非平穩(wěn)工況變流器IGBT模塊結(jié)溫平滑控制研究.pdf

1、功率變流器作為大型電力電子系統(tǒng)的核心組成部分，對(duì)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起著舉足輕重的作用。尤其是應(yīng)用在可再生能源發(fā)電中的變流器，經(jīng)常運(yùn)行在處理功率大范圍隨機(jī)波動(dòng)的嚴(yán)酷環(huán)境，導(dǎo)致變流器的可靠性和預(yù)期使用壽命遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)電力設(shè)備。究其原因，功率模塊內(nèi)部各層封裝材料的熱膨脹系數(shù)不一致，加上變流器處理功率長(zhǎng)時(shí)間隨機(jī)波動(dòng)，導(dǎo)致模塊內(nèi)部結(jié)溫劇烈變化，器件持續(xù)承受交變的熱應(yīng)力沖擊，引起疲勞老化失效等問(wèn)題，引發(fā)變流器系統(tǒng)故障。同時(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，從封裝材料

2、、設(shè)計(jì)與制造工藝角度提高變流器可靠性越來(lái)越受到成本和空間的限制，且無(wú)法避免故障發(fā)生。為此，論文選擇從變流器運(yùn)行層面研究提高可靠性的方法，重點(diǎn)研究了抑制和平滑模塊內(nèi)部熱應(yīng)力沖擊的變流器熱管理技術(shù)，以延緩器件疲勞老化速率，降低變流器發(fā)生故障的概率，提高系統(tǒng)可靠性。
　　首先，研究了功率器件結(jié)溫的影響因素及其估測(cè)方法。研究發(fā)現(xiàn)，除開(kāi)關(guān)頻率、器件電壓電流幅值和相位，開(kāi)關(guān)運(yùn)行軌跡亦是一個(gè)可用于溫度控制的參量。針對(duì)傳統(tǒng)電熱耦合模型中損耗計(jì)算存

3、在精度和計(jì)算速度的矛盾，推導(dǎo)了空間電壓矢量調(diào)制策略下功率器件的工頻周期平均損耗計(jì)算模型?；谠撃Ｐ?，以直驅(qū)風(fēng)電變流器為例，分析了風(fēng)速波動(dòng)時(shí)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器功率模塊的損耗分布和結(jié)溫變化規(guī)律。功率模塊結(jié)溫估測(cè)是研究變流器熱管理的基礎(chǔ)。針對(duì)模塊結(jié)溫?zé)o法直接測(cè)量的難題，提出了采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大電流下結(jié)溫估測(cè)的解決方案，研究表明該方法具有較好的估測(cè)精度。
　　其次，考慮到現(xiàn)有變開(kāi)關(guān)頻率調(diào)溫的研究大多以過(guò)溫保護(hù)和調(diào)節(jié)平均溫度為主，提出了平

4、滑結(jié)溫波動(dòng)的變頻調(diào)溫控制方案，并對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行了探討。設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型逆變器樣機(jī)對(duì)變頻調(diào)溫方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用所提變頻調(diào)溫方案實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)風(fēng)電變流器功率模塊的結(jié)溫平滑控制，借助米勒線(xiàn)性累積損傷理論和雨流計(jì)數(shù)法對(duì)熱管理的效果進(jìn)行了理論分析與驗(yàn)證。
　　再者，針對(duì)變頻調(diào)溫方案存在調(diào)節(jié)范圍受限的問(wèn)題，在分析功率器件開(kāi)關(guān)運(yùn)行軌跡變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，論文首次提出了變開(kāi)關(guān)軌跡實(shí)現(xiàn)損耗調(diào)節(jié)和結(jié)溫平滑控制的思想及實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)在傳統(tǒng)緩沖吸

5、收電路基礎(chǔ)上增加溫控開(kāi)關(guān)，提出了變開(kāi)關(guān)運(yùn)行軌跡調(diào)節(jié)結(jié)溫的硬件實(shí)現(xiàn)方案。詳細(xì)分析了所提溫控電路的原理和工作過(guò)程，構(gòu)建了溫控電路用于結(jié)溫平滑控制的占空比調(diào)節(jié)方案。研究表明，變開(kāi)關(guān)軌跡調(diào)溫的方法能有效平滑器件結(jié)溫波動(dòng)，減小模塊內(nèi)部熱應(yīng)力沖擊。與變開(kāi)關(guān)頻率調(diào)溫策略相比，該方法不影響變流器輸出波形。
　　最后，針對(duì)單一結(jié)溫控制方案調(diào)溫效果有限的問(wèn)題，提出了多參量聯(lián)合調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)結(jié)溫平滑控制的變流器綜合熱管理策略。以 FPGA為載體，通過(guò)嵌入式編

6、程設(shè)計(jì)，搭建了一套全數(shù)字化控制的功率變流器綜合熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)變流器的正常穩(wěn)定運(yùn)行，滿(mǎn)足功率處理的要求，又能通過(guò)多參量聯(lián)合調(diào)節(jié)平滑結(jié)溫波動(dòng)，減小器件內(nèi)部熱應(yīng)力沖擊。考慮到從IGBT模塊底殼到周邊環(huán)境之間的熱阻可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，通過(guò)控制散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)散熱器熱阻實(shí)現(xiàn)了變流器外部熱管理。采用紅外測(cè)溫儀對(duì)開(kāi)封模塊表面的溫度進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證結(jié)溫平滑控制的效果。研究表明，外部熱管理雖然響應(yīng)速度不及內(nèi)部熱管理，但能調(diào)節(jié)平均結(jié)溫；同時(shí)綜合熱管理