用于压接型IGBT器件的集成PCB Rogowski线圈研究

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柔性直流输电是构建能源互联网的重要途径,可以解决我国能源生产消费不均衡的问题,其中压接型IGBT器件是柔性直流输电换流阀的核心器件。由于单颗压接式IGBT芯片面积小,通流能力低,为了提高柔性直流输电的输电容量,需要将多颗压接式IGBT芯片并联。但是由于并联芯片电气参数差异,导致IGBT芯片在开关过程中出现不均流以及电流过冲现象。为了对压接型IGBT器件的并联均流进行研究,设计一款微型电流传感器来实时检测压接式IGBT器件内部并联芯片的电流具有重要的意义。本文首先调研分析了大功率IGBT技术的发展史以及电流测量技术的研究现状,对于最适合于压接型IGBT器件电流测量的Rogowski线圈进行了重点阐述。明确了本文的研究内容为设计一款集成PCB Rogowski线圈用于压接型IGBT器件的内部芯片电流的测量。其次,本文分析了Rogowski线圈的工作机理以及两种工作方式;利用Matlab仿真分析了Rogowski线圈的结构参数和电气参数对其动态性能的影响;对被测导体偏移、磁场干扰以及电场干扰等三个影响Rogowski线圈测量误差的因素进行了研究,并提出了抑制措施。然后,根据IGBT集电极电流的频谱分析及压接型IGBT器件的结构特点,利用Altium Designer对线圈尺寸、布线、形状以及屏蔽方案进行了设计,最终研制出一款集成六个方形Rogowski线圈的PCB板,实现压接型IGBT器件内部并联芯片的实时测量。对加工好的带屏蔽层和不带屏蔽层的PCB Rogowski线圈,利用Q3D仿真以及阻抗分析仪测试对PCB Rogowski线圈进行电磁参数的测量。由于Rogowski线圈头的输出电压与被测电流的变化率成正比,因此要后接积分器来还原被测电流。在积分器的设计部分,搭建了一款无源积分与有源积分相结合的复合积分器,作为Rogowski线圈头的后续积分环节。通过交流扫描分析、周期信号仿真以及双脉冲仿真验证了复合积分器的有效性。最后,通过周期信号测试实验验证了PCB Rogowski线圈的微分特性;通过屏蔽效应实验验证了接地金属屏蔽层对电场噪声的抑制效果;通过双脉冲测试,将PCB Rogowski线圈的输出电压经过积分后与PEM公司的CWT UM 06Rogowski线圈进行对比,验证了本文设计的PCB Rogowski线圈有效性;将集成的PCB Rogowski线圈应用于压接型IGBT器件内部并联芯片电流的测量,为研究压接型IGBT器件的并联均流提供了参考。
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