矿用变频器IGBT尖峰电压抑制的协调优化方法

目前常用优化母排结构参数、改变栅极驱动电阻、设计吸收电路等方法抑制因杂散电感引起的矿用变频器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)尖峰电压,但现有研究未揭示各方法之间的协调统一关系及协调优化准则。针对该问题,以BPJ5−630−1140型矿用四象限变频器为研究对象,在分析杂散电感对IGBT电−热性能影响的基础上,提出了IGBT尖峰电压抑制的协调优化方法:①分析母排结构参数、栅极驱动电阻对IGBT尖峰电压和功率损耗的影响,结果表明,随着交流母排长度增大、宽度减小,IGBT尖峰电压和功率损耗均增大;随着栅极驱动电阻增大,IGBT尖峰电压减小,功率损耗增大。②设计二极管钳位式吸收电路,通过试验验证了该电路可降低IGBT尖峰电压和功率损耗。③考虑到交流母排宽度对IGBT布局和散热性能无影响,选择栅极驱动电阻和交流母排长度为决策变量,采用BP神经网络−带精英策略的非支配排序遗传算法(BP−NSGAⅡ)实现IGBT尖峰电压、最高结温及散热器表面最高温度的多目标极值寻优。试验结果表明:在散热器表面最高温度为55~65℃、IGBT最高结温为74~80℃时,IGBT尖峰电压最小值为1861 V,相应的栅极驱动电阻为5Ω,交流母排长度为300 mm、宽度为200 mm;优化后BPJ5−630−1140型变频器IGBT尖峰电压为1856 V,较优化前的2856 V降低了35%,有效抑制了IGBT尖峰电压,提高了矿用变频器运行可靠性。

基于SiC MOSFET三电平Buck变换器电压尖峰抑制研究

SiC MOSFET工作频率高,温度稳定性好,应用于三电平Buck变换器中可以减小系统损耗,提高系统效率,但SiC MOSFET的高频特性会使其开关过程中的电压尖峰更为严重。针对该问题,分析了三电平Buck电路SiC MOSFET开关过程及瞬态电压尖峰产生机理;在传统的充放电型RCD吸收电路的基础上加以优化改进,设计了一种低损耗型RCD吸收电路作为电压尖峰抑制方法。首先,对充放电型RCD吸收电路和改进后的低损耗型RCD吸收电路的工作原理及损耗进行对比分析;其次,搭建了三电平Buck变换器实验装置,对吸收电容和电阻进行参数设计;最后,通过实验验证了低损耗型RCD吸收电路的有效性、参数设计的合理性;结合理论分析和实验结果表明,相比于带充放电型RCD吸收电路,带低损耗型RCD吸收电路的三电平Buck变换器具有更低的损耗。

基于SiC MOSFET的交错并联Boost变换器电压尖峰抑制方法

大功率变换器的发展趋势是高频率、高效率和高功率密度。与传统的Si MOSFET相比,SiC MOSFET因具有开关速度快、开关损耗低、工作温度高等优点,得到了广泛的应用。然而,SiC MOSFET在高速关断过程中容易产生电压尖峰和振荡,严重威胁到功率变换器的可靠运行。针对这一问题,本文对SiC MOSFET关断过程进行详细分析后,分别针对影响关断电压尖峰的两种因素,提出了相应的抑制方法。为验证所提方法的有效性,搭建了试验平台。通过试验结果可知,所提出的方法可以有效抑制关断过程中产生的电压尖峰,而不会显著增加开关损耗。

考虑寄生电感的谐振开关电容变换器电压尖峰抑制

基于碳化硅(SiC)器件的谐振开关电容变换器(RSCC)因其软开关特性,适用于高频、高功率密度的场合。但是较高的工作频率使其对线路寄生参数较敏感,易造成开关器件的电压尖峰问题。通过分析RSCC叠层母排模型,该文建立含有寄生电感的等效电路,研究寄生电感对电路运行模态的影响,并推导开关器件电压峰值与寄生电感之间的关系。在此基础上,提出优化叠层母排结构和吸收电容的电压尖峰抑制方案,仿真及实验结果验证了该文电压尖峰抑制方案的有效性和可行性。

一种抑制母线电压尖峰的软开关准Z源变换器

针对现有的准Z源拓扑母线高压尖峰和硬开关等问题,介绍了一种有效抑制母线高压尖峰的软开关准Z源变换器,该变换器具有高电压增益的特点。通过使用耦合单元代替原始电感,提高电压增益;增加1个二极管,使漏感能量传递至负载,提高拓扑效率。主开关管实现了软开关特性,并有效缓解了二极管的反向恢复问题。在理论分析的基础上,制作了1 kW的样机。实验结果表明,其工作过程和最终效果与理论分析、仿真结果一致,性能稳定,效率良好。

具有有源电压钳位功能的电动汽车IGBT驱动电路设计与研究

由于电动汽车及混合动力机车的电池工作电压范围较大,在刹车能量回收、发电机发电、短路保护等工况下,防止IGBT产生过压失效成为一个必须深入研究的课题。有源电压钳位功能作为防止IGBT过压失效的有效手段开始有所应用,本文对几种有源电压钳位的具体方式和效果进行了分析,并提出在有源电压钳位在电动汽车IGBT驱动应用中的优化建议。

SiC肖特基二极管在全桥变换器中的应用

SiC二极管是一种新型的功率二极管,它有着无反向恢复电流的优点。本文讨论SiC二极管在UPS的全桥拓扑中的应用,理论分析了普通Si二极管反向恢复电流能引起尖峰电压,通过试验证明了无反向恢复电流的SiC二极管可以消去这部分尖峰,并且能降低开关损耗,提高电路效率。

矿用变频器LRC滤波器寄生参数影响研究

LRC滤波器寄生参数易引起串并联自谐振,影响滤波器对矿用变频器长线传输系统中电动机端尖峰电压和电压变化率的抑制性能,甚至造成器件烧损,但目前缺少该方面的研究成果。建立了变频器长线传输系统数学模型,在分析LRC滤波器元件寄生效应的基础上,采用频域分析方法研究了寄生参数对LRC滤波器滤波性能的影响,得出结论:LRC滤波器中电阻寄生电感对滤波效果的影响最为突出,导致LRC滤波器滤波性能下降、变频器长线传输系统在阶跃响应过程中超调和震荡问题严重,其他寄生参数的影响微弱。对LRC滤波器电阻寄生电感对滤波性能及变频器长线传输系统动态特性的影响进行了仿真和实验研究,结果表明:LRC滤波器采用铝壳功率电阻时,电动机端电压波形出现失真,上升及下降过程中存在明显的震荡;采用厚膜功率无感电阻可消除因电阻寄生电感引起的系统超调、震荡现象,使LRC滤波器达到较理想的滤波效果。

临界电流模式图腾柱无桥功率因数校正换相谐振抑制

工作于临界电流模式下的图腾柱无桥功率因数校正(PFC)电路因其无整流桥损耗、电感体积小、易于实现软开关而得到广泛关注。然而,在输入电压过零点处,工频管之间的换相时刻,电感会与工频管的结电容产生谐振,相应地,电感电流和直流母线电压因此会存在高频振荡。电感电流振荡会加剧输入电流畸变程度,而母线电压上的高频尖峰由于振荡频率高,后级DC-DC变换器难以抑制而传递至负载,导致敏感负载无法正常工作。该文分析线性开关在主动栅极电路中抑制振荡的工作原理,基于线性开关的特性提出三电平驱动方式来抑制图腾柱无桥PFC换相谐振,降低输入电流总谐波畸变率(THD)的同时实现对直流母线的高频尖峰的抑制,在2kW满载工况下,将输入电流THD降低1%,母线电压尖峰高频分量峰值由2.83V减小至0.01 V以下。实验结果表明,该文所提出的三电平驱动方式可以有效抑制临界电流模式图腾柱无桥PFC的换相谐振。

一种改进的电流型半桥变换器研究

针对电流型半桥变换器存在的开关管电压关断尖峰问题,对电路的结构和控制方式进行了改进。在分析该变换器工作原理的基础上,研究其工作特性,建立了改进电路拓扑的小信号模型,并与传统的电流型半桥变换器进行了比较。实验验证了电路分析的正确性和设计的可行性。

对称式全桥软开关技术在电动汽车车载式充电机中的应用

分析了对称式全桥变换器的软开关技术，包括上桥臂UL、UR软开关的实现原理，与下桥臂LL、LR软开关的实现方法，并阐述了应用次级箝位技术如何实现次级整流桥的尖峰电压抑制。介绍了应用上述技术实现的电动汽车车载充电器，给出了试验结果。