基于GaN-FET的IGCT驱动器开关电路研究

作     者：高旭明 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王彩琳;许长安

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：集成门极换流晶闸管 寄生电感 均流 印刷电路板 

摘      要：集成门极换流晶闸管(IGCT)具有导通损耗低、阻断电压高、成本低和可靠性高等优点,已经在模块化多电平变流器、电能传输和风力发电等高电压和大电流场合应用。为了提升其关断能力,需要对其关断回路的杂散阻抗进行严格控制。本文以4500V/6000A IGCT驱动器为研究对象,通过GaN-FFT多管并联、陶瓷电容与电解电容组合及PCB布局优化,将关断回路的杂散阻抗限制在极低水平,完成了以Si-MOSFET和GaN-FET为开关的IGCT驱动PCB板设计和实验验证。主要研究内容和结论如下:首先,门极开通与关断电路仿真。根据4500V/6000A IGCT技术指标,利用Cadence16.6-Pspice对IGCT门极开通和关断电路进行分析与设计,并对相关元器件进行选型。采用GCT的等效M-2T-3R电路模型,对所设计的开关电路进行仿真。结果表明,与Si-MOSFET关断电路相比,采用GaN-FET的关断电路获得的门极电流脉冲的幅值和上升率分别提高了 19.6%和19.5%。其次,GaN-FET的多管并联均流问题研究。分析了影响GaN-FET并联均流的敏感参数,为了实现多管并联时的电流均衡,要求各管中电流不均衡度限制在10%以内。利用LTspice软件对GaN-FET动态特性及多管均流特性进行仿真。结果表明,当源极电感差异控制在0.01nH以内、漏极电感差异控制在2nH以内、栅极电感差异不超过0.63nH时可以满足均流特性的要求,为后续PCB布局提供了依据。最后,门极驱动PCB板的实验验证。基于以上理论和仿真分析,设计并研制出采用GaN-FET和Si-MOSFET的两版IGCT驱动PCB板,搭建了实验电路,进行了测试和对比分析。结果表明,与Si-MOSFET驱动板相比,GaN-FET驱动板关断电路的寄生电感由1.67nH降低到0.9nH(减小了 46.1%),使关断电流脉冲幅值和上升率分别提高了 12.5%和83.3%。可见,采用GaN-FET替换IGCT关断回路中的Si-MOSFET,可以显著提升驱动器的性能。