Solução Integrada para o Disparo de IGBTs Conectados em Série Baseada no Comando Típico de Tiristores

Gustavo O. Fortes; Marcos A. S. Mendes; Porfírio C. Cortizo

doi:10.18618/REP.2019.4.0033

Authors

Gustavo O. Fortes Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte – MG, Brasil
Marcos A. S. Mendes Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte – MG, Brasil
Porfírio C. Cortizo Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte – MG, Brasil

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2019.4.0033

Keywords:

Associação em série, circuito de disparo, IGBTs, inversores de média tensão, tiristores, TO-247

Abstract

A utilização de IGBTs conectados em série ainda é um tema atual na literatura, a despeito de sua discussão ter se iniciado na década de 90. É intrigante que, apesar dos inúmeros estudos acadêmicos, atualmente não existam produtos comerciais disponíveis dentro do mercado de inversores de média tensão (até 4,16kV) e menor potência (até 1MW), utilizando essa tecnologia. Esse fato está relacionado com a dificuldade de garantir o compartilhamento dinâmico e estático de tensão entre IGBTs, originando circuitos de disparo complexos e com custo relativo elevado, se comparado com os componentes que esses pretendem comandar. Dessa forma, o presente artigo visa apresentar uma alternativa simples e de baixo custo, entretanto, efetiva para o disparo de IGBTs de baixa tensão associados em série, especificamente para o modelo de encapsulamento TO-247. São apresentados resultados experimentais mostrando os comportamentos da solução em várias condições operacionais.

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Author Biographies

Gustavo O. Fortes, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte – MG, Brasil

graduou -se em Engenharia de Controle e Automação em 2007. Em 2011 recebeu o título Mestre em Engenharia Elétrica, sendo desde de 2015 doutorando, também, do programa de Pós -graduação em Engenharia Elétrica da UFMG. Ele foi, de 2007 a 2008, analista de desenvolvimento da Engetron fabricante de no -breaks. Entre 2008 a 2012, foi Engenheiro Eletricista Sênior na Converteam. Atualmente é Engenheiro Eletricista Líder na General Eletric Power Conversion América Latina. Suas áreas de interesse são: eletrônica de potência, conversores multiníveis, sistemas de controle, modulação e acionamentos de máquinas elétricas.

Marcos A. S. Mendes, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte – MG, Brasil

doutorado (2000), mestrado (1996) e graduação (1994) em Engenharia Elétrica pela UFMG. Cursou Técnico em Eletrônica (1986) pelo Coltec - UFMG. Atualmente é Professor Associado IV no Departamento de Engenharia Eletrônica da Universidade Federal de Minas Gerais e membro do Grupo de Eletrônica de Potência - GEP – UFMG. Principais temas de pesquisas são: conversores multiníveis, técnicas de modulação PWM, Fontes alternativas de energia, HVDC, Qualidade da energia elétrica e acionamentos elétricos.

Porfírio C. Cortizo, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte – MG, Brasil

graduou -se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Minas Gerais (1978) e obteve -se título de doutorado em Electrotechnique - Institut National Polytechnique de Toulouse (1984). Atualmente é professor Titular da Universidade Federal de Minas Gerais. Atua na área de Eletrônica de Potência estudando temas sobre UPS, Paralelismo de conversores, Inversores Multiníveis.

References

P. R. Palmer, A. N. Githiari, "The series connection of IGBTs with optimised voltage sharing in the switching transient", in Power Electronics Specialists Conference, PESC'95, IEEE, vol. 1, pp. 44-49, Junho 1995.

S. Hong, V. Chitta, D. A. Torrey, "Series connection of IGBT's with active voltage balancing", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35, pp. 917-923, Junho/Agosto 1999.https://doi.org/10.1109/28.777201 DOI: https://doi.org/10.1109/28.777201

M. Bruckmann, R. Sommer, M. Fasching, J. Sigg, "Series connection of high voltage IGBT modules", In Industry Applications Conference, Thirty-Third IAS Annual Meeting, IEEE, vol. 2, pp. 1067-1072, Outubro 1998.

P. R. Palmer, H. S. Rajamani, N. Dutton, "Experimental comparison of methods of employing IGBTs connected in series", Proceedings Electric Power Applications, IEEE, vol. 151, pp. 576-582, Setembro 2004.https://doi.org/10.1049/ip-epa:20040354 DOI: https://doi.org/10.1049/ip-epa:20040354

N. Y. A. Shammas, R. Withanage, D. Chamund, "Review of series and parallel connection of IGBTs", Proceedings Circuits, Devices and Systems, IEEE, vol. 153, pp. 34-39,Fevereiro2006.https://doi.org/10.1049/ip-cds:20050053 DOI: https://doi.org/10.1049/ip-cds:20050053

S. Hong, G. Lee, "Active gate control strategy of series control strategy of series nonconnected IGBTs for high power PWM inverter", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35, pp. 917-923, Julho 1999.

C. Abbate, G. Busatto, F. Lannuzzo, "High-voltage, high-performance switch using series-connected IGBTs", IEEE Transactions on Power Electronics, vol.25, pp. 2450-2459, Abril 2010.https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2049272 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2049272

M. Mazuela, I. Baraia, A. Sanchez-Ruiz, I. Echeverria, I. Torre, I. Atutxa, "Simple Voltage Balancing Method to Protect Series-Connected Devices Experimentally Verified in a 5L-MPC Converter", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, pp. 3699-3707, Outubro 2018.https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2760843 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2760843

F. Zhang, X. Yang, Y. Ren, L. Feng, W. Chen, Y. Pei, "A hybrid active gate drive for switching loss reduction and voltage balancing of series-connected IGBTs", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, pp. 7469-7481, Dezembro 2016.https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2633658 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2633658

I. Baraia, J. A. Barrena, G. Abad, J. M. C. Segade, U. Iraola, "An experimentally verified active gate control method for the series connection of IGBT/diodes", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, pp. 1025-1038, Julho 2012.https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2161336 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2161336

T. C. Lim, B. W. Williams, S. J. Finney, P. R. Palmer, "Series-connected IGBTs using active voltage control technique", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, pp. 4083-4103, Novembro 2012.https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2227812 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2227812

X. Yang, J. Zhang, W. He, Z. Long, P. R. Palmer, "Physical investigation into effective voltage balancing by temporary clamp technique for the series connection of IGBTs", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, pp. 248-258, Fevereiro 2017.https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2673849 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2673849

J. Zhang, P. Palmer, X. Zhang, W. He, "Analysis of an effective voltage sharing method for IGBTs connected in series", IECON 2014-40th Annual Conference of the Industrial Electronics Society, IEEE, pp. 1261-1269, Novembro 2014.https://doi.org/10.1109/IECON.2014.7048664 DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2014.7048664

A. Piazzesi, L. Meysenc, "Series connection of 3.3 kV IGBTs with active voltage balancing". IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, vol. 2, pp. 893-898, Junho 2004.

Y. Wang, M. A. Khaizaran, P. R. Palmer, "Controlled switching of high voltage IGBTs in series", IEEE Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits, pp. 297-300, Abril 2004.

C. Gerster, "Fast high-power/high-voltage switch using series-connected IGBTs with active gate-controlled voltage-balancing", Applied Power IEEE Electronics Conference and Exposition, IEEE, pp. 469-472, Fevereiro 1994.

S. Ji, T. Lu, Z. Zhao, H. Yu, L. Yuan, "Series-connected HV-IGBTs using active voltage balancing control with status feedback circuit", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, pp. 4165-4174,Setembro2014.https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2360189 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2360189

Y. Abe, K. Maruyama, "Multi-series connection of high-voltage IGBTs",Fugi Electric Journal, vol. 75, pp. 1-4, 2002.

T. Nguyen, P. O. Jeannin, E. Vagnon, D. Frey, J. C. Crebier, "Series connection of IGBT", in Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), IEEE, pp. 2238-2244, 2010.

T. C. Lim, B. W. Williams, S. J. Finney, "Active snubber energy recovery circuit for series-connected IGBTs",IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 26, pp. 1879-1889, Novembro 2010.https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2093539 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2093539

L. Yang, P. Fu, X. Yao, J. Wang, "A module based self-L. Yang, P. Fu, X. Yao, J. Wang, "A module based self-L. Yang, P. Fu, X. Yao, J. Wang, "A module based self balanced series connection for IGBT", Energy Conversion Congress and Exposition, IEEE, pp. 1953-1958, Novembro 2014.https://doi.org/10.1109/ECCE.2014.6953658 DOI: https://doi.org/10.1109/ECCE.2014.6953658

S. Brehaut, F. Costa, "Gate driving of high power IGBT through a Double Galvanic Insulation Transformer", in IEEE Industrial Electronics, IECON 2006-32nd Annual Conference, pp. 2505-2510, Abril 2007.https://doi.org/10.1109/IECON.2006.347684 DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2006.347684

P. R. Palmer, A. N. Githiari, R. J. Leedham, "A comparison of IGBT technologies for use in the series connection", Power Electronics and Variable Speed Drives Conference, IEEE, pp. 236-241, Agosto 1996.https://doi.org/10.1049/cp:19960919 DOI: https://doi.org/10.1049/cp:19960919

A. Consoli, S. Musumeci, G. Oriti, A. Testa, "Active voltage balancement of series connected IGBTs", Industry Applications Conference Thirtieth IAS Annual Meeting, IEEE, vol. 3, pp. 2752-2758, Outubro 1995.

H. L. Hess, R. J. Baker, "Transformerless capacitive coupling of gate signals for series operation of power MOS devices", Transactions on power electronics, IEEE, vol. 15, pp. 923-930,Setembro2000.https://doi.org/10.1109/63.867682 DOI: https://doi.org/10.1109/63.867682

B. Maurice, L. Wuidart, "Drive circuits for power MOSFETs and IGBTs",ST Microelectronics Application notes, www.st.com.

P. Münster, R. Schräder, Q. T. Tran, S. Gierschner, H. G. Eckel, "Influence of gate structures and electrical boundary conditions on self turn-on of HV IGBTs", 19th European Conference on Power Electronics and Applications, IEEE, pp. P-1, Setembro 2017.https://doi.org/10.23919/EPE17ECCEEurope.2017.8099194 DOI: https://doi.org/10.23919/EPE17ECCEEurope.2017.8099194

H. Feng, W. Yang, Y. Onozawa, T. Yoshimura, A. Tamenori, J. K. Sin, "Transient turn-ON characteristics of the fin p-body IGBT", IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 62, PP. 2555-2561, Julho 2015.https://doi.org/10.1109/TED.2015.2445350 DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2015.2445350

I. Omura, H. Ohashi, W. Fichtner, "IGBT negative gate capacitance and related instability effects". IEEE Electron Device Letters, vol. 18, PP. 622-624, Dezembro 1997.https://doi.org/10.1109/55.644090 DOI: https://doi.org/10.1109/55.644090

J. Böhmer, J. Schumann, H. G. Eckel, "Negative differential miller capacitance during switching transients of IGBTs", 14th European Conference on Power Electronics and Applications, IEEE, pp. 1-9, Setembro 2011.

D. Chiola, H. Husklen, "1200V HighSpeed 3: IGBT A new IGBT family optimized for high-switching speed", AN-IGBT-09-2013-V1.1-EN-019, www.infineon.com., 2013.

S. Tominaga, H. Urushibata, H. Fujita, H. Akagi, T. Horiguchi, S.I. Kinouchi, "Modeling of IGBTs with focus on voltage dependency of terminal capacitances", Proceedings of the 2011 14th European Conference on Power Electronics and Applications. IEEE, Setembro 2011.

Raël, S.,Davat, B.,"A physics-based modeling of interelectrode MOS capacitances of power MOSFET and IGBT",IEEE Transactions on Power Electronics, v. 23, n. 5, p. 2585-2594, Novembro 2008.https://doi.org/10.1109/TPEL.2008.2002092 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2008.2002092

Wintrich, U. Nicolai, W. Tursky, "Application Manual Power Semiconductors", Semikron International GmbH, 2011.