基于电压电流特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗在线计算方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)中绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor, IGBT)多运行于高压条件,需采用大量程传感器对集射极电压进行测量,但会产生较大测量误差,制约了通态损耗的准确计算。因此,针对MMC子模块中IGBT提出了一种基于电压电流特性曲线的通态损耗在线计算方法。首先,基于IGBT及二极管特性曲线参数实现了通态压降、集电极电流及结温之间关系模型的二维及三维拟合。其次,对单位电流周期内器件投切模式进行分析,实现通态损耗表达。此外,基于电热比拟相关理论,构建IGBT等效热网络模型。然后,综合考虑器件电流、导通信号及壳温等信息对结温进行反馈修正,进一步形成了IGBT通态损耗在线计算方法。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。     

电压源换流器开关器件损耗建模

IGBT在电力电子装置中得到了大量应用,尤其是在高压大功率电压源换流器领域,而电压源换流器损耗分析一直是电力电子领域的一个研究热点。为了能对电压源换流器损耗进行精确分析,提出一种基于波形拟合理论的绝缘栅双极晶体管与二极管的损耗分析模型。建立的损耗模型充分考虑了电压源换流器不同开关里导通电流变化对于二极管反向恢复过程参数及损耗的影响,该模型还考虑了二极管与IGBT器件相互关系,器件电压、电流、结温变化对损耗的影响,特别计入了电流拖尾过程、电路杂散电感参数的影响。搭建了2.5kV输出Boost实验电路对该损耗模型进行验证,实验结果对比证明了该损耗模型的正确性和有效性。提出的损耗模型适用于电压源换流器型直流输电(voltage sourceconverter high voltage direct current,VSC-HVDC)、静止无功补偿器(static synchronous compensator,STATCON)、统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)等高压大功率应用场合的电压源换流器损耗分析。     

中点钳位型三电平逆变器通态损耗分析

研究了中点钳位型三电平逆变器通态损耗的一种简单计算方法.根据电流、电压关系确定器件导通规律,进而计算出器件导通占空比,由此推导出用于分析计算的导通损耗表达式.该表达式与器件静特性、功率因数、调制度及负载电流有关,利用其计算不同载波调制下通态损耗时只需改动导通占空比.另外,采用该损耗模型对正弦波调制和三次谐波注入法调制下的三电平逆变器通态损耗进行了分析比较,所得结论为三电平逆变器损耗研究奠定了基础.     

电力机车4象限整流器空载电流特性研究

基于电力机车4象限整流器空载工况下输入电流特性,介绍了空载工况工作时IGBT短时导通与续流二极管短时导通机理,对二极管反向恢复过程中产生的尖峰电压进行了分析,并对续流二极管瞬态导通反向恢复尖峰电压公式进行了推导,指出这种尖峰电压会引起电力机车4象限整流器空载工况下功率器件损坏,结合实际试验与仿真波形验证了推理分析的正确性。最后给出了减少电力机车4象限整流器空载运行的3种应对方法。     

无刷直流电机驱动用IGBT逆变器能耗分析

为了预测电机系统的性能和提高设计的可靠性.根据无刷直流电机(BLDCM)的PWM调制原理和IGBT的损耗机理.采用损耗分离法提出了BLDCM驱动用IGBT逆变器的功耗计算模型.逆变器的通态损耗是与IGBT正向通态压降、电机电流和开关占空比有关的函数,而其开关损耗足开关器件的肝关时间、电机电流、逆变器的供电电压以及调制频率的函数.对提出的损耗模型进行了仿真计算和实验验证,仿真计算结果与实验结果具有较好的一致性.     

结温导向的两电平逆变器寿命优化控制

结温是影响IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)寿命的关键因素,为了延长两电平逆变器寿命,提出一种改进的模型预测电流控制(Model Predictive Current Control, MPCC)策略。首先,针对功率损耗产生原理,建立IGBT的损耗因子;其次,考虑三相电流方向和不同功率管的导通情况,在IGBT开关和导通时刻加入不同的损耗因子,控制功率损耗的产生。通过仿真验证,相比传统模型预测电流控制和空间矢量脉宽调制策略,所提方法在保证控制性能的同时降低了功率器件结温,延长了寿命。     

基于矢量控制的光伏逆变器IGBT损耗计算

为精确计算光伏逆变器的IGBT损耗,指导系统热设计,提出了一种IGBT损耗精确计算的实用方法。以可视化的工程计算工具MathCAD为载体,基于SVPWM矢量控制原理,建立了光伏逆变器IGBT实际工作的动态电流函数,并以该电流函数为核心,建立了IGBT损耗、反并联二极管损耗与电路中电流、电压等强相关参数的准确模型,通过编辑IGBT通态饱和压降与电流的函数;IGBT开、关损耗与电流及工作电压的函数;反并联二极管通态压降与电流的函数;反并联二极管反向恢复损耗与电流等的函数;利用积分及线性插值函数求和的形式计算出IGBT及其反并联二极管的损耗。利用该精确方法与传统的经验公式分别对损耗进行计算,逆变器IGBT温升试验结果与经验公式计算结果有一定的差异,与计算方法结果完全一致。结果表明,建立在IGBT及反并联二极管实际开关动作的损耗计算,在工程上等效于真实的工况,可以精确反应IGBT的损耗。     

基于IGBT行为模型的有源中点钳位五电平变换器损耗特性分析

有源中点钳位五电平拓扑(5L-ANPC)通常用于中压大容量电能变换领域,同时由于其拓扑结构复杂和各器件有效开关频率不同,使得损耗分析较为困难,并且对计算精度要求较高.该文分析基于载波移相脉宽调制(PS-PWM)的损耗计算方法,根据电压电流关系,详细分析所有器件的导通规律,推导导通损耗计算方法.针对传统的开关损耗计算方法在中压大容量条件下误差较大的问题,详细分析IGBT的开关瞬态过程,提出一种基于行为模型的开关暂态损耗计算方法,并将其运用于5L-ANPC拓扑开关损耗分析.对5L-ANPC拓扑损耗特性进行分析,为散热系统设计奠定了坚实的基础.实验结果表明,该文所提方法提高了损耗计算精度,最大误差为10.4％,最小误差为8.4％,验证了所提损耗计算方法的有效性.     

三电平变换器PWM控制通态损耗分析

为了进一步优化变换器的热设计,分析研究了电压源中点钳位式三电平变换器的通态损耗,并提供了分析多电平变换器通态损耗的思路:根据电流、电压关系确定器件导通规律,进而求出器件通态占空比,并在此基础上推导出用于分析计算的通态损耗表达式.由所推导的表达式对正弦脉宽调制和空间矢量脉宽调制下的三电平变换器通态损耗进行了分析比较,并得到一些有意义的结论.     

IGBT集电极电压高精度测量方法研究

IGBT导通和截止电压相差较大,传统的检测电路无法实现其宽范围、高精确度的测量。首先,本文提出了一种IGBT导通和截止电压集成的测量电路,实现了IGBT导通和截止电压的准确测量。进而给出了具有高动态性能的IGBT截止和导通电压分立测量电路,前者通过电阻分压、电容补偿实现了IGBT开关暂态集电极电压的高带宽测量;后者利用电流源给二极管注入微小电流实现IGBT导通饱和压降的精确测量,并实验验证了IGBT导通和截止集电极电压测量电路的高带宽和高精确度性能,测量精确度分别为5m V和10V。最后,对IGBT导通饱和压降-结温-集电极电流三者间存在的线性关系进行实验验证,并结合IGBT输出特性形成的分段线性函数,形成了更简单、实用的IGBT结温在线估计方法。     

IGBT模块的新型开关模型与损耗分析

为解决绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）模块开关模型适用性差、拟合度低、开关损耗难以实时连续计算的问题,通过分析IGBT模块开关过程的动、静态特性,着重考虑器件结温和杂散参数等参考量对IGBT开关过程中的瞬时电压、电流波形的影响,基于曲线拟合理论,建立了IGBT模块的开关模型与损耗模型。所建立的开关模型通用性强,适用于相邻开关周期内开关管导通电流不相等的电路;损耗模型精确度高,能够实时累加计算电路的损耗数值。基于Matlab/Simulink环境对开关过程进行仿真并搭建了双重移相DC-DC实验样机进行验证,仿真与实验结果验证了所提出的开关模型及损耗模型的正确性和准确性。     

混合式直流断路器IGBT关断能力提升技术研究

混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根据直流断路器IGBT的特殊工作条件和电气应力,分析影响IGBT关断能力提升的影响因素,分别从降低IGBT导通损耗、关断损耗和抑制IGBT关断过电压等3个方面提升IGBT的可关断电流能力。文中首先仿真不同回路参数对IGBT损耗的影响,通过优化IGBT退饱和能力和关断过程暂态特性,降低关断损耗,最终完成IGBT结温仿真校核。同时通过研究IGBT关断过电压的影响因素,仿真不同回路参数对IGBT过电压的影响,提出抑制IGBT的关断暂态过电压的具体方法。研制50 kV转移支路阀组,搭建试验平台,完成26 kA的大电流开断,IGBT稳态损耗和暂态损耗都得到有效控制,相关技术和研制设备已经应用张北工程±535 kV混合式高压直流断路器项目,具有十分重要的工程意义。     

两电平电压源换流器的损耗计算方法

功率损耗影响电压源换流器的效率,是实际工程应用中必须关注的一个问题.采用多项式方法拟合绝缘栅双极晶体管IGBT(insulated gate bipolar transisitor)厂商提供的特性曲线,建立多项式损耗模型,给出了适用性强的IGBT模块损耗计算方法.在LabVIEW下编写了损耗计算程序,对两电平电压源换流...     

MMC阀子模块IGBT损耗与结温计算

模块化多电平整流器(modular multilevel converter,MMC)子模块具有承受高电压、大电流等特点,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)又是子模块的关键器件,而IGBT的损耗和结温计算方法决定IGBT的热设计和选型,是影响其在MMC工程应用的关键因素。文中首先对MMC稳态运行时子模块承受的应力进行了分析,其次,结合通态电流、子模块的投切和结温估算模型,设计了一种IGBT损耗和结温的计算方法,最后在搭建的试验系统中进行验证,结果证明了所给出的计算方法有效可行。     

MMC优化均压控制方法的研究

MMC因具有子模块可以级联,输出电平数高、波形质量好等优势而广泛的应用于高压变频和高压直流输电等场合。首先介绍了三相MMC的基本拓扑及工作原理,在采用最近电平逼近调制方式的基础上,对传统的电容电压排序法进行了改进,引入同一桥臂子模块间电压偏差参考量和投入子模块电容电压排序系数,避免了因排序算法而导致同一个子模块的IGBT频繁投切,减小了变换器的开关损耗。通过Matlab/Simulink搭建了11电平的MMC仿真模型,并给出了同一桥臂子模块间最大电压偏差量和IGBT开关功率损耗与子模块间电压偏差参考量和不同排序系数的关系曲线,将二者之间的矛盾关系转化成多目标优化模型,设计了一种含加权系数的最优控制算法,给出加权系数为0.8时的最优参数,在最优参数条件下进行了仿真验证,仿真结果表明了该最优控制算法的有效性。     

基于IGBT的配电变压器有载调压开关参数设计及分析

对比了机械式、混合式和全电力电子式配电变压器有载调压开关(OLTC)的结构特点,提出了一种基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的配电变压器OLTC电路结构和控制方案,给出了该OLTC主电路IGBT器件、过渡电路和吸收电路的参数设计方法,推导了所设计OLTC的有功损耗计算式。所提方案克服了机械式OLTC动作慢、切换产生电弧等缺点,可辅助配电变压器实现快速、无弧的有载调压。搭建了仿真模型和实验平台,对OLTC的调压性能进行了测试,分析了开关参数对其有功损耗及IGBT承受电流电压的影响,将仿真、实验和理论计算结果对比,验证了所提有载调压方案的有效性。     

逆变器开关管变驱动电流技术研究

传统的逆变器驱动电路中,驱动电流是按开关管最大关断电流下的最高电压尖峰来设计且是固定的,但在最大关断电流以下的工作状态,关断电压尖峰较小,IGBT有较大的安全电压裕量,牺牲了器件效率。为此提出一种逆变器变驱动电流技术及电路。该电路的驱动关断电流随开关管关断电流的下降而上升,提高了开关管在全负载范围下的关断速度,降低了IGBT的关断损耗。设计的原则是,关断电压尖峰不会超过最大允许值,且调节是实时进行的。讨论了关断电压尖峰与关断电流、驱动电流和漏感之间的关系。在一个230 V DC输入/80 V AC交流输出/500 W额定负载的单相半桥逆变器上进行测试,结果表明采用所提驱动电路,额定负载下效率较传统驱动提升近0.7%,实现了驱动电路的优化。