串联IGBT高压开关关键技术研究

摘要

电子回旋共振加热（Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH）是使托卡马克装置实现高参数运行的重要辅助加热手段，其电子回旋管阴极高压电源决定着ECRH系统的加热能力，是ECRH系统的关键部件。目前J-TEXT装置上ECRH系统正在建设中，基于PSM技术的100kV/60A阴极高压电源已研制完成。在后续ECRH系统运行过程中，为了避免电子回旋管在打火、过流等情况下受损，同时提高托卡马克实验效率，需要为ECRH系统配备完善的保护装置，其中高压直流开关是极为重要的保护装置之一。本文针对J-TEXT装置ECRH系统对直流高压开关的需求，对基于串联IGBT技术的高压直流开关均压控制、冷却技术及测试方案等若干关键问题进行了研究。 本文研究对比了模块式IGBT与压接式IGBT不同封装的特点，论证了压接式IGBT用于高压直流开关的巨大优势；分析了RCD缓冲电路限制串联时器件尖峰电压的原理，并根据关断速度与损耗的要求，对其参数进行了计算；针对IGBT导电导热膏热阻较大的问题，首次提出了一种基于铜铝复合的散热器表面处理技术，该方法可以大大降低传热热阻，提高开关的稳态运行能力，并通过模拟仿真验证了有效性；基于以上研究成果，设计了基于压接IGBT的开关机械结构，并搭建了5kV/200A样机对相关技术进行了验证。该样机一体化程度高、结构紧凑，测试结果表明尖峰电压能得到有效抑制。 本文对基于串联IGBT的高压直流开关控制技术进行了研究。分析了IGBT的关断原理，根据其驱动过程分段的特点，提出了分级关断与时序补偿控制相结合的控制策略，并采用Simplorer/Matlab联合仿真模型进行了验证；根据分级关断的技术要求，对IGBT驱动板进行了选型与设计；开发并测试了基于Labview的上位机控制程序，实现了时序补偿控制。使用分级关断后尖峰电压有效降低了8.8%，再配合时序补偿，使开关关断一致性显著提高。 针对固态开关测试电压高、缓冲电路与驱动电路参数优化难的问题，本文对高压测试平台进行了研究。根据实际需要的测试要求，分析了测试平台架构与测试电路工作原理；完成了平台中负载电感、母线电容等关键部件的参数计算及选型；开发了基于Labview的测试程序，最终完成了10kV/1kA的测试平台研制工作，该平台测试电压高，测试电流范围宽，不仅可对全电压等级的半导体器件进行测试，还适用于半导体堆栈。基于Labview软件控制的高压电源、示波器，可对测试参数自动设置、测试结果实时保存与分析。该测试平台实验效率高、测试结果准确可靠，为未来高压半导体器件的应用、评估、测试等提供了强有力的支持。

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