本文是一篇原创研究报告，以下是根据文档内容整理的学术报告：

主要作者及机构信息

本文作者包括杨柏（Zhejiang University, College of Electrical Engineering, Hangzhou, China），以及来自Naval University of Engineering, National Key Laboratory of Electromagnetic Energy的孟庆云（通讯作者）、胡安琪、李伟超和周亮。他们的研究成果发表在2024 IEEE 2nd International Conference on Power Science and Technology (ICPST)会议上。

学术背景

本研究基于高功率三电平逆变器（Neutral Point Clamped，NPC）并联IGBT（绝缘栅双极型晶体管）在脉冲功率应用中的电流均流控制问题，属于大功率电子设备和电力电子器件领域。

脉冲功率设备（如电磁发射系统和固态调制器）通常工作在非周期性瞬态高电流状态，具有高电压和大电流特点。与传统的两电平逆变器相比，NPC三电平逆变器采用钳位二极管，电路结构显著不对称，从而进一步增加了并联IGBT电流均流控制的复杂性。静态和动态电流不平衡是导致IGBT器件失效和系统运行不稳定的关键问题。

在以往的研究中，影响并联IGBT电流均流的因素主要分为三类：(1) 回路路径阻抗的差异（如寄生电阻与寄生电感）；(2) IGBT驱动电路控制参数的差异（如驱动电压、栅极电阻、栅极连线长度等）；(3) IGBT器件特性参数的差异（如集电极-发射极电容、漏电流、开关延迟时间等）。然而，多数研究仅关注前两类问题。

本研究旨在提出创新性的解决方案，以应对NPC三电平逆变器在不对称结构下高精度的IGBT并联电流均流控制难题。具体目标是通过优化母排设计与采用中央并联有源门极驱动器，有效降低动态与静态电流的不平衡度。

研究流程与方法

本文研究主要分为以下几个流程：

1. 静动态电流不平衡分析

研究首先对NPC三电平逆变器的电路拓扑和结构布局进行了分析。以高功率脉冲逆变器设备的单相（例如A相）为基础单元，采用有限元仿真工具Maxwell 3D对关键部件的电磁特性进行建模和研究。研究发现，由于模块布局的非对称性，导致IGBT并联电源回路路径阻抗不一致，左侧模块的静态电流较右侧更大。此外，驱动电路的同步性问题也被证明是引发动态电流不平衡的重要原因。

2. 复合母排优化设计

针对上述静态电流不平衡问题，研究提出在母排关键位置设置特定宽度的狭缝或孔洞，用以人为地改变不对称电流路径，从而实现等效阻抗的对称分布。通过Maxwell 3D仿真对优化前后的母排进行模拟测试，在电源输入端加载10,000A的大电流，分析并评估优化措施的效果。研究统计了不同模块间的IGBT电流分布变化，计算不均衡因子δ，验证了静态电流均衡的可行性。

3. 中央有源门极驱动器设计

在动态均流控制中，为克服传统独立驱动器难以实现同步的问题，研究设计了一种中央并联驱动器（Centralized Gate Driver）。该驱动器通过CPLD（复杂可编程逻辑器件）实现信号逻辑的完全数字化，采用一光纤模块接收栅极信号，并将信号同时传输至两个独立推挽式驱动芯片。此设计有效避免了信号时间延迟和电压差异问题，提高了动态电流均流能力。该驱动器直接安装在IGBT模块的辅助端子上，减少了长线传输对信号一致性的影响。

4. 实验验证

为了验证设计的有效性，研究搭建了一套NPC三电平逆变器实验平台。该平台包括直流电容、8个IGBT模块（型号为FZ3600R17KE3）、4个二极管模块（DZ3600S17KE）、母排等，并利用感性负载进行双脉冲测试。实验分别记录了无优化措施和采用优化措施的多组电流波形，计算了转态、导通和关断状态下的不均衡因子。实验结果表明，优化措施显著降低了静动态电流不平衡度。

研究主要结果

1. 静态电流不平衡改进

通过在母排上挖掘对称狭缝或孔洞，优化后A1和A2模块的不均衡因子分别从32%降低至4%和6%。仿真结果显示，电流分布得到了显著改善。

2. 动态电流不平衡改进

实验表明，中央有源门极驱动器能够有效解决传统独立驱动器的栅极信号同步问题。在关断时，不均衡因子从30%降低至7.5%；在导通和转态时，不均衡因子分别从8.7%和18.5%降低至8%和6%。

3. 综合实验效果

优化设计后的静态与动态电流均流控制方案，将总电流6kA情况下的并联IGBT静动态电流不平衡度限制在10%以下。

研究结论

本研究提出了两种协同方法：通过母排结构优化实现静态均流控制，通过中央中央驱动器实现动态均流控制，并在实验中验证了其有效性。这些方法不仅解决了NPC三电平逆变器因非对称结构导致的电流不平衡问题，而且提升了大功率多电平设备中IGBT器件的利用率和系统可靠性。

然而，研究还指出，母排孔洞虽然能够改善电流均衡，但可能增加电感从而增大IGBT关断过电压。因此，未来的研究将考虑基于闭环有源电流均衡策略进行进一步优化。

研究亮点

1. 提出了创新性的母排优化设计方案，显著改善了静态电流均衡。
2. 设计了一种中央有源门极驱动器，有效解决了动态电流均衡问题。
3. 实验数据证明了方案的实际可行性，为高功率并联IGBT控制提供了重要理论指导和应用价值。

研究意义与潜在应用

此研究对提高IGBT并联电流均流控制精度具有重要意义，特别是在高功率脉冲电力电子设备中，能提高系统稳定性和器件利用率。此外，研究成果还为多电平电力电子设备的设计提供了可靠的参考模型及优化策略。