大功率混合式直流开关主电路设计

摘要

失超保护开关是超导托卡马克装置磁体电源系统的重要组成部分，用于在超导磁体失超时快速泄放储存在其中的巨大磁场能，对装置的安全运行具有重大意义。当前EAST极向场磁体电源系统的失超保护开关采用机械开关并联熔断器的换流方式，存在开断后不能自动复位，维护量大的缺点，亟待升级改造。而随着电力电子器件技术的发展，混合式直流开关已成为失超保护开关的一大方向。本文的主要工作是开展EAST混合式失超保护开关的可行性分析和主电路设计。
　　首先，本文提出了采用机械开关直接向全控型固态开关换流，并采用二极管桥式整流拓扑以实现固态开关双向通流和关断的电路拓扑设计方案，阐述了其工作原理。该拓扑能充分发挥机械开关通态损耗低，固态开关无弧快速可控关断的优点，并能最大限度地减少全控型器件的使用，控制简单，可节省成本和减小空间。
　　其次，完成了固态开关的电气设计。建立了基于Foster热学网络的器件结温计算模型，通过仿真计算确定了各型半导体器件在开关工况下的通流能力。针对二极管因反向恢复过程而失效的隐患，开展了基本拓扑单元关断试验，确认普通整流二极管适用于开关工况，验证了拓扑设计的可行性。根据仿真计算和试验结果，得出了器件的选型结论。其后，阐述了固态开关中RC缓冲电路和避雷器等辅助电路器件的参数选取原则。
　　随后，对固态开关的电路结构设计进行了阐述。电路结构采用堆栈式阀组设计，以兼顾器件均流、空间利用和实现难度。给出了具体的IGBT和二极管压装阀组三维结构设计和布局。
　　最后，建立了混合式直流开关的仿真模型，对并联器件均流以及开关的换流过程进行了仿真和分析。仿真结果显示，不平衡耦合导致的并联器件不均流影响小，但器件关断不同步会造成严重的不均流现象;提出的相应保护措施能将固态开关关断时器件的过电压和电流下降率限制在安全范围。以上方法和结果可为混合式直流开关的研制工作提供重要的指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 EAST托卡马克装置极向场电源系统

1．2 EAST极向场电源失超保护开关

1．3 各超导聚变装置失超保护开关技术介绍

1．4 本文的主要工作

1．5 本章小结

第2章 混合式直流开关拓扑设计方案

2．1 混合式直流开关换流原理

2．2 双向通流与关断拓扑

2．3 EAST混合式直流开关拓扑设计方案

2．4 本章小结

第3章 固态开关电气设计

3．1 全控型电力电子器件介绍与比较

3．2 器件的热分析

3．3 并联器件数目的选取

3．4 基本拓扑单元试验

3．5 器件选型结论

3．6 辅助电路元件参数设计原则

3．7 本章小结

第4章 固态开关结构设计

4．1 固态开关内部拓扑

4．2 并联支路结构选型

4．3 压装阀组设计

4．4 本章小结

第5章 混合式开关电路仿真分析

5．1 仿真模型的建立

5．2 固态开关均流分析

5．3 开关换流过程分析

5．4 本章小结

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

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