用于贯通式牵引供电系统与车载电力电子变压器的变换器可靠性分析

摘要

贯通式牵引供电系统的应用作为牵引供电系统领域的新技术，其可靠性对于推广应用具有重要影响。目前，尚没有针对贯通式牵引供电系统的三相-单相变换器与车载电力电子变压器的可靠性研究，本文针对性从电力电子器件和设备两方面对可靠性进行分析。
　　首先，本文针对用于贯通式牵引供电系统的三相-单相变换器与车载电力电子变压器结构的系统特异性，给出关键元器件失效率计算办法;分析对比常用可靠性分析方法，选用k/n(G)分析法对文中的系统结构进行可靠性分析;介绍了热备用与冷备用系统的分析方法，给出本文系统的分析策略;综合考虑系统参数，选取可靠性分析指标，以及系统冗余设计理论;给出三相-单相变换器及车载电力电子变压器相关参数设计选择标准和方法。
　　文中介绍贯通式牵引供电系统基本模型及用于贯通式牵引供电系统的三相-单相变换器结构。分别采用两电平、三电平二极管钳位及五电平二极管钳位的变换器结构，给定系统参数，计算各变换器可靠性指标并对系统结构进行优化设计;对比不同电平数变换器平均无故障使用年限及优化后热备用与冷备用对系统可靠度的影响，给出最优结构选取结果;基于三相-单相变换器拓扑结构，对新型牵引变电所进行设计，满足变电所容量需求，分析可靠性及最优选型。
　　结合电力电子器件的发展，文中分析了基于硅材料IGBT和基于碳化硅材料MOSFET的车载电力电子变压器的可靠性。介绍了车载电力电子变压器基本模型及结构;结合系统给定参数，对两电平和三电平结构分别进行可靠性分析，并对不同冗余模块数的结构进行可靠性对比;给出指标对比，找出最优方案;同时介绍了实际运行工况中，不同车型IGBT失效率情况以及特殊情况下失效率原因分析。
　　由于碳化硅材料MOSFET具有高耐压性，本文给出基于碳化硅材料MOSFET的车载大功率电力电子变压器的拓扑结构及可靠性分析，并对两种材料的电力电子变压器可靠性分析对比，给出最优选型。
　　最后，采用二维插值函数对车载电力电子变压器中的关键器件进行了体积、重量两方面的插值计算，得到函数关系。实现范围内任意给定元器件参数，计算出相应的体积或重量的估计值，供工程设计参考;结合实际器件参数，分析对比基于硅材料IGBT的车载电力电子变压器的最优选择方案;给出MATLAB GUI界面，方便设计者根据参数和器件数量，快速计算出体积、重量及价格的估计值，便于工程选型。
　　综上所述，本文结合理论分析，对用于贯通式牵引供电系统的三相-单相变换器结构与车载电力电子变压器结构进行可靠性分析、对比与优化，提高了系统的可靠性，延长了系统平均使用寿命年限;对多种型号、多种材料、多种拓扑结构的系统进行依次分析，给出最优方案，系统方法良好，可供工程参考应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 贯通式牵引供电系统发展概述

1．2．2 电力电子器件发展现状

1．2．3 贯通式牵引供电系统可靠性研究现状

1．3 本文主要工作内容

第2章 变换器关键器件及结构可靠性分析方法

2．1 关键元器件失效率分析

2．1．1 IGBT失效率

2．1．2 续流二极管失效率

2．1．3 钳位二极管失效率

2．1．4 直流稳压电容失效率

2．1．5 滤波支路失效率

2．2 系统可靠性分析方法

2．2．1 系统可靠性分析方法与选用

2．2．2 热备用与冷备用系统可靠性分析

2．3 三相-单相变换器及车载电力电子变压器可靠性分析指标

2．3．1 可靠性分析指标

2．3．2 k／n(G)可靠性模型分析方法

2．4 三相-单相变换器及车载电力电子变压器相关参数设计

2．4．1 直流侧稳压电容的参数设计

2．4．2 变换器及变压器级联模块数目设计

2．4．3 滤波支路相关参数设计

2．5 本章小结

第3章 三相-单相变换器可靠性分析

3．1 三相-单相变换器结构

3．1．1 贯通式牵引供电系统基本模型

3．1．2 用于贯通式牵引供电系统的三相-单相变换器

3．2 两电平三相-单相变换器可靠性分析

3．2．1 两电平三相-单相变换器结构

3．2．2 两电平三相-单相变换器可靠性分析

3．2．3 用于新型牵引变电所的两电平三相-单相变换器级联-并联结构可靠性分析

3．3 三电平二极管钳位三相-单相变换器可靠性分析

3．3．1 三电平三相-单相变换器结构

3．3．2 三电平三相-单相变换器可靠性分析

3．3．3 用于新型牵引变电所的三电平三相-单相变换器级联-并联结构可靠性分析

3．4 五电平二极管钳位三相-单相变换器可靠性分析

3．4．1 五电平三相-单相变换器结构

3．4．2 五电平三相-单相变换器可靠性分析

3．4．3 用于新型牵引变电所的五电平三相-单相变换器级联-并联结构可靠性分析

3．5 不同方案三相-单相变换器可靠性指标对比与优化

3．5．1 不同方案变换器可靠性指标对比

3．5．2 五电平变换器结构优化与可靠性分析

3．6 本章小结

第4章 基于硅材料IGBT的车载电力电子变压器主电路可靠性分析

4．1 车载电力电子变压器结构

4．1．1 车载电力电子变压器基本模型

4．1．2 车载电力电子变压器结构

4．2 两电平结构电力电子变压器主电路可靠性分析与对比

4．2．1 两电平结构电力电子变压器主电路可靠性分析

4．2．2 两电平结构电力电子变压器优化与可靠性对比

4．3 三电平二极管钳位结构电力电子变压器主电路可靠性分析与对比

4．3．1 三电平结构电力电子变压器主电路可靠性分析

4．3．2 三电平结构电力电子变压器优化与可靠性对比

4．4 不同方案电力电子变压器主电路可靠性指标对比与优化选择

4．4．1 不同方案可靠性指标对比

4．4．2 特殊情况下电力电子器件可靠性分析

4．5 本章小结

第5章 电力电子变压器综合最优选择方案

5．1 采用的二维插值函数计算方法

5．2 电力电子变压器的体积参数插值

5．2．1 常见的电力电子器件体积

5．2．2 变压器的体积插值函数

5．3 电力电子变压器的重量参数插值

5．3．1 常见的电力电子器件重量

5．3．2 变压器的重量插值函数

5．4 MATLAB GUI软件界面设计实现

5．4．1 基于硅材料IGBT的车载电力电子变压器界面实现

5．5 综合参考与最优选型

5．5．1 基于硅材料IGBT的车载电力电子变压器最优选型

5．6 本章小结

第6章 基于碳化硅材料MOSFET的车载电力电子变压器主电路可靠性分析

6．1 碳化硅材料的车载电力电子变压器

6．2 两电平结构电力电子变压器主电路可靠性分析与对比

6．2．1 两电平结构电力电子变压器主电路可靠性分析

6．2．2 车载大功率两电平结构电力电子变压器级联-并联可靠性分析

6．3 三电平二极管钳位结构电力电子变压器主电路可靠性分析与对比

6．3．1 三电平结构电力电子变压器主电路可靠性分析

6．3．2 车载大功率三电平二极管钳位结构电力电子变压器级联-并联可靠性分析

6．4 碳化硅材料与硅材料变压器可靠性对比

6．5 本章小结

结论和展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果