基于关断延迟时间的大功率IGBT模块结温提取方法研究

大功率绝缘栅极双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块在风力发电、电力机车牵引和高压直流输电等众多领域得到了广泛的应用。在以上高安全性的应用领域,IGBT模块的可靠性成为电力电子学科的研究热点之一。已有研究成果表明,IGBT的可靠性与其结温变化有密切的联系。该文基于可靠性研究的需要,提出一种基于关断延迟时间的结温提取方法。该方法利用模块自身存在的寄生电感获取关断延迟时间信息,最后对关断延迟时间的温度特性进行分析,并通过大功率IGBT离线测试系统进行了实验验证,结果证明通过模块寄生电感在关断过程中的变化检测关断延迟时间进行结温提取的方法有效可行。

1.2MV·A混合钳位五电平变流模块的结构布局优化和叠层母排设计

多电平技术是高压大功率变流器的主要解决方案之一,由于电容电压平衡及母排设计等技术问题的限制,三电平以上的二极管钳位型NPC多电平系统在工业中应用较少。为了促进具有电容电压自平衡能力的混合钳位五电平拓扑的大功率工业应用,针对混合钳位五电平电路三相1.2MV·A应用要求,进行了单相变流模块的结构布局和叠层母排设计。首先研究了该拓扑冲击电流产生的根本原因及抑制方法,提出冲击电流抑制对于结构布局的要求;其次,结合冲击电流抑制及NPC四电平电路对称性特点,对混合钳位五电平拓扑大功率应用的结构布局方式进行了工程设计;最后,在该布局方式下结合NPC四电平拓扑的换流特点,通过Ansoft Q3D软件进行了叠层母排的连接设计。最终研制出单相400k W变流模块,测试结果表明其符合设计要求。

MMC中全桥子模块损耗分布优化的调制方法研究

为了提高全桥子模块的运行可靠性,该文研究全桥子模块的损耗分布,并提出一种损耗分布优化的控制方法。首先,根据全桥子模块的输出特性及其器件的损耗特征推导出子模块损耗分布的解析表达式,由此揭示出功率输出对损耗的影响。其次,根据损耗分布表达式,分析全桥子模块冗余开关状态对损耗分布的影响,确定可实现损耗均衡的冗余开关状态投切原则。最后,为了实现上述投切原则,引入轮换及结温反馈两种调制方法对开关状态投切进行控制,并通过仿真验证损耗分布分析的正确性及所提方法的有效性。

混合型MMC换流器过调制下的热-电应力分布特性研究

全/半桥子模块混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于具备直流故障穿越能力并兼顾了制造成本,成为当下柔性直流输电领域的研究热点之一。全桥子模块具备负电平输出能力,混合型MMC可以提升电压调制比,运行在过调制状态,提升运行效率。但是混合型MMC在过调制运行工况下的电流、热应力分布特性尚不明晰,为此针对混合型MMC在过调制下的全/半桥子模块开关器件的电流应力及热应力展开研究。通过分析混合型MMC在过调制下的工作原理和特性,结合仿真着重研究了不同电压调制比以及不同功率因数下换流器的损耗分布特性;归纳出了直流电流调制比的概念。研究发现随着直流电流调制比的增大,子模块内部开关器件的损耗—热应力分布不均程度加大,危及MMC安全运行,结论可以为混合型MMC的设计和优化提供指导。