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全浸式蒸发冷却IGBT电热耦合模型研究

电工技术学报 2022年第15期37卷 3845-3856页

作者：张玉斌温英科阮琳中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

电力电子器件的小型高集成度发展趋势对散热技术提出挑战。相较于间接液冷,采用全浸式蒸发冷却技术的绝缘栅双极型晶体管(IGBT),具有器件温升低、温度分布均匀的优点,因此其应用于IGBT冷却具有可行性和优越性。该文提出全浸式蒸发冷却I... 详细信息

电力电子器件的小型高集成度发展趋势对散热技术提出挑战。相较于间接液冷,采用全浸式蒸发冷却技术的绝缘栅双极型晶体管(IGBT),具有器件温升低、温度分布均匀的优点,因此其应用于IGBT冷却具有可行性和优越性。该文提出全浸式蒸发冷却IGBT电热耦合模型的建模方法。首先,基于参数拟合法,建立了IGBT模块的电模型,计算功率损耗;其次,根据等效导热系数,建立了全浸式蒸发冷却条件下IGBT的热模型,并在线性时不变系统的假设下得到了全浸式蒸发冷却IGBT的降阶模型;然后,建立了全浸式蒸发冷却IGBT电热耦合模型;最后,通过仿真和实验对建立的模型逐一进行验证,结果表明,所提出的模型能够准确表征IGBT的电、热及其耦合特性,并且具有模型参数提取简单、仿真速度快的优点。

关键词： IGBT 全浸式蒸发冷却技术电热耦合模型降阶模型

高压大功率IGBT失效机理和耐高温改性有机硅灌封材料研究综述

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高电压技术 2023年第4期49卷 1632-1644页

作者：王争东罗盟成永红西安建筑科技大学机电工程学院西安710055 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

随着当今世界能源消耗量和电力需求的增加,柔性直流输电技术得到了快速发展。绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为直流输电技术的关键装备,具有节能、高频、安装方便、散热稳定等诸多优点。在直流输电技术发... 详细信息

随着当今世界能源消耗量和电力需求的增加,柔性直流输电技术得到了快速发展。绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为直流输电技术的关键装备,具有节能、高频、安装方便、散热稳定等诸多优点。在直流输电技术发展的同时,IGBT电力电子装备不断向高电压、大功率的方向发展,其产生的热量和运行温度逐渐增加,致使其绝缘灌封系统失效问题日益突出,因此,寻找一种具有耐高温性能的绝缘灌封材料对于高压大功率IGBT等电气装备的发展具有重要的意义。该文从IGBT的封装结构入手,总结和分析了IGBT不同影响因素下的失效机理,并针对其中的高温作用下的封装失效,阐述了目前耐高温改性有机硅灌封材料的研究进展,同时对其应用领域进行了归纳,期望为新型耐高温有机硅灌封材料的研发提供一定的思路。

关键词： IGBT 绝缘封装失效机理耐高温有机硅

Characterization of Electric Field Distribution Within High Voltage Press-packed IGBT Submodules Under Conditions of Repetitive Turn-on and Turn-off

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CSEE Journal of Power and Energy Systems 2022年第2期8卷 609-620页

作者： Teng Wen Xiang Cui Sijia Liu Xuebao Li Zhibin Zhao State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing 102206China

The high-voltage high-power press-packed IGBT(PPI)devices are the key component of the DC transmission apparatus.A PPI device is composed of several PPI submodules.In general,the PPI submodule works in a state of repetitive turn-on and turn-off,and the corresponding working voltage is the positive periodic square waveform(PPSW)voltage,which is much different from the conventional AC or DC voltage.In addition,insulation capability is one of the most critical challenges in the design and fabrication of PPI devices.To improve the insulation capability of the device,composite insulation structures with multiple dielectrics are usually employed.Under the PPSW voltage,it is essential to analyze the transient electric field to solve the insulation challenge of the PPI devices.However,the electric field of the PPI is often calculated under the electrostatic field or DC field.Moreover,the transient characteristics of the electric field are ignored.Therefore,this paper focuses on the analysis of the transient characteristics of the electric field of the PPI submodule under the PPSW voltage.The influences of the waveform parameters of the PPSW voltage on the transient characteristics are demonstrated in detail.This study is significant for the insulation analysis and design of the PPIs.

关键词： Electroquasistatic field FEM IGBT positive periodic square waveform voltage transient electric field

一种用于V形钳位多电平变换器的IGBT吸收电路方案

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电工技术学报 2022年第14期37卷 3608-3619页

作者：薛尧王琛琛杨晓峰李凯郑琼林北京交通大学电气工程学院北京100044

只有公共直流侧电容的V形钳位多电平变换器(VMC)在中压、大功率电能变换的场合具备良好的应用价值。但当VMC电平数较高时,其换流回路电感不可避免地增大,使IGBT开关器件的关断过电压问题凸显。为此,该文提出一种简单的VMC吸收电路方案... 详细信息

只有公共直流侧电容的V形钳位多电平变换器(VMC)在中压、大功率电能变换的场合具备良好的应用价值。但当VMC电平数较高时,其换流回路电感不可避免地增大,使IGBT开关器件的关断过电压问题凸显。为此,该文提出一种简单的VMC吸收电路方案。依据VMC的运行原理,将其开关器件区分为主开关器件和辅助开关器件。主开关器件动作并切换电流通路,在每一对互补的主开关器件两端添加吸收电容(构成类似半桥开关能量缓冲单元),以抑制其关断过电压。而主开关器件相对应的辅助开关器件则先开通、后关断,仅提供静态电压支撑的功能,因此无需吸收电路保护。该文以七电平VMC为例,对所提的吸收电路方案进行了分析和研究。实验结果表明,所提的VMC吸收电路方案能够显著抑制开关器件的关断电压尖峰。并且,该方案仅需少量吸收电容与主开关一起构成类似半桥开关能量缓冲单元的形式即可实现所有开关器件的关断过电压保护,其成本低、可靠性高,具有良好的工程实用性。

关键词： V 形钳位多电平变换器吸收电路 IGBT 关断过电压电压尖峰

多芯片并联IGBT模块老化特征参量甄选研究

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电工技术学报 2022年第13期37卷 3304-3316,3340页

作者：丁雪妮陈民铀赖伟罗丹魏云海输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆400044

多芯片并联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是大容量电力电子装备的核心器件,其运行可靠性受到业界的广泛关注。甄选能表征多芯片并联IGBT模块老化状态的特征参量对系统主动运维和可靠性提升十分重要。该文以英飞凌1.7kV多芯片并联封装IGBT... 详细信息

多芯片并联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是大容量电力电子装备的核心器件,其运行可靠性受到业界的广泛关注。甄选能表征多芯片并联IGBT模块老化状态的特征参量对系统主动运维和可靠性提升十分重要。该文以英飞凌1.7kV多芯片并联封装IGBT模块为研究对象,对比分析芯片焊料层老化和键合线脱落对电-热-磁特性影响规律,提出磁感应强度作为多芯片并联IGBT模块疲劳失效状态监测的特征量。首先,建立多芯片并联IGBT模块稳态导通等效电路,定性分析模块退化与磁感应强度的耦合关系;其次,基于模块的三维电-热-磁有限元模型研究多芯片并联IGBT模块电、热、磁参量在老化失效中的变化规律和灵敏性。结果表明,磁感应强度在两种失效模式中灵敏性均最高,并不受环境温度变化的影响,而且在测量中可以避免与模块电路的直接接触,对模块的正常运行影响较小,因此适合作为多芯片并联功率模块运行状态监测的特征参量。

关键词：多芯片并联 IGBT 磁感应强度老化特征参量状态监测

用于电感负载的全固态双极性LTD型脉冲电流发生器

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电工技术学报 2023年第13期38卷 3413-3424页

作者：许宁米彦李政民郑伟马驰输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆400044 联合汽车电子有限公司上海201206

在基于脉冲功率技术的肿瘤治疗方法中,利用双极性脉冲磁场处理的治疗方法具有明显的优势。针对此应用,该文结合模块化全桥型多电平换流器(FB-MMC)拓扑及直线变压器驱动(LTD)拓扑的优势,提出了一种用于电感负载的全固态双极性LTD型脉冲... 详细信息

在基于脉冲功率技术的肿瘤治疗方法中,利用双极性脉冲磁场处理的治疗方法具有明显的优势。针对此应用,该文结合模块化全桥型多电平换流器(FB-MMC)拓扑及直线变压器驱动(LTD)拓扑的优势,提出了一种用于电感负载的全固态双极性LTD型脉冲电流发生器。首先,对该文提出的拓扑结构及原理进行介绍,详细分析了发生器在电感负载下的工作过程;然后,对发生器的硬件电路进行了设计与选型;最后,研制了一台4级全固态双极性LTD型脉冲电流发生器样机并对其进行性能测试。测试结果表明,该发生器可在电感负载下输出±800A的脉冲电流,电流的上升时间为600 ns;发生器的最高工作频率为10 kHz,并具备灵活的波形调制功能,能输出三角波、梯形波及阶梯波等多种波形。

关键词：双极性直线变压器驱动模块化全桥型多电平换流器电感负载波形调制 IGBT

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IGBT多物理场建模技术与应用研究概述

中国电机工程学报 2022年第1期42卷 271-289页

作者：耿学锋何赟泽李孟川任丹彤邹翔赵俊蒙李运甲湖南大学电气与信息工程学院湖南省长沙市410082 电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 陕西省西安市710049

IGBT作为电能变换的核心器件,在电力电子中的地位不言而喻。然而IGBT内部复杂的多物理场交互及不同的应用场景使人们难以对其行为特性以及机理进行精确描述。多物理场仿真从场的角度刻画IGBT在运行过程中的内部规律,为解决上述问题提供... 详细信息

IGBT作为电能变换的核心器件,在电力电子中的地位不言而喻。然而IGBT内部复杂的多物理场交互及不同的应用场景使人们难以对其行为特性以及机理进行精确描述。多物理场仿真从场的角度刻画IGBT在运行过程中的内部规律,为解决上述问题提供了有效手段。文中总结前人研究成果,梳理当下IGBT的多物理场建模技术以多物理场分析在IGBT中的应用现状,归纳所存在的问题和难点,并分析未来该技术在IGBT中继续应用发展的趋势,如模型的降阶、非线性求解、电磁热力全耦合、多尺度协调、数字孪生等技术。可以预见,随着宽禁带半导体材料的应用,多物理场建模技术将进一步在机理揭示、封装优化、状态监测和失效分析等领域发挥重要作用。

关键词： IGBT 多物理场建模技术状态监测电磁热力

基于IGBT的新型固态直流断路器设计与分析

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高压电器 2022年第4期58卷 17-24页

作者：丁璨聂太平陈天凡田小健袁召三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443002 华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室武汉430074

直流断路器是柔性直流输电系统组网的关键设备,对直流输配电网的安全性、稳定性有着重要的意义。文中提出了一种基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的新型固态直流断路器拓扑,在提高断路器切断电流能力的... 详细信息

直流断路器是柔性直流输电系统组网的关键设备,对直流输配电网的安全性、稳定性有着重要的意义。文中提出了一种基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的新型固态直流断路器拓扑,在提高断路器切断电流能力的同时,提高了避雷器和IGBT的使用寿命。通过引入接地引流二极管,减轻避雷器吸收能量的压力,加快电流分断的速度。基于所提拓扑设计了10 kV的直流断路器模型,在PSCAD/EMTDC中进行了验证,仿真结果表明:基于所提出的方案,最大开断电流可达5kA,故障电流转移到主断流支路的时间为0.4 ms,避雷器吸收能量的时间为1.89 ms,同时减少了避雷器吸收的能量,符合直流断路器的设计要求。文中的仿真结果验证了该方案的可行性。

关键词：固态直流断路器 IGBT 拓扑结构避雷器吸能故障电流

大功率MMC系统中子模块IGBT状态监测系统设计方法

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重庆大学学报 2023年第11期46卷 102-118页

作者：罗丹陈民铀赖伟夏宏鉴黎昌盛国网重庆市电力公司市南供电分公司重庆401336 重庆大学输变电装备技术全国重点实验室重庆400044

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor)是模块化多电平换流阀(modular multi-level converter, MMC)中的关键部件之一,对其运行状态进行在线监测是保障MMC系统安全、可靠和经济运行的重要措施。针对MMC子模块中多芯片... 详细信息

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor)是模块化多电平换流阀(modular multi-level converter, MMC)中的关键部件之一,对其运行状态进行在线监测是保障MMC系统安全、可靠和经济运行的重要措施。针对MMC子模块中多芯片并联IGBT模块运行状态难以实时监测的问题,文中提出了基于模块壳温分布规律与老化状态映射关系的运行状态监测系统设计方法,以实现不同工况下IGBT模块状态的自适应评估和管理。首先,分析了MMC子模块中IGBT模块老化失效对热流的影响规律,甄选了壳温作为表征模块状态的特征参量。其次,建立了适用于不同工作点的基于神经网络的IGBT模块老化状态监测模型,并根据不同应用场景的需求偏好实现了对功率模块运行状态的表征和识别;最后,基于所提的状态监测系统设计方法在MMC测试平台上验证了方法可行性和有效性。文中所提方法为解决大功率工况下MMC子模块中IGBT模块的状态监测问题提供了新的思路,为系统的运行维护提供了实用、有效的解决方案。

关键词： MMC IGBT 状态监测系统神经网络运行状态