大功率多电平逆变器寄生参数对电路性能影响和抑制的分析与研究

论文摘要

大功率电力电子装置从研究到工程应用,并已取得较好的社会和经济效益。但是在大功率的多电平变流器的研究中,尤其在工程应用中,其电路的非理想因素,对电路的可靠运行有着不可忽略的影响。其中,开关损耗和热管理设计,分布参数和电路瞬态工作过程,多电平电压平衡与控制的结构方法等等,都成为多电平变流器研究与应用的关键问题。本文的工作就是建立在上述研究背景下的。电力电子器件损耗关系着系统的温升,决定了系统所采取的热管理方式。本文详细分析了三电平大功率逆变器的各器件运行状态,在此基础上推导了器件损耗计算方法,最后估算了630kW三电平大功率逆变器的器件损耗,并根据系统实际需要,提出对器件采用统一的水冷散热方式。逆变器缓冲电路采用应用较广泛的三电平RCD缓冲电路,本文首先描述了该缓冲电路的参数设计原则,然后对缓冲电路的参数进行了仿真,得到了缓冲电路各参数对开关特性的影响结果。由于实际电路并非理想,而是具有杂散参数,其中杂散电感对IGBT开关特性造成极大的影响,主要包括IGBT关断电压尖峰和过渡时间等。尤其在大功率变流器工作过程中,其开关过程的di/dt非常大,可能损坏器件。本文详细分析了IGBT关断过程基本换流回路的工作模态,描述了考虑杂散参数的基本换流回路的等效电路,采用解析的方法,分析了杂散电感与IGBT关断特性的关系,用Saber软件对基本换流回路仿真,分析了各支路杂散参数对IGBT关断特性的影响程度,对比仿真结果和理论结果相符合。对于二极管箝位型三电平逆变器的IGBT端压不平衡问题,分析了IGBT端压不平衡的原因,提出了电压平衡与控制的电路结构改进方法,本文采取箝位电阻的方法对电路进行改进,实验结果良好。最后针对杂散电感的影响,从减小不利杂散参数的思想角度,论述了从电路结构布局上进行改进的方案。本文对所做的工作进行了大量仿真,并搭建了15kW三电平逆变器试验样机,通过对试验样机调试和仿真分析,验证了以上分析结果。这些分析结论,对于多电平大功率逆变器的实际应用设计具有普遍意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 热设计的研究现状
• 1.3 电路分布参数
• 1.4 IGBT电压的平衡问题
• 1.5 本文的主要研究内容和研究成果
• 第二章 损耗分析与热管理设计
• 2.1 三电平逆变器的工作状态分析及仿真
• 2.1.1 工作状态分析
• 2.1.2 仿真分析
• 2.2 导通损耗分析
• 2.3 开关损耗分析
• 2.4 反向恢复损耗分析
• 2.5 630kW逆变器损耗分析和热设计
• 2.6 三电平逆变器缓冲电路参数设计
• 2.6.1 缓冲电路概述
• 2.6.2 抑制开关过程的di/dt
• 2.6.3 RCD缓冲电路
• 2.7 IGBT窄脉冲对器件工作的影响
• 2.8 缓冲电路参数对IGBT关断特性影响分析
• 第三章 多电平变流器杂散参数的研究
• 3.1 考虑杂散电感的三电平逆变器基本电路
• 3.2 基本电路的工作原理
• 3.3 杂散电感对IGBT关断特性影响分析与仿真
• 3.3.1 换流模态关断特性分析计算
• 3.3.2 换流模态仿真
• 3.3.3 换流模态仿真与理论结果对比
• 3.3.4 RCD谐振工作模态仿真
• 3.4 各支路杂散参数影响的比较
• 第四章 IGBT电压平衡与控制的结构方法
• 4.1 IGBT端压不平衡分析
• 4.2 端压不平衡解决方案
• 4.3 减小杂散电感的电路结构
• 4.3.1 平面铜排结构特点
• 4.3.2 三电平逆变器结构优化
• 第五章 二极管箝位型三电平逆变器设计与实验结果
• 5.1 630kW逆变器设计
• 5.1.1 主电路设计
• 5.1.2 半导体器件选型
• 5.1.3 驱动电路设计
• 5.1.4 控制系统设计
• 5.2 15kW实验装置
• 5.2.1 驱动电路
• 5.2.2 采样电路
• 5.2.3 控制方式
• 5.3 实验结果
• 第六章 展望与总结
• 6.1 工作总结
• 6.2 今后的工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 附录一 IGBT关断电压尖峰计算式推导
• 附录二 15kW三电平逆变器实物装置
• 致谢