电力电子器件用液冷针翅散热器的研究进展

随着大功率电力电子器件(如绝缘栅双极型晶体管,IGBT)轻量化、小型化和集成化的发展需求,其功率密度越来越大,导致其热流密度越来越高,亟需高效散热来满足其使用要求。传统空气冷却散热器结构简单、使用方便,但是散热能力较低,难以满足高热流密度的散热需求,目前主要采用液体冷却散热器,其中液冷针翅散热器是最常用的高效散热器。本文介绍了液冷针翅散热器的结构、液体工质、材料和制造等方面的研究进展,重点分析了液冷针翅散热器的流体通道结构、针翅结构对流动和传热性能的影响,并给出了液冷针翅散热器的发展建议。

应用液态金属的电力电子器件散热器设计

绝大多数应用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的换流阀均采用水冷系统。尽管水冷却系统的散热技术已经相当成熟且具有许多优点,但随着电力电子器件散热功率的提高,传统的水冷系统逐渐无法满足这些器件的散热需求。针对现有的传统水冷散热系统模型,利用数值模拟分析技术,对比分析了不同的冷板材料(铜、铝)和冷却工质(水、液态金属)工况下替换其散热工质分别为去离子水和液态金属的散热效果。结果表明:采用铜和液态金属的散热系统的散热性能得到大大提高。在此基础上,提出了液态金属散热系统模型,并通过与传统冷却模型进行比较,凸显了其在散热性能上的明显优越性。

中国电力发展促进会电力电子器件专业委员会成立大会在宁召开

8月15日,由中国电力发展促进会主办,南瑞集团有限公司承办的中国电力发展促进会电力电子器件专业委员会(以下简称"专委会")成立大会在南京召开。专委会的成立旨在促进行业电力电子核心器件创新要素聚集和产业资源整合,激发创新潜力,推动关键技术与重大装备的应用,为电力电子器件产业发展"筑平台,建生态和"产业链、供应链、价值链、创新链"的强链、补链和延链提供有力支撑。

提高电力电子器件的电压,满足市场需求

不断提升能效的需求影响着汽车和可再生能源等多个领域的电子应用设计。对于电动汽车(EV)而言,更高效率意味着更远的续航里程;而在可再生能源领域,发电效率更高代表着能够更充分地将太阳能或风能转换为电能。

新型电力电子器件在并网光伏电站中的高效能量转换与管理

针对并网光伏电站中的能量转换与管理问题,本文从能量转换与管理策略两个方面进行了探讨和评述,并特别阐述了新型电力电子器件在并网光伏电站中的运用,涵盖了DC/DC变换器、双向DC-DC变换器、智慧型电能调节器以及无线能量传输装置等。研究指出:当与传统的电力电子器件对比时,新一代的电力电子器件在集成到并网光伏电站的使用中展现出了更高的效能、更低的辐射水平、紧凑的设计等优势,减少了能量损失,降低了开销。通过将这些创新的电力电子器与智慧型功率调节器相结合,实现了在并网光伏电站中对能量转换与管理的高效执行。

电力电子器件故障预测与健康管理技术的研究现状和趋势

电力电子器件是电力电子系统实现电能变换与控制的核心组件之一。通过新材料、新结构、新工艺、增加冗余、降容运行等传统手段提高电力电子器件的可靠性越来越难以匹配快速发展的电能变换要求。目前,电力电子器件的故障预测与健康管理(prognostics and health management,PHM)技术已成为研究热点。文中围绕PHM技术的研究现状、挑战以及发展趋势展开论述。首先,梳理状态监测、故障预测、健康管理三者的逻辑关系;然后,详细分析以电力电子器件的结温监测与老化演化为主要研究内容的技术手段;最后,综合现有研究,指出PHM技术在电参数传感、模型优化、混杂多故障预测方面有待深入研究。以芯片技术发展为硬件基础,大数据和人工智能为上层建筑,是电力电子器件PHM技术的发展趋势。

“宽禁带电力电子器件的原理与应用”课程建设

为了满足南京航空航天大学电气工程及其自动化专业本科教育人才培养需求,建设了“宽禁带电力电子器件的原理与应用”课程。教学内容分为三大模块和七个学习阶段。在教学过程中,引入“教师引导、自主学习、问题导向、扩展视野”的教学理念,将启发式、讨论式等教学方法互相配合使用,充分激发学生学习兴趣,加深对器件知识的理解,强化器件测试和应用能力,着力培养学生分析问题和解决问题的能力。

界面缺陷及老化状态下电力电子器件封装绝缘应力波检测与分析

电力电子器件在运行过程中会产生应力波,该信号可以表征器件的内部信息和工作状态,可用于器件的在线监测。该文首先从测量绝缘内部空间电荷的电声脉冲法原理出发,从封装绝缘的角度对脉冲边沿时刻应力波的形成机理进行了深入探讨,发现绝缘材料中空间电荷在脉冲边沿处的振动可能是应力波的发射源之一。在此基础上,设置具有单一的界面缺陷和老化缺陷的试样,进行脉冲边沿时刻的应力波检测,并将其与正常状态下的应力波进行对比,探究不同缺陷类型对应力波参数的影响。结果显示,界面缺陷会使得应力波在高频处产生新的峰,而老化缺陷则会导致应力波的频域分量向低频处集中,不同的缺陷类型与应力波的时域和频域检测结果存在良好的对应关系。该研究可为建立电力电子器件缺陷状态与应力波参数之间的关联关系奠定基础。

电力电子器件在柔性直流输电中的应用与发展

柔性直流输电是以新能源为主体的新型电力系统的核心技术,具有有功无功独立控制、响应快速灵活、扩展性强、无换相失败等优点,广泛应用于新能源送出、异步电网互联、孤岛供电和远距离大容量输电等场景。电力电子器件在柔性直流输电中起着交直流变换的重要作用,目前国内外的柔性直流输电工程普遍采用3.3 kV和4.5 kV等级的功率器件(IGBT),为满足“双碳”目标下大型新能源远距离大容量直流输电送出工程和远海风电场大规模开发利用的需求,功率器件也向着更高电压、更大电流的方向发展。文章对柔性直流输电技术中电力电子器件的发展现状和趋势进行梳理,以国内多个有代表性的柔性直流输电工程为例,系统地阐述了电力电子器件在柔性直流工程中的应用现状,重点介绍了应用于柔性直流的电力电子器件主要技术特点。最后,展望了高压大功率电力电子器件的应用方向与发展趋势。

株洲先进电力电子器件及应用入选省级先进制造业集群

近日,省工信厅发布2023年湖南省产业集群竞赛胜出名单,长沙新型合金材料等7个集群入选湖南省先进制造业集群,浏阳药用原辅料等10个集群入选湖南省中小企业特色产业集群。7个新晋省级先进制造业集群为:长沙新型合金材料、衡阳盐卤化工新材料、株洲先进电力电子器件及应用、湘潭汽车、岳阳化工新材料、益阳电子电路板、祁阳轻纺制鞋-纺织产业集群。

大容量电力电子器件结温提取原理综述及展望

电力生产、传输和消费方式的变革对大容量电力电子装备的可靠性提出了更高的要求。温度诱发的器件失效是电力电子系统失效的主要原因。因此,对器件结温的精确提取是大功率电力变换装备的寿命预测、健康管理和可靠性评估的基础。该文概述大容量电力电子器件结温提取原理和相关技术的最新进展,梳理现有器件结温检测技术的分类方法和主要特点,特别是对热敏感电参数提取方法的工作原理、典型特征进行总结和归纳,并从线性度、灵敏度、泛化度等指标对结温提取方法进行初步评估。在此基础上展望大容量电力电子器件结温提取的未来研究方向。

电力电子器件故障对微电网运行可靠性的影响

提出计及运行条件影响的电力电子器件短时故障率模型,评估了器件故障对微电网运行可靠性的影响。首先阐述了IGBT和功率二极管两类重要电力电子器件的故障率与微电网运行条件紧密相关,然后基于器件的功率损耗模型与热模型,建立了器件短时停运率模型。结合场景分析法,基于所建模型提出了一套完整的微电网运行可靠性评估方法,评价器件故障对微电网运行可靠性指标的影响。将所提评估方法应用在改进的基准测试系统上,算例结果表明,器件故障对微电网的可靠性具有消极影响,所建可靠性模型相比传统评估方法能够提供更加准确全面的可靠性信息。

电力电子器件的实时仿真

电力电子器件在开关过程中的电压尖峰、电流尖峰以及功率损耗等问题是威胁电力电子器件乃至电力系统中电力电子装置可靠性的重要因素。文中以技术成熟、应用广泛的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)构成电力电子电路的基本开关单元为例,进行电力电子器件的实时仿真研究。根据电力电子器件的开关特性,分析了电力电子器件间的换流过程,建立电力电子器件的实时仿真功能模型,并在现场可编程门阵列(FPGA)中实现电力电子器件的实时仿真。仿真结果能够反映电力电子器件开关过程中电压尖峰、电流尖峰以及功率损耗等关键指标。

大功率电力电子器件散热研究综述

针对现阶段制约电力电子技术发展的散热问题,以温度对电力电子器件的影响、电力电子设备热设计特点、常见散热技术、散热系统优化研究和新材料在电力电子散热研究中的应用这五方面为切入点,论述了大功率电力电子器件散热研究现状,分析了进一步的发展方向;发现针对电力电子器件散热技术的基础理论研究成果较为丰富,并且在散热器的几何和结构优化及散热系统风道设计等方面的研究也已十分深入,不少论文针对性的提出了多种优化结构及优化算法;在未来电力电子器件的散热器件材料研究中新型散热材料和热界面材料的研发仍然是研究重点;并且新散热技术的研究也需进一步深入。

电力电子器件短时脉冲工作的结温特性研究

绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型电力电子器件是激光发射、电磁轨道炮等新概念武器中电能变换装置的核心部件,这些装置通常处在短时脉冲工作状态下,需要在非常短的时间内对储存的能量进行处理并将其释放,因而其中的电力电子器件具有导通电流大,工作结温高且波动范围大的特点。由于电力电子器件的工作性能与可靠性等均与其工作结温直接相关,因此掌握器件的结温特性对于确保其安全、可靠与优化使用意义重大。从理论上分析了短时脉冲下结温上升和波动过程的特殊性,采用仿真软件对不同工作条件下的结温特性进行了对比分析,使用一种高速红外测温设备对某型IGBT芯片工作结温进行了实际测量。

SiC电力电子器件对电力系统的影响

宽禁带SiC材料被认为是高性能电力电子器件的理想材料,比较了Si和SiC材料的电力电子器件在击穿电场强度、稳定性和开关速度等方面的区别,着重分析了以SiC器件为功率开关的电力电子装置对电力系统中柔性交流输电系统(FACTS)、高压直流输电(HVDC)装置、新能源技术和微电网技术领域的影响。分析表明,SiC电力电子器件具有耐高压、耐高温、开关频率高、损耗小、动态性能优良等特点,在较高电压等级(高于3 kV)或对电力电子装置性能有更高要求的场合,具有良好的应用前景。

新型电力电子器件封装用导热胶粘剂的研究

通过在环氧树脂中加入不同量的具有高导热系数的填料（ 氧化铝、氮化铝、碳化硅），并研究加入填料后环氧树脂的导热性能随填料填充体积分数的变化规律，研制出了具有高导热能力的新型导热胶粘剂。

碳化硅电力电子器件在电网中的应用展望

碳化硅电力电子器件具有高压、高温和高效率等优势,是智能电网中理想的电力电子器件。介绍了近年来碳化硅材料及器件在研发和产业化方面的最新发展。随着6英寸碳化硅单晶和外延产品的问世并日趋成熟,更高电压等级、更大导通电流、更高效的碳化硅电力电子器件将被研发出来。并对其在电网中的应用现状与前景进行了展望:碳化硅器件在诸如分布式发电并网装置、电力电子变压器和电力电子断路器等方面显示了巨大的性能优势和市场前景。

大功率电力电子器件蒸发冷却技术研究

介绍了采用蒸发冷却方式来冷却大功率电力电子器件的方法。功率模块安装在冷凝器箱体表面,器件的热量传至箱体,使箱体内冷却液由液态转化为气态,与箱体内的水冷管进行热交换。采用该冷却方法可将大功率器件的壳温控制在80℃以内,并且冷却结构简单,体积小,无噪音,冷却液具有高绝缘性,运行安全可靠,冷却介质温度均匀,冷却效率高,适用于高热密度的大功率器件的冷却。

高压直流断路器电力电子器件供能技术

高压直流断路器受限于运行方式,其内部大量电力电子器件驱动板卡无法通过系统自取能工作,是高压直流断路器研制的主要难点之一。该文基于500kV高压直流断路器中电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板卡的负载特性,提出了对地级、层间级和组件级的分层隔离供能方法,开展了对地隔离供能变压器电磁场、机械和热的多物理场仿真研究,并对IGBT器件高电位驱动板卡的供能线圈进行了设计,通过有限元仿真模块Maxwell和电路仿真模块Simplorer搭建了供能线圈和驱动负载的仿真模型,进行了场路耦合联合仿真,最后在500 kV高压直流断路器上试验验证了所提供能技术的可行性及可靠性。结果表明:通过分层次的隔离供能,可为各层供能线圈提供稳定的输入电流,从而可靠地为电力电子器件高电位驱动板卡提供电源,不仅解决了高压直流断路器无法通过系统直接取能的难题,还能显著减小供能设备的绝缘水平要求,降低研制难度,并已在±500kV张北柔直工程中应用。采用多级串联的对地隔离变压器能够满足500 kV电压等级的绝缘要求,内部温升小于30 K,且能够满足9级烈度抗震要求。采用硅钢片工频取能的供能线圈能够满足高电位驱动板卡5 VA的负载容量要求,且结构尺寸小,易于大规模工程化应用。