混合模块及其应用

SiC器件是下一代电力电子器件,目前价高难推广应用,在器件换代过渡期为增大功率及降低成本推出Si和SiC混合模块是现实的解决方案。除价格因素外,SiC器件的高开关速度导致开关过程电压和电流大幅振荡,也为应用带来很大困难,混合模块有助于克服这困难。介绍两种Si和SiC混合模块的应用:硅IGBT和碳化硅BCD混合模块及硅IGBT和碳化硅MOSFET混合模块。另外,还介绍全硅IGBT和MOSFET混合模块的应用,它也能获得Si-IGBT+SiC-MOSFET模块的许多好处。     

高功率密度碳化硅MOSFET软开关三相逆变器损耗分析

相比硅IGBT,碳化硅MOSFET拥有更快的开关速度和更低的开关损耗。碳化硅MOSFET应用于高开关频率场合时其开关损耗随着开关频率的增加亦快速增长。为进一步提升碳化硅MOSFET逆变器的功率密度,探讨了采用软开关技术的碳化硅MOSFET逆变器。比较了不同开关频率下的零电压开关三相逆变器及硬开关三相逆变器的损耗分布和关键无源元件的体积,讨论了逆变器效率和关键无源元件体积与开关频率之间的关系。随着开关频率从数十kHz逐渐提升至数百kHz,软开关逆变器不仅能够维持较高的转换效率,还能取得更高的功率密度。最后,在1台9 kW软开关三相逆变器和1台9 kW硬开关逆变器上进行了实验验证。     

面向Si/SiC混合器件逆变器全寿命周期安全工作区的多开关模式主动切换策略

基于硅基绝缘栅双极型晶体管(Si IGBT)和碳化硅金属氧化物半导体场效应管(SiC MOSFET)的Si IGBT/SiC MOSFET混合器件采用多开关模式切换策略可使变换器具备应对复杂工况的能力,然而现有切换策略并未考虑器件疲劳老化对模式切换阈值电流的影响,在混合器件老化进程后期极有可能造成器件热失效,进而严重威胁变换器的可靠运行。基于此,提出了一种面向Si/SiC混合器件逆变器全寿命周期安全工作区的多开关模式主动切换策略。基于器件疲劳老化对逆变器最大安全运行电流的影响规律,设计了考虑老化进程的逆变器安全工作区刻画流程。根据安全工作区刻画结果,提出了适用于混合器件全寿命周期的多开关模式主动切换策略。实验结果表明,该策略能够针对混合器件不同老化程度来动态调整开关模式切换阈值电流,从而在器件全寿命周期内保障逆变器的运行可靠性。     

基于碳化硅器件及其驱动的谐振变换器设计

硅(Si)基电力电子器件受限于Si材料特性难以在耐压、耐温、开关频率等方面有所突破,而碳化硅(SiC)基器件因其性能优异,尤其在中高压电能变换设备的应用中前景广阔。理论与实验对比分析了SiC MOSFET与Si MOSFET,Si IGBT的特性,对驱动电路进行了分析与改进以适应不同器件驱动电压的需要,最后应用SiC MOSFET及其驱动电路搭建了100 kHz CLLC谐振变换器实验样机。说明了SiC基器件相较于Si基器件在导通、关断以及开关性能上的优势,验证了改进后驱动电路以及基于此来研制高性能电源变换器的可行性。     

基于SiC器件的高频高效率双Buck半桥逆变器

宽禁带器件碳化硅(SiC)半导体耐压高、开关速度快、损耗低,在逆变电源朝着小型化、轻量化和高效率的发展趋势中具有良好的应用前景。对SiC MOSFET性能及双降压式半桥逆变器(DBHBI)的工作原理、参数设计及损耗模型进行了理论分析与实验研究,比较其与Si IGBT逆变器的效率。搭建一台1 kW实验样机进行测试,开关频率100 kHz下最高效率达到96.28%。     

基于驱动电流动态调节的低过冲低损耗SiC MOSFET有源门极驱动

与硅基功率器件相比,碳化硅(silicon carbide,SiC)MOSFET具有开关速度更快、导通损耗更低等优点,将越来越广泛的应用于高效高功率密度场合。但是,其开关特性对寄生参数非常敏感,在高速开关过程中极易产生瞬态电压电流尖峰和高频开关振荡,严重威胁Si C基变换器的可靠运行。针对这一问题,文中对SiC MOSFET的开关暂态过程进行深入分析,揭示门极驱动电流对开关过程电压电流过冲、振荡与开关损耗的影响机理。在此基础上,提出一种驱动电流分段动态调节的SiC MOSFET有源门极驱动电路,即根据开关过程不同阶段的状态反馈动态调整器件门极驱动电流。实验结果表明,所提出的方法能够在维持低开关损耗的同时,实现了对SiC MOSFET开关过程中电压电流过冲和高频振荡的有效抑制,提升SiC基电力电子装置的动态性能与运行可靠性。     

SiC MOSFET开关特性及驱动电路的设计

与硅(Si)功率器件相比,碳化硅(SiC)功率器件的掺杂浓度更高,禁带更宽,在高电压下导通阻抗更小,因此应用于大功率场合可以提高开关频率,减小变换器体积重量。根据SiC MOSFET的开关特性,设计了一种SiC MOSFET的驱动电路,采用双脉冲电路对其开关时间、开关损耗等进行了实验测量,分析了不同阻值驱动电阻对SiC MOSFET模块开关时间和开关损耗的影响。     

SiC MOSFET在航空静止变流器中的应用研究

航空静止变流器实现机载直流电到交流电的转换,对功率密度、效率、环境适应性、可靠性和电气性能等有较高的要求。碳化硅(SiC)半导体器件的开关速度快、高温特性好,在航空静止变流器中有很好的应用前景,但目前关于宽禁带器件在航空静止变流器中应用的研究比较少。首先结合现有的典型航空静止变流器电路拓扑分析了SiC MOSFET应用的关键问题;然后针对航空静止变流器逆变级的两级级联半桥逆变器,对比分析了应用SiC MOSFET与Si MOSFET的损耗大小,分析结果表明在现采用的开关频率下,即使现有SiC MOSFET导通损耗较大,但总损耗仍较小;且开关频率越高,SiC MOSFET的效率优势越明显,最后为适应高开关频率SiC MOSFET逆变器的需要设计了一种适应高开关频率和宽占空比变化信号的SiC MOSFET驱动电路,搭建了1台500 VA、115 V/400 Hz两级级联半桥逆变器实验样机,并验证了应用SiC MOSFET的航空静止变流器逆变级的可行性。     

基于PLECS的车载SiC单相逆变器损耗研究

近年来,碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在电力电子领域的应用日益成熟。由于其具有损耗低、导通电阻小、开关速度快、频率高等优点,因此,当其应用在车载单相逆变器中时,可以通过提高开关频率来有效地减小磁性元件的体积,从而提高逆变器的功率密度,减轻重量。但随着开关频率的提高,逆变器的开关损耗也随之增加,因此SiC MOSFET单相逆变器的损耗分析在设计过程中至关重要。对车载SiC单相逆变器在单极性正弦脉宽调制(SPWM)下的开关器件损耗进行详细分析;在PLECS仿真软件中搭建SiC MOSFET单相逆变器的电路模型和器件损耗模型;最后搭建SiC MOSFET单相逆变器的实验平台,测试开关器件的损耗,验证损耗理论计算的正确性及损耗模型的有效性。     

基于SiC MOSFET的水下高速电机转矩脉动抑制研究

水下航行器高速电机具有高速、大功率、多挡位可调等特点,为了减小水下航行器有限空间内的高速无刷直流电机(BLDCM)转矩脉动,分析了水下航行器高速电机对高开关频率的需求,对BLDCM转矩脉动进行了数学分析,得到BLDCM的转矩脉动与开关频率及占空比等的关系。利用SiC MOSFET开关频率高的特点来提高逆变器开关频率,从而降低高速电机转矩脉动,同时SiC MOSFET又有开关损耗小的优点,与使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)相比,SiC MOSFET在提高开关频率的同时可以减少开关损耗。最后通过仿真和试验验证了SiC MOSFET在较高开关频率时对高速BLDCM转矩脉动抑制的效果,为宽禁带半导体器件在水下航行器高速BLDCM的应用提供参考。     

Compressive sensing‐based adaptive sparse predistorter design for power amplifier linearization

Greedy algorithms in the compressive sensing theory have been formed the essential method for pruning power amplifier (PA) behavioral models and digital predistorters (DPDs). However, the inherent batch mode of these algorithms limits their application in adaptive digital predistortion framework. In this paper, a powerful subspace pursuit greedy scheme combined with stochastic gradient descent adaptive algorithm is proposed to design a class of adaptive sparse DPDs. According to the given sparsity level, the proposed approach can obtain the sparse terms of DPDs and extract the corresponding coefficients adaptively. Performance improvement of the proposed method is validated by simulation results on the adaptive DPD excited by 15‐MHz 3‐carrier Long‐Term Evolution signals and 50‐MHz 16 amplitude/phase‐shift keying signals. Meanwhile, measurement results on a Doherty PA excited by 30‐MHz 3‐carrier Long‐Term Evolution signals are also performed to verify the advantage of the proposed approach. Simulation and experimental results show that proposed algorithm can efficiently construct the adaptive sparse DPD models with only a small number of parameters; both nonlinear distortions and memory effects in the PA can be almost completely removed. A comparison with the nonsparsity aware DPD techniques and batch mode compressive sensing pruning techniques has been demonstrated that the proposed method exhibit faster convergence, improving tracking capabilities and reduced computational complexity.     

气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压研究的新进展

气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear,GIS）中的隔离开关操作空载短母线会产生陡波前、高幅值的特快速瞬态过电压（very fast transient overvoltage,VFTO）、瞬态壳体电位和电磁干扰,对GIS及其连接的具有绕组的设备、与壳体连接的二次设备绝缘产生危害,干扰二次设备工作,严重影响设备的安全运行。对2009年前国内外在VFTO测量方法、特性试验、数字仿真和对绝缘影响以及外部VFTO方面的研究状况进行了综述。概要总结了国家电网公司在特高压GIS中VFTO实测及仿真研究方面取得的新进展,提出了特高压GIS中VFTO需要深化研究的内容,即重点关注VFTO的传播特性与仿真建模,VFTO下的绝缘特性和机制研究,以期全面掌握特高压GIS中VFTO特性,对特高压输变电设备的研制、工程设计和运行提供依据和有益的参考。     

基于Smallworld的配电AM/FM/GIS分布式系统

随着我国城网改造的逐步升温,配电管理系统（DMS）成为提高配电网运行和管理水平必不可少的手段,而AM／FM／GIS系统是配电系统整体管理水平提高的集中表现之一。本文围绕电力AM／FM／GIS系统的设计、功能规划,接口方案、一体化设计思想等问题进行了深入的探讨。     

分布式电源的配电网重构和电容器优化投切

综合考虑最优潮流、配电网重构和电容器优化投切,建立了计及分布式电源的配电网经济运行模型。鉴于模型的复杂性,采用结合最优潮流和改进蚁群算法的混合优化方法进行求解。该方法将最优潮流嵌入改进蚁群算法中,利用最优潮流求解考虑网络安全约束的分布式电源优化调度问题,利用改进蚁群算法优化配电网结构和电容器档位。为了提高蚁群算法的优化效率,建立含有局部搜索蚂蚁的混合蚁群,平衡蚁群算法的全局和局部搜索能力。通过对16节点和33节点的测试系统仿真,表明提出的模型和算法正确有效。     

TDC-3000分散控制系统的实际应用

广州恒运企业集团有限公司210MW机组采用了Honeywell公司的TDC-3000分散控制系统，该系统完全具有数据采集(DAS)、协调控制(CCS)、顺序控制(SCS)和炉膛安全监测系统(FSSS)功能，这种应用在国内电厂中尚属首次。为此，详细介绍了该系统网络结构的特点，系统主要硬件、软件的组成，分析该系统在机组运行中出现的问题并提出行之有效的解决办法，强调今后在设备选型时应特别注意的问题。     

An Application of the Recombination and Generation Theory by Shockley, Read and Hall to Biological Ion Channels

We have applied the Shockley-Read-Hall (SRH) model for the generation and recombination of charged carriers to biological ion channels. We show how to include this important effect in the traditional PNP model. The idea is to use the software of computational electronics that has been developed to solve Shockley’s equations. In particular we have used the simulator PROPHET to simulate biological ion channels and to include particle like properties and dynamics such as the capture and release of ions. The considerable reduction of effective diffusion coefficients can be well simulated. The saturation effect observed in current-concentration curves, which is not predicted by the conventional PNP model, has been successfully reproduced in our simulation. We also show that PROPHET can be used to perform both steady state and time dependent simulations for ion channels. The timescale can be microseconds, far beyond the range of molecular dynamics simulations. Our results demonstrate the useful role of PROPHET simulations in a multi-scale simulation approach.     

开关磁阻电机的自抗扰控制策略研究

开关磁阻电机由于其具有结构简单、可靠性高、调速范围宽等优点,在多种场合如新能源汽车以及家用电器等领域内得到应用和发展。本文以直驱型宽转速调速的多功能食品料理机为研究对象,结合开关磁阻电机特性及机械运动方程,建立系统仿真模型,利用自抗扰控制设计了开关磁阻电机宽转速稳定的调速系统,验证自抗扰系统能更好地抑制外部负载变化引起的扰动影响,并且具有更好的动态响应及稳态性能。最后对一台四相8/6开关磁阻电机进行实验,结果表明自抗扰控制可以有效控制电机的转速和转矩,在宽转速范围变工况条件具有优良控制性能。     

10kV架空线配电自动化系统的初步实施

分析 10kV馈线保护的二次重合闸与柱上真空开关 (PVS)的配合 ,实现 10kV架空线配电自动化系统的初级阶段———电压型馈线自动化 ,即当发生故障时 ,及时准确地确定故障点 ,方便维修人员处理 ,自动隔离故障点 ,恢复非故障区间供电 ,减小客户停电时间和停电范围。同时介绍了广州电力局电压型馈线自动化的应用实例。     

基于最优潮流方法的传输容量计算研究

可用传输容量计算已成为电力市场研究的一个重要部分，而总传输容量又是可用传输容量计算的基础，该文在介绍可用传输容量计算的基本概念，计算原则的基础上，建立了基于最优潮流（OPF）的总传输容量计算模型，提出了6种区域间传输容量计算目标函数，并通过定量证明了在一定条件下这六种目标函数计算的等价性，文中通过对IEEE－30节点系统进行的仿真计算，验证了基于OFP计算总传输容量的可行性，同时也通过实例算例验证了所提出定理的正确性。     

A novel auto-reference ultra-wideband receiver scheme

A new auto-reference (AR) transmit-receive scheme and a corresponding group decision algorithm on the generalized likelihood ratio testing (GLRT) principle is proposed in this paper to overcome the drawbacks of the power inefficiency and the high noise vulnerability in transmitted-reference (TR) ultra-wideband (UWB) systems. A partly overlapped detection window structure is introduced in which the decided data frames are regarded as the reference signal so that energy and time resources in the reference frame are saved and full-rate data transmission is achieved. Differential coding was utilized to solve the error propagation problem introduced by the overlapped detection windows. The group decision algorithm on the GLRT principle was utilized to estimate the correlation template through all data frames in detection windows and could offer better noise suppression. Simulation results reveal that the AR scheme with its decision algorithm outperforms the conventional and other modified TR schemes in generalized signal-to-noise ratio (SNR). Translated from Journal Xi’an Jiaotong University, 2006, 40(8): 932–935 [译自: 西安交通大学学报]