2和配置板3分离的方式(如图3)，处于并联状态的2个IGBT模块共用一块驱动板2，各用独立的配置板3，驱动板2至配置板3的电缆厂家、型号、长短一致，通过调节配置板3栅极外围电容的方式(如图4)，使得参数存在差异的IGBT模块接收的控制信号保持同步，配置板3上配备各种保护器件，保证IGBT模块处于安全工作范围内。

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构，包括并联的IGBT模块及四象限功率模块，其特征在于，所述IGBT模块的桥臂为H1和H3并联，B1和B3并联，实现电气原理上并联对称；所述IGBT模块的封装设计为叠层母排(1)，所述叠层母排(1)上设有绝缘支撑座(4)，用于支撑叠层母排(1)重量；

所述四象限功率模块采用驱动板和配置板分离，处于并联状态的两个IGBT模块共用一块驱动板(2)，各用独立的配置板(3)，调节配置板(3)栅极外围电容方式，使得参数存在差异的IGBT模块接收的控制信号保持同步，配置板(3)上配备保护器件。

2.根据权利要求1所述的一种电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构，其特征在于，所述叠层母排(1)为三层母排，分别为S1、S2、S3。

3.根据权利要求1所述的一种电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构，其特征在于，所述IGBT模块为从同一厂家、同一型号、同一批次中选择的VGE(th)、VCE(sat)、VF参数最接近的两个IGBT进行配对。

4.根据权利要求1所述的一种电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构，其特征在于，所述IGBT模块包括IGBT芯片及二极管芯片。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种电力机车四象限功率模块IGBT的并联结构，其特征在于，所述并联的IGBT模块用于在四象限模块作为整流桥功能工作时实现二极管均流，在四象限模块作为能馈功能使用时实现IGBT均流。

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