软开关点焊逆变电源仿真与试验研究
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摘要
逆变式点焊电源是电阻焊领域研究的重要方向之一。采用软开关技术的点焊逆变电源，可减小开关损耗、电磁干扰及对电路寄生参数的敏感性，并从根本上改善电路的输出特性，提高电路的效率、稳定性和可靠性。
论文详细分析了带辅助网络的零电压脉宽调制DC／DC全桥变换器的工作原理，并利用Pspice电路仿真软件进行了仿真研究。主要对软开关滞后桥臂和超前桥臂的零电压开通、关断过程，功率变压器的工作波形及整流换流过程进行了详细的仿真分析，并重点讨论了逆变器的谐振电感、谐振电容以及负载变化对软开关过程的影响。
通过仿真结果与软开关点焊逆变器试验结果的对比分析，得到了如下主要结论：①采用辅助网络可以完全拓宽全桥软开关逆变器的滞后桥臂软开关范围，减小了次级占空比丢失，降低了逆变电阻点焊电源的开关损耗；②谐振电容是影响软开关工作状态的重要因素，其大小不仅影响开关管的零电压关断，同时也影响开关管的零电压开通范围，因此，谐振电容应该综合考虑；③功率变压器漏感越大，越容易满足滞后桥臂的软开关条件，但是大的漏感也使变压器的通态损耗增加，降低了软开关逆变器的效率。
此外，论文还对软开关逆变器峰值电流控制系统的原理、特性及补偿进行了深入的分析；设计了以UC3875为核心的移相PWM控制及输入过压、欠压保护等电路。
Inverter spot welding power source is one of important directions in the studies of the resistance-welding field. With soft-switching technology, inverter spot-welding power source has lower switching dissipation, lower electromagnetic interference and lower sensitivity to parasitic parameters of power circuit, contribute to inverter output characteristics and circuit efficiency, stability and reliability.
The basic working principle of the phase-shifted PWM soft-switching topology DC/DC full bridge with assistance network is presented and analyzed in detail, and the circuit simulating software of Pspice is used for simulation in this paper. Zero-voltage turn-on and zero-voltage turn-off in lagging arm and leading arm of soft-switching topology, working waveform of power transformer and process of rectifier and transition are presented in detail. The influence of resonant inductance of the power transformer, resonant capacitor and variation of load to the process of soft-switching are given.
By compared with the simulation results and the experiment results, we come to the conclusions that: (1) circuit with assistant network can widen soft-switching extent in lagging arm, reduces duty-cycle loss on the secondary, diminishes switching dissipation of inverter spot-welding power source. (2) The range of resonant capacitor, the important factor to soft-switching process, not only affects zero-voltage turn-off of power switches, but also affects the range of zero-voltage turn-on of power switches. So resonant capacitors must be considered according to many aspects; (3) It easily fulfils soft-switching condition in lagging arm as leakage inductance of power transformer increases, but bigger leakage inductance of power transformer increases opening dissipation of transformer and decreases efficiency of soft-switching inverter power source.
In addition, the working principle, characteristics and compensation of the control system of current peak are deeply discussed; the PWM control circuit of using UC3875 as the core, the inputting over-voltage protecting circuit and owe-voltage protecting circuit are given, etc.
论文详细分析了带辅助网络的零电压脉宽调制DC／DC全桥变换器的工作原理，并利用Pspice电路仿真软件进行了仿真研究。主要对软开关滞后桥臂和超前桥臂的零电压开通、关断过程，功率变压器的工作波形及整流换流过程进行了详细的仿真分析，并重点讨论了逆变器的谐振电感、谐振电容以及负载变化对软开关过程的影响。
通过仿真结果与软开关点焊逆变器试验结果的对比分析，得到了如下主要结论：①采用辅助网络可以完全拓宽全桥软开关逆变器的滞后桥臂软开关范围，减小了次级占空比丢失，降低了逆变电阻点焊电源的开关损耗；②谐振电容是影响软开关工作状态的重要因素，其大小不仅影响开关管的零电压关断，同时也影响开关管的零电压开通范围，因此，谐振电容应该综合考虑；③功率变压器漏感越大，越容易满足滞后桥臂的软开关条件，但是大的漏感也使变压器的通态损耗增加，降低了软开关逆变器的效率。
此外，论文还对软开关逆变器峰值电流控制系统的原理、特性及补偿进行了深入的分析；设计了以UC3875为核心的移相PWM控制及输入过压、欠压保护等电路。
Inverter spot welding power source is one of important directions in the studies of the resistance-welding field. With soft-switching technology, inverter spot-welding power source has lower switching dissipation, lower electromagnetic interference and lower sensitivity to parasitic parameters of power circuit, contribute to inverter output characteristics and circuit efficiency, stability and reliability.
The basic working principle of the phase-shifted PWM soft-switching topology DC/DC full bridge with assistance network is presented and analyzed in detail, and the circuit simulating software of Pspice is used for simulation in this paper. Zero-voltage turn-on and zero-voltage turn-off in lagging arm and leading arm of soft-switching topology, working waveform of power transformer and process of rectifier and transition are presented in detail. The influence of resonant inductance of the power transformer, resonant capacitor and variation of load to the process of soft-switching are given.
By compared with the simulation results and the experiment results, we come to the conclusions that: (1) circuit with assistant network can widen soft-switching extent in lagging arm, reduces duty-cycle loss on the secondary, diminishes switching dissipation of inverter spot-welding power source. (2) The range of resonant capacitor, the important factor to soft-switching process, not only affects zero-voltage turn-off of power switches, but also affects the range of zero-voltage turn-on of power switches. So resonant capacitors must be considered according to many aspects; (3) It easily fulfils soft-switching condition in lagging arm as leakage inductance of power transformer increases, but bigger leakage inductance of power transformer increases opening dissipation of transformer and decreases efficiency of soft-switching inverter power source.
In addition, the working principle, characteristics and compensation of the control system of current peak are deeply discussed; the PWM control circuit of using UC3875 as the core, the inputting over-voltage protecting circuit and owe-voltage protecting circuit are given, etc.
引文
1 王清等．不断发展于完善之中的电阻焊电源．焊接．2002(3)
2 林辉，王辉．电力电子技术．武汉理工大学出版社，2002年3月
3 郑宜庭，黄石生．弧焊电源．机械工业出版社，1988年
4 潘际銮．二十一世纪焊接科学研究展望．第九次全国焊接会议论文集第一册．黑龙江人民出版社，1999年
5 电阻焊理论与实践．中国机械工程学会焊接学会，电阻焊(Ⅲ)专业委员会．机械工业出版社．1994年1月
6 Mike. Pixlcy. Inverter technology in welding power sources. Welding Review International, 1994,13(1)
7 赵茂森．高效节能焊接设备及发展．冶金及设备．1995年第三期
8 吴祥淼，黄石生等．逆变式电阻焊机的研究进展．电焊机．2000(12)
9 赵熹华著．压力焊．机械工业出版社，1994年
10 殷树言，陈树君．新型逆变焊接电源的设计思想．电焊机．2000(7)
11 张军莲，张军超．逆变焊机的现状与发展．电焊机．1995(2)
12 赵家瑞．逆变焊接与切割电源．机械工业出版社，1996
13 曹彪，伍跃华，徐辅萍．逆变式电阻焊机8098电阻焊机控制系统．焊接学报．1997年6月，第18卷第2期
14 M. Ushio, et al. Recent advances in welding power system for automated welding. Welding in the world. 1994,34(2):185～191
15 T. Byrd. Inverter power sources:an efficient alternative. Welding Journal. 1993,72(1):37-40
16 朱正行等．制罐机用大功率晶体管(GTR)电阻焊的逆变电源．焊接学报．1994(1)
17 杨碧石．移相全桥零电压PWM软开关电路．国外电子元器件．2001年第7期
18 黄石生，吴祥淼等．现代焊接电源的新发展．中国机械工程．2002年7月下半月，第13卷第14期
19 赵家瑞，董挺．焊接自动化控制基础．机械工业出版社．1990
20 张占松，蔡萱三．开关电源的原理与设计．电子工业出版社．1999
21 Mary Schiedermayer. The inverter power source. Welding Design and Favrication.JUNE 87
22 阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．科学出版社．2000年
23 F.C. Lee, "High-frequency quasi-resonant and multi-resonant converter technologies" ,Proceedings of the International Conference on Industrial Electronics, 1988, pp. 509-521
24 Stemens. AG, "An inverter system for inductive tube welding utilizing resonace transformation" ,IEEE trans. 1994
25 H. Mecke, W. Fisher, F, Werther, "Soft switching inverter power source for arc welding" ,Otto-von-Gueriche-University Magdebug, institute ELE, Germeny, 1997
26 黄华刚等．全桥零电压开关谐振逆变焊机设计的匹配原则．第九次全国焊接学会论文集．1999
27 张光先等．软开关逆变式弧焊电源设计．焊接学报．2002年2月，第23卷第1期
28 万键等．一种新型软开关逆变电路原理分析及仿真研究．西北工业大学学报．2002年2月，第20卷第1期
29 蒋强，张代润．轻载或空载时软开关DC／DC变换器的实现及仿真研究．四川大学学报(工程科学版)．2003年1月，第35卷第1期
30 杜贤昌等．谐振式软开关弧焊逆变器．焊接学报．2003年6月，第24卷第3期
31 李爱文，张承慧编著．现代逆变技术及其应用．科学出版社．2000年
32 王清，张相军等．全桥逆变电阻焊机电源零电压开通条件．焊接学报．2000年9月，第21卷第3期
33 张文钺．世纪之交焊接学科面临的新挑战焊接技术．焊接技术．1998(5)
34 张纯江等．零电压开关下IGBT的可靠性研究．电力电子技术．1997年第三期
35 朱立新等．单片机控制的简单逆变电源．国外电子元器件．2001年8月
36 韦纳电子．大功率开关电源MOSFET驱动技术．www.willar.com
37 陶志新．PWM逆变器的一种控制算法．青岛建筑工程学院学报．第19卷第1期
38 陈焕民等．逆变式CO_2焊接电源控制电路设计．电焊机．2002年2月
39 陆治国编著．电源的计算机仿真技术．科学出版社．2001年
40 韩学斌等．半桥式准谐振激光电源的PSPICE仿真分析．电焊机．2002年1月
41 陈树君，殷树言等．软开关弧焊逆变电源的计算机仿真与试验研究．焊接技术．1999年12月增刊，
42 郑颖男，张庆友．PSPICE在电力仿真方面的应用．燕山大学学报．2001年10月，第25卷第4期
43 任平平，王清等．计算机仿真技术在逆变焊接电源中的应用．焊接．2000(5)
44 宋晓艳等．开关电源电路结构分析及仿真．河南城建高等专科学校学报．2002年6月，第11卷第2期
45 华学明，石伯圣．IGBT逆变点焊电源主回路的计算机仿真．上海工程技术大学学报．2001年3月，第15卷第1期
46 费跃农，陈悦．逆变焊机主电路的计算机仿真．焊接技术．1998年6月第三期
47 虎恩典，杜权中．MATLAB仿真技术在电力电子技术实践教学中的应用．大学物理实验室．2002年3月，第15卷第3期
48 伍文俊，余建明．EWB在电力电子电路中的应用．西安理工大学学报．第18卷第2期
49 高燕梅，房蔓楠编著．SPICE／PSPICE编程技术(EDA工具应用丛书)．电子工业出版社．2002年6月
50 高伟涛编著．PSPICE8.0电路设计实例精粹(工程师工具软件应用系列)．国防工业出版社．2001年2月
51 Benziger, Thomas: Meche, Hhbert. Welding current and welding voltage using resistance spot welding with an inverter power source. Schweissen and Schneiden. V43 n1 Jan, 1991 P E4-E6
52 Park, Soo Woong; Na Suck Joo. A new current measurement method in resistance spot welding. IEEE Transactions on Instrucmentation and
Measurement. V39 n 5Oct 1990, P 767-772 0018-9456
53 Kamitamari, Yasuhiro. Resistance spot welder using inverter technologies "pana spot inverter YR500SHD" .National Technical Report(Matsushita Electric Industry Company).V36 n2 Apr 1990 P20-25 0028-00291. In Japanise
54 Peng Guangfeng, Hao Rongtai. A high-power DC/DC converter for high frequency high input voltage using IGBT．北方交通大学报．1998年12月，第22卷第6期
55 阮新波，严仰光著．脉宽调制DC／DC全桥变换器的软开关技术．科学出版社2001年
56 刘胜利著．现代高频开关电源实用技术．电子工业出版社．2001年
57 陈树君，卢振洋等．双零软开关弧焊逆变电源．焊接学报．2000年6月，第23卷第三期
58 赵靖辉，刘赵魁．全桥移相软开关IGBT弧焊软开关逆变电源设计．洛阳工学院学报．2001年6月，第22卷第2期．
59 陈树君，耿直等．用饱和电感改善软开关弧焊逆变电源的性能．焊接学报．1998年12月
60 王新之，承武柱．用具有可饱和电感的逆变器减小CO_2焊飞溅．1999年3月，第20卷第1期
61 李春旭，韦鲲等电．感量对IGBT逆变焊机可靠性的影响．第九次全国焊接论文集．
62 吴祥淼．软开关逆变点焊及其数字化微机控制系统．华南理工大学博士论文．2002年
63 李剑，康勇等．带饱和电感的移相全桥零电压开关PWM逆变器．电力电子技术．2000年4月，2000年第2期
64 陈树君，殷树言．用输出电感做谐振电感的软开关弧焊逆变电源．机械工程学报．2001年10月，第37卷10期
65 朱丽平，朱义胜编著．电子线路的计算机辅助分析和设计工具Pspice for
Windows(v6.2)．大连海事大学出版社．1999年
66 高文焕，汪蕙编著．模拟电路的计算机分析与设计Pspice程序应用．清华大学出版社．1999年
67 叶治政，冶靖国编著．开关稳压电源．高等教育出版社．1989年10月贵平，黄石生，王振民．基于峰值电流模式的软开关弧焊逆变器．西南交通大学学报．2002年6月，第37卷第3期
68 钱勇等．IGBT弧焊逆变电源双闭环控制系统．洛阳工业学院学报．1999年9月，第20卷第3期
69 杜贵平，黄石生，王振民．大电流逆变电源峰值电流控制模式的研究．电力电子技术．2000年2月，第36卷第2期
70 屈克庆等．一种双环控制的恒压大电流弧焊逆变电源．洛阳工业学院学报．2001年6月，第22卷第2期
71 BY H. YAMAMOTO, S. HARADA AND T. UEYAMA. Improved current control makes inverters the power sources of choice. W.D. GUEST, marketing manager, Daihen, inc, Charlotte, N.C, at the Advaced Commercial Developments session, AWS Annual Meeting, Philadelpha, Pa, 1994
72 TI Incorporation. Unitrode application uc3875.
73 谢军贤．移相式零电压软开关变换器与UC3875应用．中国航空计算中心研究所．中国法分类号：TN86．文献标识码：A文章编号：0219 2713(2000)11 569 03
74 黄河，车育生．相移谐振控制器UC3875及其应用．移动电源与车辆．2001年第1期
75 黄石生，余文松，薛家祥．大功率逆变电源PWM控制技术研究．电焊机．2000(3)
76 王俊，丘水生．电流控制技术在移相全桥变换器中的应用．广东自动化与信息工程．2002年第一期
77 电流传感器LA108-P资料
78 R.L. Steigerwald, et al.A comparison of high-power DC-DC soft-switched
converter topologies. IEEE Transactions on Industry Applications. 1996, 32(5)
79 李红平，詹晓东．采用峰值电流控制模式的全桥移相控制DC／DC变换器．电力电子技术．2000年2月，2000年第1期
80 TI Incorporation. Modelling, analysis and compensation of the current-mode converter. Unitrode Application Note, U-97
81 李明，王晓宝．有效抑制IGBT模块应用中的过电压．西安爱帕克公司提供
82 郑旺发，郭桂华等．IGBT在不间断电源中的应用．西安爱帕克公司提供
83 盛祖权，张立．IGBT模块驱动及保护技术．西安爱帕克公司提供
84 雷斌．浅析IGBT的门极驱动．西安爱帕克公司提供
85 盛祖权．IGBT模块的使用要点．西安爱帕克公司提供
86 刘荡波，王晓宝．IGBT模块驱动保护要点．西安爱帕克公司提供
87 秦祖荫．IGBT的过电流及其保护．西安爱帕克公司提供
2 林辉，王辉．电力电子技术．武汉理工大学出版社，2002年3月
3 郑宜庭，黄石生．弧焊电源．机械工业出版社，1988年
4 潘际銮．二十一世纪焊接科学研究展望．第九次全国焊接会议论文集第一册．黑龙江人民出版社，1999年
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17 杨碧石．移相全桥零电压PWM软开关电路．国外电子元器件．2001年第7期
18 黄石生，吴祥淼等．现代焊接电源的新发展．中国机械工程．2002年7月下半月，第13卷第14期
19 赵家瑞，董挺．焊接自动化控制基础．机械工业出版社．1990
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22 阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．科学出版社．2000年
23 F.C. Lee, "High-frequency quasi-resonant and multi-resonant converter technologies" ,Proceedings of the International Conference on Industrial Electronics, 1988, pp. 509-521
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25 H. Mecke, W. Fisher, F, Werther, "Soft switching inverter power source for arc welding" ,Otto-von-Gueriche-University Magdebug, institute ELE, Germeny, 1997
26 黄华刚等．全桥零电压开关谐振逆变焊机设计的匹配原则．第九次全国焊接学会论文集．1999
27 张光先等．软开关逆变式弧焊电源设计．焊接学报．2002年2月，第23卷第1期
28 万键等．一种新型软开关逆变电路原理分析及仿真研究．西北工业大学学报．2002年2月，第20卷第1期
29 蒋强，张代润．轻载或空载时软开关DC／DC变换器的实现及仿真研究．四川大学学报(工程科学版)．2003年1月，第35卷第1期
30 杜贤昌等．谐振式软开关弧焊逆变器．焊接学报．2003年6月，第24卷第3期
31 李爱文，张承慧编著．现代逆变技术及其应用．科学出版社．2000年
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36 韦纳电子．大功率开关电源MOSFET驱动技术．www.willar.com
37 陶志新．PWM逆变器的一种控制算法．青岛建筑工程学院学报．第19卷第1期
38 陈焕民等．逆变式CO_2焊接电源控制电路设计．电焊机．2002年2月
39 陆治国编著．电源的计算机仿真技术．科学出版社．2001年
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42 郑颖男，张庆友．PSPICE在电力仿真方面的应用．燕山大学学报．2001年10月，第25卷第4期
43 任平平，王清等．计算机仿真技术在逆变焊接电源中的应用．焊接．2000(5)
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45 华学明，石伯圣．IGBT逆变点焊电源主回路的计算机仿真．上海工程技术大学学报．2001年3月，第15卷第1期
46 费跃农，陈悦．逆变焊机主电路的计算机仿真．焊接技术．1998年6月第三期
47 虎恩典，杜权中．MATLAB仿真技术在电力电子技术实践教学中的应用．大学物理实验室．2002年3月，第15卷第3期
48 伍文俊，余建明．EWB在电力电子电路中的应用．西安理工大学学报．第18卷第2期
49 高燕梅，房蔓楠编著．SPICE／PSPICE编程技术(EDA工具应用丛书)．电子工业出版社．2002年6月
50 高伟涛编著．PSPICE8.0电路设计实例精粹(工程师工具软件应用系列)．国防工业出版社．2001年2月
51 Benziger, Thomas: Meche, Hhbert. Welding current and welding voltage using resistance spot welding with an inverter power source. Schweissen and Schneiden. V43 n1 Jan, 1991 P E4-E6
52 Park, Soo Woong; Na Suck Joo. A new current measurement method in resistance spot welding. IEEE Transactions on Instrucmentation and
Measurement. V39 n 5Oct 1990, P 767-772 0018-9456
53 Kamitamari, Yasuhiro. Resistance spot welder using inverter technologies "pana spot inverter YR500SHD" .National Technical Report(Matsushita Electric Industry Company).V36 n2 Apr 1990 P20-25 0028-00291. In Japanise
54 Peng Guangfeng, Hao Rongtai. A high-power DC/DC converter for high frequency high input voltage using IGBT．北方交通大学报．1998年12月，第22卷第6期
55 阮新波，严仰光著．脉宽调制DC／DC全桥变换器的软开关技术．科学出版社2001年
56 刘胜利著．现代高频开关电源实用技术．电子工业出版社．2001年
57 陈树君，卢振洋等．双零软开关弧焊逆变电源．焊接学报．2000年6月，第23卷第三期
58 赵靖辉，刘赵魁．全桥移相软开关IGBT弧焊软开关逆变电源设计．洛阳工学院学报．2001年6月，第22卷第2期．
59 陈树君，耿直等．用饱和电感改善软开关弧焊逆变电源的性能．焊接学报．1998年12月
60 王新之，承武柱．用具有可饱和电感的逆变器减小CO_2焊飞溅．1999年3月，第20卷第1期
61 李春旭，韦鲲等电．感量对IGBT逆变焊机可靠性的影响．第九次全国焊接论文集．
62 吴祥淼．软开关逆变点焊及其数字化微机控制系统．华南理工大学博士论文．2002年
63 李剑，康勇等．带饱和电感的移相全桥零电压开关PWM逆变器．电力电子技术．2000年4月，2000年第2期
64 陈树君，殷树言．用输出电感做谐振电感的软开关弧焊逆变电源．机械工程学报．2001年10月，第37卷10期
65 朱丽平，朱义胜编著．电子线路的计算机辅助分析和设计工具Pspice for
Windows(v6.2)．大连海事大学出版社．1999年
66 高文焕，汪蕙编著．模拟电路的计算机分析与设计Pspice程序应用．清华大学出版社．1999年
67 叶治政，冶靖国编著．开关稳压电源．高等教育出版社．1989年10月贵平，黄石生，王振民．基于峰值电流模式的软开关弧焊逆变器．西南交通大学学报．2002年6月，第37卷第3期
68 钱勇等．IGBT弧焊逆变电源双闭环控制系统．洛阳工业学院学报．1999年9月，第20卷第3期
69 杜贵平，黄石生，王振民．大电流逆变电源峰值电流控制模式的研究．电力电子技术．2000年2月，第36卷第2期
70 屈克庆等．一种双环控制的恒压大电流弧焊逆变电源．洛阳工业学院学报．2001年6月，第22卷第2期
71 BY H. YAMAMOTO, S. HARADA AND T. UEYAMA. Improved current control makes inverters the power sources of choice. W.D. GUEST, marketing manager, Daihen, inc, Charlotte, N.C, at the Advaced Commercial Developments session, AWS Annual Meeting, Philadelpha, Pa, 1994
72 TI Incorporation. Unitrode application uc3875.
73 谢军贤．移相式零电压软开关变换器与UC3875应用．中国航空计算中心研究所．中国法分类号：TN86．文献标识码：A文章编号：0219 2713(2000)11 569 03
74 黄河，车育生．相移谐振控制器UC3875及其应用．移动电源与车辆．2001年第1期
75 黄石生，余文松，薛家祥．大功率逆变电源PWM控制技术研究．电焊机．2000(3)
76 王俊，丘水生．电流控制技术在移相全桥变换器中的应用．广东自动化与信息工程．2002年第一期
77 电流传感器LA108-P资料
78 R.L. Steigerwald, et al.A comparison of high-power DC-DC soft-switched
converter topologies. IEEE Transactions on Industry Applications. 1996, 32(5)
79 李红平，詹晓东．采用峰值电流控制模式的全桥移相控制DC／DC变换器．电力电子技术．2000年2月，2000年第1期
80 TI Incorporation. Modelling, analysis and compensation of the current-mode converter. Unitrode Application Note, U-97
81 李明，王晓宝．有效抑制IGBT模块应用中的过电压．西安爱帕克公司提供
82 郑旺发，郭桂华等．IGBT在不间断电源中的应用．西安爱帕克公司提供
83 盛祖权，张立．IGBT模块驱动及保护技术．西安爱帕克公司提供
84 雷斌．浅析IGBT的门极驱动．西安爱帕克公司提供
85 盛祖权．IGBT模块的使用要点．西安爱帕克公司提供
86 刘荡波，王晓宝．IGBT模块驱动保护要点．西安爱帕克公司提供
87 秦祖荫．IGBT的过电流及其保护．西安爱帕克公司提供