特高压直流输电柔直阀旁路晶闸管分流能力研究

通过优化晶闸管结构参数,研制出低通态压降的柔直阀专用晶闸管。在实验室中等效出柔直阀闭锁状态下的暂态电流波形,测试并分析RZ TB60系列旁路晶闸管在通过该电流时的结温变化情况,验证其工作的可靠性和安全性。     

基于大电流通态压降的IGBT功率模块结温监测方法的研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)是限制新能源汽车可靠性和成本的关键因素。结温监测能够提升IGBT功率模块的功率密度,提高系统可靠性,降低成本。基于此,提出一种基于大电流通态压降的IGBT功率模块结温监测方法。首先分析通态压降与结温之间的关系,然后设计通态压降结温校准电路,并基于小电流通态压降对校准结果进行验证。最后,分别使用数学模型和神经网络模型拟合结温和通态压降的关系,对基于模型对结温进行预测。结果证明,大电流通态压降能够准确测量结温。     

高压直流换流阀晶闸管结温计算研究

针对串联水路的换流阀组件中各级晶闸管结温的差异,建立了阀组件晶闸管结温计算等效模型,利用PSCAD/EMTDC仿真软件对各级晶闸管结温进行仿真求解,找出一个阀组件中结温最高的晶闸管;对结温最高的晶闸管两侧散热器中心区域开槽,埋置测温光纤,在合成试验平台上进行最大连续运行负荷试验,并从所测得的散热器台面最高温度对晶闸管结温进行校核,结温校核结果表明,阀组件晶闸管结温计算等效模型具有较高的准确性。     

晶闸管阀水冷系统流量设计优化研究

为了保证晶闸管的可靠稳定运行,提高水冷系统流量设计的精确度,提出了基于结温限值核算水冷系统流量的优化算法——结温算法。该算法通过预设晶闸管运行结温限值、进阀水温,结合晶闸管的热阻和散热器热阻,计算出阀冷却所需的水冷系统流量值。结果表明,通过结温算法进行水冷系统流量设计,在保证晶闸管运行结温的同时可提升水冷系统的可靠性与经济性,为水冷系统流量设计优化提供理论依据。     

模块化多电平换流器损耗与结温的解析计算方法

正常运行时模块化多电平换流器(MMC)子模块的电容不断被充电/放电。为保持电容电压平衡,各子模块投入/切出状态随机,导致MMC损耗计算的复杂度很高。文中引入了桥臂子模块投入占空比的概念,在整个功率运行区间内分析推导了子模块中4个开关器件通态电流平均值与有效值的解析表达式。在此基础上,综合考虑电容电压与门极电阻等参数的影响,推导了通态损耗与开关损耗的解析表达式。针对平均结温并不能真实反映开关器件实际工作状态的问题,详细分析了每个工频周期内开关器件结温波动特性,提出了一种最大运行结温的估算方法。算例分析表明,损耗与结温计算结果与MMC运行特性完全一致,该解析计算方法简便有效。     

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。     

双馈抽水蓄能机组用中点箝位式三电平变流器损耗与结温分布

针对双馈抽水蓄能机组(DFPSU)运行工况转换频繁,分析不同运行工况下中点箝位式(NPC)三电平变流器功率器件损耗及结温分布。基于DFPSU运行特点,以机侧变流器单相桥臂功率模块为例,研究了不同运行工况下各个功率器件开关动作和电流通路,理论上分析了器件损耗分布不均现象;基于功率器件导通损耗和开关损耗计算模型,建立其热网络等效电路和结温计算模型,考虑DFPSU控制策略,并基于PLECS平台建立了NPC三电平变流器功率器件电热耦合仿真模型;对机组在发电、电动和调相运行工况下的器件损耗和结温分布进行仿真。理论分析与仿真结果表明,不同运行工况下器件损耗不同,变流器中间位置的主开关和箝位二极管的损耗和平均结温最大,且机组在同步转速点附近器件结温波动最大。     

基于各层材料传热特性的晶闸管结温计算等效电路模型

晶闸管作为脉冲功率系统中重要的开关元件,在实际运用过程中晶闸管的结温既影响晶闸管运行的可靠性,又影响其使用寿命,因此对晶闸管的热阻分析与建模具有极高实用价值。该文运用导热微分方程计算晶闸管内部不同材料元件热阻抗特性,分别求得到其对应的Foster网络参数模型。然后把各层材料的Foster参数进行变化得到应的Cauer网络参数,最终把各层材料的Cauer模型级联起来得到整个晶闸管的结温计算模型。结合实际晶闸管结构和对应材料热物理参数,分析接触热阻与压接力关系,在新模型中加入相应的接触热阻。将所求得的晶闸管的新的Cauer电路网络模型的单位阶跃响应、ANSYS有限元建模计算结果及晶闸管手册中提供的热阻抗曲线进行对比,验证提出新的结温计算方法的可行性。同时针对实际工况的脉冲电流曲线幅值脉宽进行分析且建立试验平台研究相同电流脉宽,不同电流幅值的单次浪涌电流工况温升情况,通过新模型与传统模型相比较,验证提出的新模型的有效性。通过理论分析和实验验证,为晶闸管热特性设计及电热耦合计算提供一种实用的电路暂态等效计算模型。     

柔直用压接型高压IGBT导通压降演化规律研究

MMC子模块中的高压功率器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在长期运行工况下逐渐发生热老化,最终导致器件失效。因此,研究IGBT的状态监测技术对于MMC的可靠运行具有重要意义。目前的文献压接型IGBT导通压降演化规律研究较少,文中搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中同时监测得到不同热老化程度下的器件导通压降和门极电流,利用试验得到的结温与门极电流的线性关系将导通压降归一化到同一结温下,从而剥离结温对导通压降的影响。结果表明,导通压降随着热老化程度呈现上升的趋势,变化范围大致在10%以内。最后,将老化失效的两个IGBT解体,发现器件内部物理结构发生变化,芯片表面发现局部烧蚀甚至熔化。     

晶闸管维持电流的研究

从晶闸管的可靠性、晶闸管换向关断时间公式、晶闸管的通态特性、高频晶闸管器件以及晶闸管两次扩散参数匹配等方面论述了研究晶闸管维持电流的意义,推导证明了新的晶闸管维持电流的定量公式,并以研制生产的小功率高频晶闸管为实例,验证了这一公式的正确性,进而对其在应用上的条件及指导意义做了必要说明。     

功率晶闸管的浪涌性能研究

通态不重复浪涌电流ITSM是晶闸管的一个重要参数,能够反映该型号晶闸管承受故障电流的能力,为此设计了一种能在低电压、低通态电流上升率条件下产生高浪涌电流的测试平台。通过调整平台的回路参数,得到了被测晶闸管浪涌电流峰值和脉宽间的关系曲线,确定了其安全工作区间。     

重频脉冲电流下晶闸管结温研究

脉冲功率技术的一个重要发展方向就是重频脉冲电源。晶闸管作为主要开关器件,其在重频下运行的特性是重频脉冲电流源发展的一个重要前提,晶闸管在重频运行一个关键问题就是热积累问题。基于晶闸管热传导和对流过程,建立了暂态热传导模型,仿真分析了晶闸管在重频脉冲电流下的结温变化。根据仿真结果,合理设置晶闸管工作的重复频率,保证晶闸管的结温不超过临界温度,并通过实验验证了晶闸管在该重复频率下可以可靠工作。     

不同系统频率下的换流阀运行试验等效研究

换流阀运行试验是确保换流阀长期稳定可靠运行的关键试验之一。在损耗补偿的基础上,基于晶闸管结温等效原则,理论推导出了不同系统频率下的运行试验等效参数的具体计算研究方法。以应用于60 Hz系统的巴西美丽山二期换流阀为例,对其在国内50 Hz的合成试验系统中进行运行试验的试验参数进行了计算,并在合成回路上进行散热器台面测温试验,对晶闸管结温进行校核,验证了运行试验等效研究方法的正确性,为后续国产换流阀走向海外提供了试验指导。     

电力电子电路中功率晶体管结温在线测量技术研究现状

功率晶体管结温的在线测量对于电力电子变换器的优化运行以及可靠性监测具有重要意义。实时获取的晶体管结温可用于退化监测、日常维护以及进行有效的热控制来减少功率损耗,提高寿命。对现有的电力电子变换器中功率晶体管结温测量方法进行归纳整理。首先介绍目前功率晶体管结温离线获取的三类方法,并分析各自的优缺点。在此基础上,将现有的功率晶体管结温在线获取方法分为基于热模型的结温测量和基于热敏电参数的结温测量两大类。详细介绍各功率晶体管结温在线测量技术的工作原理,并对各个方法进行总结,分析各自的优势及不足,最后指出功率晶体管结温在线测量的研究难点以及今后的研究方向。     

兆瓦级脉冲间歇整流装置热分析

脉冲间歇整流装置多适用于短时大功率脉冲工作的应用场合,采用功率二极管或晶闸管作为其主功率器件。该装置在运行过程中产生的功率损耗将显著抬升器件结温,需合理设计散热系统以确保装置安全可靠运行,但针对该类装置的热分析方法却鲜见报道。以某型兆瓦级脉冲间歇整流装置为例,基于热电比拟关系,综合运用流体分析、暂态热分析、曲线拟合等手段,从功率单元热参数提取、换热器模型建立、热源计算等方面递进地为该装置进行热分析,建立全局热阻抗网络。所提出的全局热阻抗网络模型可对不同工况下器件结温、散热器温度等进行预测,装置出厂试验结果证明了该模型的有效性。     

一种新型的基于Vce-on的IGBT模块结温实时估测法*

文中提出了一种新型的利用通态V_(ce-on)实时估测结温的方法。首先分析了被测IGBT模块通态V_(ce-on)与温度的相关性,然后通过软件提取了模块的互连材料参数,该方法大大降低了实验成本,操作也更加简便。最为重要的是,充分考虑了内部材料电阻对IGBT模块结温的影响,并对其进行了补偿。最后,通过比较红外摄像仪测量结果和实时估测结温验证了该方法的有效性。     

脉冲功率晶闸管的小型化

小型化与轻量化是脉冲功率电源实用化的关键技术。功率半导体开关占据了脉冲电源体积相当大的比例。为减少功率半导体开关的体积与重量,本文提出一种以减薄铜基座对其进行小型化的方法。该方法通过建立和求解晶闸管暂态热传导数学模型,来分析晶闸管在浪涌电流下温度对时间和空间分布的特性。计算结果表明:在脉冲功率应用中,晶闸管铜基座厚度与硅片的峰值结温无关,铜基座厚度仅对热量的扩散时间和热平衡后的稳态平均温度有微量影响。根据理论计算的结果,本文试制了薄壳晶闸管样品,其厚度仅为常规型号的一半。样品测试结果显示了晶闸管浪涌电流能力和di/dt与常规管壳的基本一致。薄壳方案同样适用于二极管。     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

基于结温反馈方法的模块化多电平换流器型高压直流输电阀损耗评估

为了计算模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的半导体器件在实际工作结温下的损耗,提出了基于结温反馈方法的MMC损耗计算方法。根据供应商数据及仿真得到的换流器实时电压电流值,在PSCAD/EMTDC中建立了考虑结温变化的损耗计算模块,分析了MMC子模块各部分的通态损耗和开关损耗。同时给出了不同散热器温度下MMC一端换流站的阀损耗比例。计算结果表明,由于器件的实际工作结温往往低于标准结温,因此采用结温反馈后计算得到的换流阀损耗值小于采用恒定结温方法得出的结果。同时证明了MMC的开关损耗较小,在不计吸收电路及驱动电路损耗的前提下,其单站阀损耗占额定直流功率的比例可以下降至<1%,这与二电平和三电平电压源换流器拓扑相比有明显的下降。     

采用回归分析法检测设备中晶闸管的结温

分析了晶闸管设备中器件结晶检测的困难，基于回归分析理论提出了一种在线自动检测晶闸管结温的新方法，并由抗强电磁场干扰的温度传感器，ＰＣ机组成了晶闸管结温自检测系统。