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。     

不同调制策略下两电平电压源换流器损耗分析

首先分析讨论了电压源换流器的功率损耗组成,提出各部分损耗的数学计算方法,在此基础上对电压源换流器在正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制、优化脉宽调制等几种典型脉宽调制策略下的功率损耗进行数学分析推导,并使用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对电压源换流器损耗进行仿真计算。数学分析及仿真计算验证了脉宽调制策略及开关频率对于功率损耗大小的影响,并从损耗最优的角度提出1050 Hz的建议开关频率,以及优化脉宽调制策略是目前损耗最低的调制方式。     

杂散参数对IGBT串联阀开通过程的影响及抑制

由于电压源换流器(voltage source converter,VSC)的直流侧电压很高,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)阀组的开关过程非常短,导致交流侧输出电压变化率非常高。该电压作用于交流侧对地杂散电容,会增加IGBT在开通瞬间的电流过冲,造成很大的开通应力,影响IGBT的安全稳定运行;且电压越高,影响越大。为此,首先对杂散参数对IGBT串联阀开通过程的影响进行了理论分析;在此基础上提出在阀侧装设阻波器抑制杂散参数引起的电流过冲,并给出了阻波器设计方案。仿真和实验结果验证了该措施的有效性。     

线路故障下UPFC的响应及其保护的仿真研究

UPFC集多种控制功能于一体,更具灵活性。利用PSCAD/EMTDC仿真软件建立了两端柔性交流输电的仿真模型,研究了单相接地故障与感应雷过电压故障。结果表明:当单相接地时,UPFC会动作产生补偿电压;感应雷过电压时,送端母线、受端母线和变流器阀两端都会出现严重的过电压。基于上述分析,为了保护重要的电力设备,最后给出了避雷器的配置方案。     

IGBT模块测试适配器设计及寄生电感提取方法

分析了大功率绝缘栅门极晶体管(IGBT)模块测试适配器寄生电感的构成及其形成机理。通过理论分析及Q3D建模仿真叠层母排结构适配器并提取寄生电感,分析适配器寄生电感的计算方式,并通过原装进口适配器与设计制作的适配器进行测试试验,得到两者的寄生电感相当。试验结果表明,叠层母排结构适配器可以有效降低其寄生电感,并且通过IGBT模块开通阶段的波形参数可准确得到适配器的寄生电感。     

SiC MOSFET重复雪崩能力提升的芯片结构优化方法

SiC MOSFET的高速开关工况易诱发巨大的di/dt,从而在电路的感性负载上引发过电压,导致器件进入雪崩状态。在多次雪崩冲击后,器件易发生重复雪崩失效。针对SiC MOSFET芯片元胞结构中栅氧化层薄弱导致器件耐重复雪崩冲击能力较差的问题,进行芯片元胞结构优化研究,以增强芯片耐重复雪崩能力,提升器件可靠性。首先,研究SiC MOSFET器件重复雪崩失效机理,开展SiC MOSFET器件重复雪崩失效测试,基于失效测试结果建立SiC MOSFET重复雪崩失效可靠性评估模型;其次,针对SiC MOSFET芯片元胞结构提出了栅极底部蚀刻、P-well区扩展、JFET顶部削弱三种优化结构,并研究三种优化结构对SiC MOSFET芯片SiO₂/SiC界面处碰撞电离率和垂直电场强度的影响;最后,基于SiC MOSFET雪崩失效可靠性评估模型,对比分析了三种不同优化结构SiC MOSFET的可靠性。研究结果表明SiC MOSFET器件栅极蚀刻元胞结构具有更高的重复雪崩失效可靠性,相关研究成果为SiC MOSFET器件耐重复雪崩失效能力提升的芯片元胞设计奠定理论基础。     

直流输电用特高压晶闸管大气中子失效率评估和损伤机理

本文基于散裂中子源开展了直流输电用8.5 kV/5 kA晶闸管的加速辐照试验。试验证实了大气中子导致的晶闸管单粒子烧毁失效现象,同时基于加速辐照试验结果计算了大气中子导致的晶闸管失效率。晶闸管的反向偏置电压和结温是影响晶闸管器件失效的关键因素。大气中子失效率随着反向偏置电压的增加呈指数增加。此外,失效率随温度的降低而增加。对应器件偏置在50%额定电压下的情况,5℃时的失效率较25℃时增加了近6倍。基于TCAD仿真进一步验证了辐照导致晶闸管失效的机理。仿真表明,单粒子烧毁失效与辐射粒子入射诱发的雪崩击穿效应直接相关。雪崩击穿效应与晶闸管反向偏置电压正相关,而与结温负相关,这与大气中子失效率随电压和结温的变化关系一致。     

柔性直流输电系统接地故障下过电压特性研究

柔性直流输电技术是一种新型的直流输电技术,它以采用全控型电力电子器件的电压源型换流器为核心构建直流输电工程,具有很好的应用前景。利用PSCAD/EMTDC仿真软件建立两端柔性直流输电的仿真模型,针对其5种接地故障与雷电过电压下柔性直流输电系统中的过电压及过电流特性进行研究,研究结果表明雷电过电压与交流系统单相接地后断路器自动重合闸操作造成交流母线上的过电压比其它接地形式造成的过电压严重。基于上述分析,最后给出了避雷器的配置方案。