中高压电力电子变换中的功率单元及功率器件的级联关键技术研究

摘要

我国近年高速的经济发展造成了高耗能、高排放产业增长过快、电能利用效率低且单位产值的电耗过高等问题，严重地阻碍了“十一五”计划中对于结构节能目标的实现。如何解决避免发电、输变电、配电直至用电环节中电能的不必要损耗，提高电能的利用效率，进而实现节能减排的目标，无疑是电工技术研究的主要课题之一。中高压、大功率的电力电子变换技术在这其中将起到越来越重要的作用。因此，本文紧跟这一当前国内外研究的热点，分别针对中高压电力电子变换技术中的若干关键问题开展深入研究与探讨。
　　本文针对现有中高压、大功率电力电子变换拓扑中的前级整流装置所存在的缺点，利用了多脉移相变压器本身能消除部分电网侧电流谐波，提高其功率因数的优点，并通过高频化的手段减小了多脉移相变压器的体积和重量，降低了整个系统的体积和重量，使其能适应更广泛的应用场合。功率单元的级联拓扑使得整个系统完全可以以低压电力电子功率器件来实现中高电压、大功率、中高频率的能量变换，并采用合理的调制方式来避免双向开关的使用，有效降低了系统控制复杂程度，有利于降低系统整体成本。在此基础上，为了从理论上证明高频化的多脉移相整流变换技术同样能减小网侧电流谐波，本文建立了整个变换器的系统模型，对功率单元、高频多脉移相变压器、整流器一一列出电压和电流的开关状态方程，以证明网侧电流-输出电流的关系式与工频多脉整流具有完全相同的数学表达形式，以说明12脉高频多脉整流器同样能消除网侧电流最主要的5次和7次谐波。此外，本文还详细比较了多种二次侧整流滤波电路对于高频多脉变换器网侧电流谐波的影响，详细分析了高频多脉变换装置工作模态，最终给出了网侧交流滤波电感、直流侧LC滤波网络、以及高频多脉移相变压器的参数设计过程。以期能给工程实践时的应用设计提供有力的参考，以缩短项目研发周期。
　　基于现有中高压、大功率电力电子变换拓扑中的后级逆变装置拓扑相对较为复杂、需级联较多功率单元的特点，本文试图通过功率器件串联的技术途径来解决这一难题。文中提出了新型的基于高频变压器的器件串联均压拓扑，并对此进行了研究与探讨。由于该型器件串联均压拓扑采用无源器件构成均压电路，因而能避免门极均压控制电路设计的繁复和不稳定性，且损耗远小于传统的RCD箝位均压方式。此外，还通过串联均压电路在开关瞬态的等效电路，对均压电路中不可避免的寄生参数对器件均压的影响进行了进一步的研究和讨论，并给出了开关器件在开关瞬态所受的最大电压应力的计算方法。为了更好地保护串联器件，避免其受到寄生参数引起的电压尖峰的损毁，还引入二极管箝位电路来进一步完善基于高频变压器的器件串联均压电路。根据以上所得的开关瞬态等效电路，给出了二极管箝位电路的参数设计策略。
　　为减少电力电子装置的体积和重量，提高功率密度和变换效率，且避免器件高频工作时，驱动线路寄生参数引起的EMI问题，最大限度地提高装置的性能和可靠性，本文认为有必要将器件(IGBT)串联驱动电路集成到芯片级的串联IGBT模块当中，并实现标准化大规模生产。本文针对现有的IGBT串联驱动辅助电源拓扑进行了梳理和比较，认为非隔离型的IGBT串联驱动辅助电源更适合集成化的串联系统。因而针对性地提出了自举型的驱动辅助电源拓扑，并同样指出了关键参数的设计方法、可能存在的技术问题及解决方案，为最终将器件(IGBT)串联技术应用到中高压、大功率变换装置的工程实践提出了一种可能的技术途径。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 中高压电力电子变换技术的研究背景和意义

1．1．1 中高压电力电子变换技术在电网建设中的应用

1．1．2 中高压电力电子变换技术在用电环节中的应用

1．2 中高压大功率电力电子变换技术现存“瓶颈”与应对措施

1．2．1 中高压大功率变换器存在着输出电压变化率过高的问题---“多电平”的意义

1．2．2 中高压大功率变换器存在着可选用功率器件匮乏的问题--“级联”的意义

1．2．3 中高压大功率变换器存在着研发和设计周期过长的问题--“模块化”的意义

1．3 中高压大功率电力电子变换拓扑研究现状

1．3．1 直接变换器

1．3．2 非直接变换中的电流源型变换器

1．3．3 非直接变换中的电压源型变换器

1．3．4 中高压大功率电力电子变换拓扑研究现状的总结

1．4 本文的选题意义及主要研究内容

参考文献

第二章 基于高频多脉整流变压器的功率单元级联变流技术

2．1 引言

2．2 基于高频多脉变压器的级联变流器拓扑研究

2．3 基于高频多脉变压器的变流器系统建模与分析

2．3．1 高频多脉移相变压器原副边电压分析

2．3．2 直流侧电压分析

2．3．3 直流侧电流以及网侧电流分析

2．4 基于高频多脉变压器的级联变流器关键参数设计的分析与讨论

2．4．1 二次侧整流滤波电路的拓扑优选

2．4．2 基于高频多脉变压器的变流器基本工作原理分析

2．4．3 电网交流侧滤波电感与直流侧LC滤波网络的参数设计分析与讨论

2．4．4 高频多脉移相变压器的关键参数设计分析与讨论

2．5 系统仿真分析与整机实验验证

2．5．1 系统仿真分析

2．5．2 整机实验验证

2．6 本章小结

参考文献

第三章 电力电子功率器件串联关键技术的研究

3．1 引言

3．2 基于高频变压器的功率器件串联均压电路拓扑研究

3．2．1 基本原理研究

3．2．2 基本原理仿真

3．3 寄生参数对基于高频变压器的功率器件串联均压电路的影响

3．3．1 基于高频变压器的功率器件串联均压电路关断瞬态分析

3．3．2 基于高频变压器的功率器件串联均压电路开通瞬态分析

3．3．3 基于高频变压器的功率器件串联均压电路瞬态过程的实验验证

3．4 利用二极管箝位消除寄生参数对串联均压效果的影响

3．4．1 基本工作过程说明

3．4．2 极管箝位电路关键参数设计的分析与讨论

3．5 基于高频变压器的多IGBT串联均压电路实验

3．6 本章小结

参考文献

第四章 适用于开关器件串联系统集成的驱动电源研究

4．1 引言

4．2 串联IGBT驱动辅助电源拓扑优选

4．2．1 现有串联IGBT驱动辅助电源分类

4．2．2 隔离型驱动辅助电源

4．2．3 非隔离型驱动辅助电源

4．3 适用于IGBT器件串联系统的自举型驱动辅助电源

4．3．1 自举型驱动辅助电源拓扑概述

4．3．2 自举型驱动辅助电源的关键参数设计

4．3．3 自举型驱动辅助电源启动过程

4．4 自举型驱动辅助电源实验

4．5 本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5．1 工作总结

5．2 课题展望

攻读博士学位期间发表的学术论文