压接式IGBT串联时动态电压不均衡特性的研究

摘要

高压大功率直流输电技术在远距离输电、可再生能源发电、城市配电网及分布式发电等诸多领域发挥着越来越重要的作用，而换流系统是直流输电系统的核心部件。随着电力电子技术的发展，基于绝缘栅双极型晶体管(insulation gate bipolartransistor，IGBT)的电压源换流器开始在直流输电中得到广泛应用。由于柔性直流输电系统中直流电压等级较高，远大于单个IGBT所能承受的电压，所以IGBT模块的串联技术对于实现高压大功率输出至关重要。串联技术对于IGBT的动作一致性要求较高，但是由于IGBT自身参数以及外围电路参数都具有分散性，加上其开关动态过程较为短暂，各个串联IGBT模块在开关动态过程中的电压分布不均衡问题尤为突出，严重情况下可导致某些器件因为承受较高的过电压而损坏。因此，为确保换流器阀安全运行，研究影响串联IGBT电压分布不均衡的因素并量化分析，从而在此基础上提出相应的均压保护措施十分必要。 本文针对IGBT串联时的电压不均衡问题，在IGBT的建模、串联IGBT电压分布不均衡的影响因素分析以及栅极RCD均压策略等方面进行了深入研究与分析，开展的工作如下: 首先，根据IGBT器件的结构及工作原理，基于saber软件建立了压接式IGBT的动态行为模型，详细研究了模型参数的选取及模型有效性验证方法，使模型可以准确的反映IGBT的开关动态过程。 其次，搭建了两个IGBT串联的仿真电路，深入分析总结了影响IGBT串联时电压分布不均衡的因素，并对各个影响因素的影响程度进行了量化分析。 再次，在前文分析的基础上，针对电压源换流器一个阀段内的七个串联IGBT模块，建立了等效电路并对串联IGBT工作时的电压分布不均衡问题进行了分析，分析结果可为串联IGBT电路的设计提供参考。 最后，根据上文的研究和分析结果，分析了栅极RCD均压策略的均压效果，并对均压凹路中各参数的选取原则进行了讨论，仿真结果证明了此均压方法的有效性及参数匹配策略的合理性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 IGBT模型的研究现状

1．2．2 IGBT串联技术研究现状

1．3 本文的主要工作

第2章 基于IGBT外特性的建模方法

2．1 IGBT的物理结构及基本特性

2．1．1 IGBT的物理结构

2．1．2 IGBT静态特性

2．1．2 IGBT动态特性

2．2 IGBT的软件建模方法

2．2．1 建模原理

2．2．2 模型参数选取

2．2．3 模型有效性验证

2．5 本章小结

第3章 IGBT串联动态电压不均衡影响因素量化分析

3．1 IGBT串联时动态电压不均衡机制

3．1．1 开通时电压不均衡影响因素

3．1．2 关断时电压不均衡影响因素

3．2 外围电路参数的量化分析

3．2．1 栅极驱动信号的不同步

3．2．2 栅极驱动电阻

3．2．3 栅极驱动电压幅值

3．2．4 栅极驱动电压上升(下降)时间

3．3 IGBT内部参数的量化分析

3．3．1 集射极电容Cce影响

3．3．2 栅极-发射极电容Cge影响

3．3．3 栅极-集电极电容Cgc的影响

3．3．4 拖尾电流的影响

3．4 本章小结

第4章 多个IGBT串联时电压不均衡度分析

4．1 基于IGBT串联的10kV电压源换流器拓扑结构及工作原理

4．2 多个IGBT串联时电压不均衡影响因素量化分析

4．2．1 外围电路参数对电压均衡的影响

4．2．2 IGBT内部参数对电压均衡的影响

4．3 本章小结

第5章 IGBT串联动态电压均衡方法的研究

5．1 栅极RCD电路的均压原理

5．2 栅极RCD均压电路的参数匹配

5．2．1 电阻R1的选取

5．2．2 电容C1、C2的选取

5．2．3 电阻R2的选取

5．2．4 电阻R3的选取

5．3 均压效果分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 下一步工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢