中高壓電力電子變換中的功率單元及功率器件的級(jí)聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、我國(guó)近年高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了高耗能、高排放產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)過快、電能利用效率低且單位產(chǎn)值的電耗過高等問題，嚴(yán)重地阻礙了“十一五”計(jì)劃中對(duì)于結(jié)構(gòu)節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。如何解決避免發(fā)電、輸變電、配電直至用電環(huán)節(jié)中電能的不必要損耗，提高電能的利用效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，無疑是電工技術(shù)研究的主要課題之一。中高壓、大功率的電力電子變換技術(shù)在這其中將起到越來越重要的作用。因此，本文緊跟這一當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，分別針對(duì)中高壓電力電子變換技術(shù)中的若干關(guān)鍵問題

2、開展深入研究與探討。
　　本文針對(duì)現(xiàn)有中高壓、大功率電力電子變換拓?fù)渲械那凹?jí)整流裝置所存在的缺點(diǎn)，利用了多脈移相變壓器本身能消除部分電網(wǎng)側(cè)電流諧波，提高其功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并通過高頻化的手段減小了多脈移相變壓器的體積和重量，降低了整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量，使其能適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。功率單元的級(jí)聯(lián)拓?fù)涫沟谜麄€(gè)系統(tǒng)完全可以以低壓電力電子功率器件來實(shí)現(xiàn)中高電壓、大功率、中高頻率的能量變換，并采用合理的調(diào)制方式來避免雙向開關(guān)的使用，有效降低了

3、系統(tǒng)控制復(fù)雜程度，有利于降低系統(tǒng)整體成本。在此基礎(chǔ)上，為了從理論上證明高頻化的多脈移相整流變換技術(shù)同樣能減小網(wǎng)側(cè)電流諧波，本文建立了整個(gè)變換器的系統(tǒng)模型，對(duì)功率單元、高頻多脈移相變壓器、整流器一一列出電壓和電流的開關(guān)狀態(tài)方程，以證明網(wǎng)側(cè)電流-輸出電流的關(guān)系式與工頻多脈整流具有完全相同的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，以說明12脈高頻多脈整流器同樣能消除網(wǎng)側(cè)電流最主要的5次和7次諧波。此外，本文還詳細(xì)比較了多種二次側(cè)整流濾波電路對(duì)于高頻多脈變換器網(wǎng)側(cè)電流諧

4、波的影響，詳細(xì)分析了高頻多脈變換裝置工作模態(tài)，最終給出了網(wǎng)側(cè)交流濾波電感、直流側(cè)LC濾波網(wǎng)絡(luò)、以及高頻多脈移相變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)過程。以期能給工程實(shí)踐時(shí)的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供有力的參考，以縮短項(xiàng)目研發(fā)周期。
　　基于現(xiàn)有中高壓、大功率電力電子變換拓?fù)渲械暮蠹?jí)逆變裝置拓?fù)湎鄬?duì)較為復(fù)雜、需級(jí)聯(lián)較多功率單元的特點(diǎn)，本文試圖通過功率器件串聯(lián)的技術(shù)途徑來解決這一難題。文中提出了新型的基于高頻變壓器的器件串聯(lián)均壓拓?fù)?，并?duì)此進(jìn)行了研究與探討。由于該型器

5、件串聯(lián)均壓拓?fù)洳捎脽o源器件構(gòu)成均壓電路，因而能避免門極均壓控制電路設(shè)計(jì)的繁復(fù)和不穩(wěn)定性，且損耗遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的RCD箝位均壓方式。此外，還通過串聯(lián)均壓電路在開關(guān)瞬態(tài)的等效電路，對(duì)均壓電路中不可避免的寄生參數(shù)對(duì)器件均壓的影響進(jìn)行了進(jìn)一步的研究和討論，并給出了開關(guān)器件在開關(guān)瞬態(tài)所受的最大電壓應(yīng)力的計(jì)算方法。為了更好地保護(hù)串聯(lián)器件，避免其受到寄生參數(shù)引起的電壓尖峰的損毀，還引入二極管箝位電路來進(jìn)一步完善基于高頻變壓器的器件串聯(lián)均壓電路。根據(jù)以上所

6、得的開關(guān)瞬態(tài)等效電路，給出了二極管箝位電路的參數(shù)設(shè)計(jì)策略。
　　為減少電力電子裝置的體積和重量，提高功率密度和變換效率，且避免器件高頻工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)線路寄生參數(shù)引起的EMI問題，最大限度地提高裝置的性能和可靠性，本文認(rèn)為有必要將器件(IGBT)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路集成到芯片級(jí)的串聯(lián)IGBT模塊當(dāng)中，并實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模生產(chǎn)。本文針對(duì)現(xiàn)有的IGBT串聯(lián)驅(qū)動(dòng)輔助電源拓?fù)溥M(jìn)行了梳理和比較，認(rèn)為非隔離型的IGBT串聯(lián)驅(qū)動(dòng)輔助電源更適合集成化的串聯(lián)系統(tǒng)