IGBT串联均压方法综述

绝缘栅双极性晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)在高电压场合应用时需串联使用满足电压需求。由于器件内部的性能差异和外围电路参数不一致等,引起IGBT模块之间电压不均衡问题,威胁其运行安全。综述了国内外IGBT串联均压方法的发展及其研究现状。根据均压方法机理的不同,将IGBT串联均压方法分为被动均压方法和主动均压方法两种,进一步将主动均压方法归纳为无源控制方法和有源控制方法两类。根据各类方法的基本电路拓扑分析了均压原理,梳理了不同方法在电路拓扑、参数选择和控制策略等方面的优化和最新进展。通过均压效果、附加损耗和可靠性等多方面对不同均压方法进行对比,被动均压方法拓扑简单不需外加控制电路更适合在低频应用场合,在高频应用场合中,准有源栅极控制法以单驱动与无源器件相结合的方式,具有良好的发展前景。最后对IGBT串联均压方法进行了展望。     

基于IGBT串联运行的动态均压研究

绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)串联运行易于实现IGBT的扩容,但同时也带来了不均压的问题。设计了以L,R为感性负载的实验电路,采用仿真软件PSpiee仿真分析出IGBT串联运行时动态不均压原因是吸收电路参数不一致、门极驱动信号延时不同、门极驱动电路参数不一致引起的。并提出了IGBT串联运行动态均压措施(选同型号IGBT、吸收电路参数与结构一致、门极驱动信号同步、门极电路参数一致)。     

基于AVC的IGBT直接串联技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在高压大功率场合的应用要求促进了IGBT的串联应用研究,而有源电压控制(AVC)技术能实现IGBT串联应用时的同步工作及电压均衡,已被证明是一种的控制IGBT开关性能的方案。基于此,从AVC的基本原理出发,提出了不同的参考电平及设计要求,设计了基于AVC的门极驱动及保护单元(GDU)板及实验电路。通过6个IGBT串联的10 kV/300 A的脉冲实验,验证了AVC的电压均衡效果。     

一种新电路在IGBT串联技术中的应用

动态均压是IGBT串联技术的关键.在分析和研究国内外多种1GBT串联均压电路和均压方法的基础上,采用一种结构简单、控制容易的辅助均压电路对IGBT进行均压,并对其工作机珲进行了说明.通过软件Pspice进行仿真,从理论上论证在IGBT串联中辅助均压的可行性.最后,通过试验验证该电路在IGBT串联电路均压的有效性.仿真和实验表明,该电路能够有效地使串入电路中的IGBT实现均压,给工程应用提供了一种IGBT串联的均压方法.     

1 700 V IGBT模块直接串联驱动设计

绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)在高压大功率场合的应用越来越广泛,但是高压IGBT的器件价格昂贵,低压IGBT由于耐压的限制,在高压大功率电能变换场合还不能满足需求。直接串联使用是一种较好的解决方案。结合IGBT的直接串联驱动需求,从安全隔离、可靠门级钳位、有源电压控制和过流保护等方面进行研究,设计出相应的门极驱动保护单元(gate drive and protection unit,GDU)并将其运用在3 kV/200 A三相逆变系统,结果验证了驱动的可靠性。     

电压源换流器中IGBT串联动态均压新方法

由动态电压不均衡引起的器件击穿致使串联失败是串联的关键问题。传统无源缓冲电路是以牺牲绝缘栅双极晶体管(IGBT)快速性换取电压均衡,IGBT损耗大。建立功率端与驱动端反馈的新型剩余电流动作保护器(RCD)动态均压电路替代传统无源缓冲电路,对电路的均压效果和串联IGBT开关损耗进行仿真分析。试验验证了该动态均压电路在IGBT串联运行时能很好地抑制其驱动信号不同步造成的动态电压不均衡,确保了电压源换流器的安全运行。     

直流微网混合式断路器IGBT串联均压特性

混合式断路器在直流微网应用中将多个绝缘栅双极晶体管(insulated gatebipolar transistor,IGBT)串联以承受关断过电压,为此对IGBT串联动态均压特性展开探讨。首先,分析了IGBT串联动态不均压原因及电阻、电容、二极管(RCD)无源缓冲均压电路工作原理;其次,通过仿真分析不同RCD电路参数对均压特性、IGBT关断损耗及过电压、二极管反向电压的影响;最后,搭建容量为1.2 kA/2.4 kV的IGBT串联开断单元,以500 ns关断时间差、600 A短路电流为实验条件,进行开断验证。研究结果表明:缓冲电容在一定范围内越大,IGBT的过电压、关断损耗、不均压程度越小,但过大的电容值对3者减小的作用有限;缓冲电阻在一定范围内越大,避雷器关断后,电路阻尼振荡的抑制效果越好,但二极管承受的反向电压会增大;结合仿真和实验,提出缓冲电容2～3μF,缓冲电阻2Ω的最佳电路参数,并在此基础上给出二极管选型原则。该文通过研究获得的RCD无源缓冲电路均压特性,可为工程应用提供一定技术参考。     

IGBT串联型电压源换流器的桥臂直通机理分析

应用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联组件是提高电力电子装置耐压最直接的方法,但将门极RCD有源均压电路应用于五段式空间矢量脉宽调制(SVPWM)的电压源换流器(VSC)时,可能会产生桥臂直通短路现象。从均压电路工作原理出发,分析IGBT均压箝位电容电压突增导致换流器桥臂直通短路的机理,并通过实验验证了该桥臂直通短路现象的存在,基于门极RCD有源均压的串联IGBT组件不宜用于五段式SVPWM的VSC中。     

18kV/125A碳化硅IGBT器件研制及串联应用关键技术研究EI北大核心CSCD

高压碳化硅(silicon carbide,SiC)器件因具有耐高压、耐高温、低损耗等优异特性,已成为支撑未来新型电力系统建设的新型电力电子器件。文中基于自主研制的18kV/12.5A高压SiC绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)芯片,提出18kV SiC IGBT单芯片子模组及10芯片并联封装设计方案,研制18kV/125A SiC IGBT器件,功率等级达到国际最高水平。搭建高压碳化硅功率器件绝缘、静态特性和动态特性测试平台,测试单芯片子模组及10芯片并联器件的绝缘及动态特性,18kV/125A SiC IGBT器件具备18kV静态耐压且可以在13kV直流母线电压条件下关断130A电流,验证了所研制器件的高压绝缘及高压开关能力。此外,采用18kV/125A SiC IGBT器件串联搭建24kV换流阀半桥功率模块,提出器件串联均压方法,完成半桥功率模块的1min静态耐压试验和开关试验验证,结果表明,所研制的18kV/125A SiC IGBT器件运行良好,满足串联应用要求,同时,所提的均压方案可以保证半桥功率模块静态电压不均衡和动态电压不均衡程度分别低于0.4%和15%。该研究可以为基于SiC IGBT器件在柔性直流输电工程中的应用奠定基础。     

自适应IGBT串联均压电路设计

单个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)由于耐压的限制,在节能和改善电网电能质量、柔性直流输电、高压变频器、静止同步补偿器,以及有源滤波器等高压大功率电能变换场合还不能满足需求,而串联使用是一种较好的解决方案。文中提出了一种适用于串联IGBT的自适应动态均压方案,详细分析了其工作原理,并通过仿真和实际电路对其进行了验证。在此基础上研制了一套由4组5只IGBT直接串联桥臂组成的全桥逆变演示系统,串联回路中的每只耐压1 200V的IGBT稳定工作在900V,其电压利用效率达到了75%,具有较高的实用价值。     

统一电能质量调节器并联侧APF谐波检测技术

研究了统一电能质量调节器(UPQC)并联侧有源电力滤波器(APF)的4种谐波电流检测技术,包括ip-iq法、傅里叶分解法、自适应法和FBD法等,比较了各自的优缺点和适用场合。对FBD法和ip-iq算法的一致性问题进行深入分析。通过Matlab/Simulink软件对UPQC系统并联侧APF的谐波检测技术和UPQC整体功能进行了仿真研究。在实验室条件下搭建UPQC实验平台,对系统并联侧运行和控制情况进行实验研究。结果表明,对UPQC并联侧所采用的谐波电流检测算法和电流跟踪控制算法是正确并可行的。     

UPQC直流储能单元的APFC控制技术

统一电能质量控制器(UPQC)是用户电力技术中的新兴装置,它能统一实现多重电能质量调节功能。系统地介绍了UPQC的综合补偿功能,并给出了一种典型的UPQC拓扑结构。为了进一步提高UPQC的性能,将有源功率因数校正(APFC)技术引入UPQC直流储能单元的直流电容电压控制,详细阐述了其工作原理,并给出了仿真实验结果。APFC技术用于UPQC的直流储能单元中是完全可行的,它使UPQC的性能更完善。     

通用电能质量控制器的双向多种补偿功能及其实验研究

随着越来越多的电力电子设备投入使用，电能质量问题日益严重。本文研究的基于双变流器结构的通用电能质量控制器可以对来自电网侧和来自负载侧这两个方向上的多种电能质量问题进行补偿，文章对其系统结构、工作原理、以及实现双向多种补偿功能的控制方法进行了探讨和分析，最后通过充分的实验验证了该电能质量控制器双向多种补偿功能的单独运行和同时实现。     

MMC型UPQC的启动控制策略对比研究

本文研究了基于模块化多电平型换流器的统一电能质量控制器(MMC-UPQC)的启动过程及控制方法。首先介绍了MMC-UPQC的基本运行原理,给出了数学模型,然后分析了MMC-UPQC的启动过程,针对串联侧换流器子模块电容升压过程的特点提出了两种不同的控制方法,并分别分析了各自的优缺点,最后进行了PSCAD/EMTDC仿真验证,结果表明串联侧换流器上下桥臂子模块轮换导通的控制方式由于采用逐步提高模块电容电压的方法,在启动过程的电压电流冲击较小,启动更为平稳,并且易于实现,是一种较好的启动方式。     

采用模块化多电平换流器的统一电能质量控制器预充电控制

基于模块化多电平换流器的统一电能质量控制器(MMC-UPQC)是一种可应用于中、高压配电网的电能质量综合治理装置。在保证设备安全情况下完成装置的预充电过程是装置正常工作的前提,文中对预充电过程3个阶段(不控整流阶段、串联部分子模块电压提升阶段以及可控整流阶段)进行了数学建模与分析,认为在不控整流阶段,各相桥臂子模块中与子模块直流电容并联的反并联二极管将耐受最大冲击电流;在串联部分子模块电压提升阶段,限流电阻仍是限制冲击电流的主导因素,且该阶段所能产生的冲击电流要小于不控整流阶段。由此提出了MMC-UPQC的预充电控制策略,并通过数字仿真和低压物理样机对所提策略的有效性和可行性进行了验证。     

IGBT模块结温估计方法及其温度特性研究

为了准确快速地估计结温,研究了IGBT模块的温度特性及基于温度敏感电参数TSEP(temperature sensitive electrical parameters)的结温估计方法。首先在不同壳温的条件下,测量IGBT开关过程中的门极-射极电压Vge、集电极-射极电压Vce和集电极电流Ic,并以上述参数作为TSEP;然后分析了TSEP随温度变化的机理,研究了TSEP典型特征与温度的关系,并将其量化;最后提出一种准确的IGBT结温估计方法。实验测试结果表明,基于TSEP的典型特征的结温估计方法切实可行。     

适用于双馈风电系统的九开关型统一电能质量调节器

为减小电压谐波、电压跌落与骤升、电压不平衡等电能质量问题对双馈感应发电机(DFIG)风电系统的影响,在对多种统一电能质量调节器(UPQC)拓扑结构研究对比和九开关变换器建模分析的基础上,提出一种应用于双馈风电系统的九开关型UPQC方案。在对UPQC电压、电流补偿单元运算电路建模的基础上,设计相应的控制策略。按照电网工况,设定谐波电流补偿、轻度电压补偿、重度电压补偿3种工作模式,优化UPQC运行方案。仿真与实验结果表明,九开关型UPQC可以有效治理电压、电流谐波,消除电压偏差与相位跳变,提高DFIG机端电能质量,使机组可以在多种故障电压工况下实现柔性故障穿越。     

基于自适应滤波的单相统一电能质量控制器研究

在分析单相统一电能质量控制器（unified power quality conditioner,UPQC）瞬时功率平衡关系的基础上,提出一种基于自适应滤波电流检测的UPQC双电流源协调控制策略。鉴于电流检测精度对双电流源控制策略补偿性能的影响,在保留变步长自适应算法快速性的前提下,提出一种提高电流检测精度的定频率滤波器改进算法。针对双电流源UPQC的控制器设计,采用比例控制和重复控制构成复合控制实现了串、并联有源电力滤波器的电流跟踪控制;从UPQC整体出发建立直流电压闭环控制的小信号模型,为直流电压环的控制器参数设计提供理论指导。研究结果表明,基于该控制策略和控制器设计方案的UPQC系统实现了较好的负载电压和电网电流补偿效果。     

统一电能质量调节器的谐波检测与补偿策略研究

统一电能质量调节器(UPQC)将串联有源滤波器和并联有源滤波器结合起来,能够同时从整体上补偿系统电流和电压,具备综合的电能质量调节功能。采用dq0谐波检测法作为UPQC的检测方法,并采用空间电压矢量SVPWM作为UPQC串联侧补偿方法,在并联侧引入自抗扰控制器ADRC,将负载电流和电网电压等系统内外部模型不确定性统一视为控制器的未知干扰,通过扩张状态观测器来估计,利用非线性反馈控制律进行补偿。此法不需要精确地测量谐波,并且能很好地适应对于不同的负荷。最后在MATLAB的Simulink软件平台上进行仿真实验,结果表明了本文所采用的检测和补偿方法的正确性和有效性。     

三相四线统一电能质量调节器的控制策略

针对电网输入电压的不平衡、非正弦及负载的不平衡、非线性特性,提出了一种基于三相静止坐标系下的三相四线统一电能质量调节器（UPQC）的协调控制策略。该策略将UPQC的串联变流器控制为基波正弦电流源,而并联变流器控制为基波正弦电压源,从而实现了三相四线UPQC对电能质量的综合控制能力,既改善了电网侧的电能质量问题,实现了电网输入电流的正弦及单位输入功率因数,也改善了负载侧的电能质量问题,实现了负载电压的平衡、额定及正弦。10 kVA系统实验装置的实验结果表明了该控制策略的有效性。