IGBT串联技术在雷达脉冲调制器中的应用

介绍了氢闸流管开关雷达脉冲调制器的工作过程和特点,给出了串联IGBT新型调制器的技术方案,并对IGBT的驱动保护和串联运行电压失衡原因进行了分析,给出了电压均衡方法,证明了串联IGBT在雷达脉冲调制器中应用的可行性.     

20kV/30A 40kHz全固态刚管调制器

现代雷达的发展对大功率阴极调制类真空管发射机提出了全波形工作的要求,这就需要大功率高重复频率的调制器。介绍了最近研制成功的一种小型化全固态刚管调制器,它采用IGBT串并联技术,可应用于中等功率多注速调管,其输出脉冲电压20kV,脉冲电流30A,重复频率达40kHz。介绍了开关管的选型、调制器的电路拓扑、调制器驱动电路、开关管的均压、均流电路和负载短路保护电路等;给出了部分组成框图,重点论述了该调制器降低开关管损耗的关键技术;同时给出了各种参数下的工作波形;最后讨论了它在雷达发射机中的应用前景。     

大功率固态脉冲调制器技术分析

介绍了目前国际高能粒子加速器领域中大功率固态高压脉冲调制器的发展状况,讨论了串联开关型和感应叠加型两种技术路线的特点,后者因输入电压低、变压器采用同轴结构等原因有一定的优越性。建立了单元电路的简化模型,仿真显示减少单元电路漏感是实现快速脉冲的关键。该路线涉及大功率IGBT快速驱动技术、同轴磁芯设计等其它关键技术。最后给出了一台34 MW速调管的调制器设计方案和单元电路输出波形。     

大功率IGBT在固态脉冲调制器中的应用

介绍了感应叠加型大功率同态脉冲调制器;使用3.3kV/800A绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为调制器组元电路开关,设计了大功率固态脉冲调制器用3.3kV/800A IGBT的驱动和保护电路;给出了相关的实验波形.     

采用FPGA控制的IGBT串联高压调制器的研制

高压调制器在脉冲功率技术中有很重要的作用,而IGBT串联是固态调制器技术发展的趋势。电路分布参数及各单元电路参数的差别制约可靠性,严重时将造成IGBT在开通、关断过程中集射极间的电压超过额定值而遭损坏。为此,在新的RCD动态均压电路的基础上,利用FPGA和VHDL设计了IGBT驱动信号分配电路,实现了串联IGBT各单元精确延时开通与关断控制、逻辑综合保护,并结合驱动电路完成了缺电、过流、过压保护等。工程上结合中国环流二号装置NBI抑制极电源要求,设计了12 kV/20 A的调制器。实验结果表明,该方法是一种有效的主动式动态均压方法,能为更高电压、电流等级的固态调制器设计提供好的参考与工程应用基础。     

均压驱动耦合型单驱动IGBT串联电路设计

为给介质阻挡放电提供电压、频率、脉宽可调的高压脉冲,文中设计了均压驱动耦合型单驱动IGBT串联电路。该串联电路在每个IGBT两端并联一个动态均压与驱动信号输出耦合电路,在导通关断时,一方面保证IGBT两端电压不超过额定电压,另一方面为下级IGBT提供驱动截止信号。通过仿真研究,验证了电路原理的可行性,探索了元器件的选型规则。通过实验研究,实现了电源电压在0～15 kV可通断、频率在0～1 kHz可调节、脉冲宽度在一定范围内可变化,并成功实现介质阻挡放电。该电路解决了多驱动IGBT串联电路需要隔离高压电源及单驱动IGBT串联电路结构难以扩展,各级IGBT导通关断跟随性差,元器件容易损坏的缺陷。该电路同样适用于MOSFET,具有很好的应用前景。     

模块化全固态高压ns脉冲开关技术

为满足脉冲功率技术所需高电压幅值、高重复频率脉冲源的要求,研究了一种新型绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联技术,它用5个IGBT进行串联,并将控制、驱动、均压、缓冲电路和IGBT组成一体化模块结构,模块的体积小、重量轻。驱动信号经高频脉冲变压器耦合,可以同步驱动多个高电位的IGBT,输出脉冲的宽度和频率由单片机控制。经试验表明,100Ω的电阻负载时每个模块可输出前沿<100 ns、脉冲频率160 Hz~10 kHz、脉冲幅值约3.5 kV的可调脉冲电压,而且模块可以进行多个串并联。     

基于AVC的IGBT直接串联技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在高压大功率场合的应用要求促进了IGBT的串联应用研究,而有源电压控制(AVC)技术能实现IGBT串联应用时的同步工作及电压均衡,已被证明是一种的控制IGBT开关性能的方案。基于此,从AVC的基本原理出发,提出了不同的参考电平及设计要求,设计了基于AVC的门极驱动及保护单元(GDU)板及实验电路。通过6个IGBT串联的10 kV/300 A的脉冲实验,验证了AVC的电压均衡效果。     

基于有源电压控制法和无源缓冲法的IGBT串联均压技术

单个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)由于耐压的限制,在节能和改善电网电能质量、柔性直流输电、高压变频器、静止同步补偿器,以及有源电力滤波器等高压大功率电能变换场合还不能满足需求,而串联使用是一种较好的解决方案,但IGBT的串联使用需要解决一系列综合问题。文中结合有源电压控制(AVC)和无源电阻电容二极管(RCD)均压技术,从栅极驱动模块、参考电压波形、过流保护模块、无源缓冲电路参数计算等方面系统地描述了串联IGBT均压的综合解决方案。在此基础上研制了由4只IGBT模块串联组成的阀臂,并进行了脉冲试验,脉冲放电过程中阀臂中的每只IGBT均压稳定,电压过冲小于5%。在此基础上研制了一套3kV,600kVA的三相电压源换流器(VSC)样机,稳定地进行了额定功率的整流与逆变运行,验证了该IGBT模块直接串联技术的有效性与实用性。     

一种固态调制器的设计分析

按某气象雷达对发射系统的具体要求,在满足磁控管正常工作条件的情况下,给出了调制器的技术指标,形成了调制器实现的功能框图,并介绍了其各个部分的原理和功能。调制器的设计采用3只串联可控硅作为放电开关(固态调制器);其最大工作电压可达3 kV,实际工作有40%的冗余,有利于提高调制器的可靠性;高压电源采用回扫充电方式的开关电源,它使充电、放电分时进行,可以抗调制器连通,减少电源纹波对调制器指标的影响;1μs矩形脉冲采用双线PFN形成,并给出了严格的理论分析,得到了可靠的调制器设计参数。双线PFN的充电电压和输出电压相等,在调制器输出电压相同的情况下,双线PFN的充电电压比单线PFN减小一半,可以有效地减少串联SCR的数量,给使用和维护带来了方便。调制器监控是通过PLC(Programed Logic Controller)编程实现的。PLC具有很强的抗干扰性能,并有标准的422串行接口,有利于外部连接。调制器对所有的故障信号和状态信号实时监控,把故障信号与加高压信号互锁,保证人、机安全。该调制器具有体积小、重量轻的特点,便于安装、使用。结果证明文中的逻辑分析和参数选择是合理的,满足工程设计要求。目前该调制器已在多部气象雷达发射机中应用,工作安全、可靠,对今后这方面的相关工程设计具有一定的借鉴作用。     

单片机控制的直流PWM传动系统

本文介绍了以８０３１单片机作为控制核心的直流ＰＷＭ传动系统。该系统以ＩＧＢＴ构成系统主电路，并利用８２５３扩展芯片实现了倍频式的脉宽调制器和Ｍ／Ｔ法测速。使系统的性能得到较大的提高。     

Double-stage gate drive circuit for parallel connected IGBT modules

Solid state modulators are increasingly being used in pulsed power applications. In these applications IGBT modules must often be connected in parallel due to their limited power capacity. In a previous paper, we introduced a control method for balancing the currents in the IGBTs. In this paper, we investigate techniques to minimize the modules' rise and fall times, which can positively impact the modulator's output pulse parameters, which in turn must meet the application's specifications. Further, a reduction in rise and fall times lowers switching losses and thus increases the modulator's efficiency. To reduce the voltage rise time of the pulse without increasing the maximal over-voltage of the parallel IGBTs we have investigated a double-stage gate driver with protection circuits to avoid over-voltages and over-currents. Additionally voltage edge detection has been implemented to improve current balancing. Our measurement results reveal the dependency of the rise-time and turnoff losses on the design parameters of the gate drive. We show that our design achieves a 62% reduction in the turn-off rise time, and a 32% reduction in the turn-off losses.     

冲击磁铁脉冲发生器技术分析

为了配合合肥光源的满能量注入系统升级,分析了传输线型,简化PFN(脉冲形成网络)型和固态感应叠加型等几种用于冲击磁铁的高压大电流脉冲发生器技术和升级需要的冲击磁铁参数。建立了几种脉冲发生技术相应的的基本电路模型,并利用通用电路仿真软件Pspice仿真计算了相关参数,比较分析了各自的技术特点。重点介绍了新型的磁耦合固态感应叠加型脉冲发生器,建立了基于IGBT开关的感应叠加脉冲发生器样机,给出了实验波形。结果表明,感应叠加型脉冲发生器可以满足升级改造的要求,并具有脉冲上升下降时间较快,脉宽可调的特点。     

基于FPGA的大功率IGBT驱动触发系统设计

针对多重化电容储能型脉冲系统的需求,设计了一种基于现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）的大功率IG-BT（Insulated Gate Bipolar Transistor）驱动触发系统,介绍了其设计思想和实现电路。该系统可实现远程控制或本地控制,能够产生多路频率、脉宽和延时独立可调的脉冲信号,并在此基础上与常用大功率IGBT驱动芯片2SD315A配合进行了触发实验,用于驱动3300V/1200A大功率IGBT。实验结果表明该触发系统具有良好的可调性,可满足脉冲系统中IGBT对触发信号的要求,能有效提高脉冲系统的可控性。     

High Voltage Pulsed Power Supply Using IGBT Stacks

High voltage pulsed power supply using IGBT (insulated gate bipolar transistor) stacks and pulse transformer for plasma source ion implantation is proposed. To increase voltage rating, twelve IGBTs are used in series at each IGBT stack and a step-up pulse transformer is utilized. To increase the current rating, the proposed system makes use of synchronized three pulse generator modules composed of diodes, capacitors and IGBT stacks. The proposed pulsed power supply uses semiconductor switches as main switches. Hence, the system is compact, and has semi-infinite lifetime. In addition, it has high flexibility in parameters such as voltage magnitude (10-60 kV), pulse repetition rate (PRR) (10-2000 pps), and pulse width (2-5 muS).     

Generalized solid-state marx modulator topology

A generalized circuit topology for bipolar or unipolar high voltage repetitive pulse power applications is proposed. This circuit merges the negative and positive solid state Marx modulator concepts, which take advantage of the intensive use of semiconductor devices to increase the performance of the original dissipative Marx modulators. The flexibility of the proposed modular circuit enables the operation with negative and/or positive pulses, selectable duty cycles, frequencies and relaxation times between the positive and negative pulse. Additionally, the switching topology enables the discharge of the parasitic capacitances after each pulse, allowing the use of capacitive loads, and the clamping of inductive loads, recovering the reset energy back to the main capacitors. Analysis of efficiency and power loss will be addressed, as well as experimental details for different conditions based on laboratory prototype, with 1200 volt Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT), diodes, and 4.5 μF capacitors.     

IGBT动态串并联驱动信号补偿的研究

为解决多个IGBT的串并联问题以实现单管IGBT在高电压、大电流场合的应用,在研究了各种IGBT串并联的直接主动控制和间接被动控制方法后分析了IGBT串并联发生动态不均压均流的原因,明确了驱动信号的同时工作是可靠地实现控制方法的关键。结合工程实际的应用,采用一个高频脉冲变压器KCB-02A1来补偿IG-BT门极驱动信号,由电路基本理论推导出该脉冲变压器的参数选取原则;然后运用计算机辅助设计软件PSPICE仿真验证了该方法在IGBT串联动态均压中的有效性;最后通过搭建实验电路验证了该方法能实现并联动态均流的驱动信号补偿,从而能整体实现IGBT串并联的动态实用性,给工程实用中的IGBT动态串并联运行提供了一种可行的方法。     

大功率IGBT栅极驱动电路的研究

在大功率IGBT应用系统中,脉冲变压器隔离的栅极驱动电路由于能得到相对较高的隔离电压,可实现较高开关频率等优点,被广泛应用。在高压大电流IGBT特性分析的基础上,从实践出发对IGBT驱动电路的影响因素做了深入的研究,并探讨了IGBT栅极驱动电路设计注意的几个问题。对很有实际应用价值的脉冲变压器隔离的IGBT栅极驱动电路及其相应芯片进行了分析研究。由此可以更深刻地理解IGBT的驱动电路及其影响因素,这对正确使用IGBT器件及其驱动电路的设计有一定的实用价值。     

压接式IGBT模块的动态特性测试平台设计及杂散参数提取

压接式IGBT模块具有散热性能好、杂散电感小、短路失效直通等特点,在柔性直流输电等大容量电力电子变换系统中具有极为重要的应用潜能。然而,目前学术界和工业界尚未很好地理解压接式IGBT模块的动态开关特性,严重制约了其推广应用。从压接式IGBT的封装结构和电气特性出发,基于双脉冲测试原理,设计并搭建压接式IGBT模块的动态开关特性测试平台。采用Ansoft Q3D软件对测试平台的杂散参数进行仿真,分析杂散参数的分布特征、影响与提取方法,并通过实验进行验证,揭示叠层母排技术与吸收电容对器件关断电压尖峰的抑制作用,低寄生电感总和验证了平台设计方案的合理性。