【摘要】：為了應(yīng)對能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化等問題,世界各國大力發(fā)展可再生能源發(fā)電、新能源汽車、高壓直流輸電等新興應(yīng)用,促進(jìn)了大功率電力電子變流裝置的廣泛應(yīng)用。大功率變流裝置的可靠性對這些應(yīng)用而言十分重要。裝置的可靠性與其核心器件大功率絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)密切相關(guān),而器件的可靠性與其開關(guān)瞬態(tài)的電氣應(yīng)力和損耗密切相關(guān),開關(guān)應(yīng)力控制與損耗優(yōu)化主要依賴于門極驅(qū)動技術(shù)。隨著IGBT制造工藝的發(fā)展,傳統(tǒng)門極驅(qū)動方法對器件開關(guān)瞬態(tài)的電氣應(yīng)力控制效果較差,器件應(yīng)力和開關(guān)損耗存在折中,無法滿足器件高可靠性的要求,有源門極驅(qū)動技術(shù)受到廣泛關(guān)注。本文針對適合大功率IGBT模塊的有源門極驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行深入研究和探討。文章首先對IGBT開關(guān)瞬態(tài)的電氣應(yīng)力與損耗進(jìn)行分析,探索優(yōu)化的門極驅(qū)動方式。在此基礎(chǔ)上,提出了一種基于高速反饋的電流型閉環(huán)有源門極驅(qū)動(active current source gate drive,ACSD)方法,采用受門極驅(qū)動信號控制的電流源對門極進(jìn)行充放電,實(shí)現(xiàn)快速驅(qū)動;設(shè)計了一種基于壓控電流源的高速反饋電路,對di/dt和dv/dt信號進(jìn)行采樣、處理,在IGBT開關(guān)瞬態(tài)調(diào)節(jié)門極驅(qū)動電流,從而控制器件開關(guān)速度和開關(guān)應(yīng)力。由于ACSD僅對電壓上升、電流上升和下降三個階段進(jìn)行控制,對開關(guān)時間影響較小,開關(guān)損耗相比傳統(tǒng)門極驅(qū)動大幅下降。搭建了雙脈沖測試平臺,對ACSD控制性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并與傳統(tǒng)門極驅(qū)動進(jìn)行對比,結(jié)果表明,ACSD開關(guān)應(yīng)力控制效果顯著,開關(guān)時間、損耗較小,并且在不同的集電極電流下也能較好地控制開關(guān)應(yīng)力,具備軟關(guān)斷特性。結(jié)合ACSD反饋電路控制特性,對di/dt反饋信號進(jìn)行積分來檢測器件電流,進(jìn)行短路保護(hù)。該短路保護(hù)方法能夠快速、準(zhǔn)確地檢測短路故障,并快速關(guān)斷器件,從而降低短路保護(hù)時間和短路電流峰值;由于軟關(guān)斷特性,器件電壓應(yīng)力得到控制。IGBT開關(guān)瞬態(tài)較短,集電極電壓/電流上升或下降時間通常在幾十納秒到幾百納秒之間,對閉環(huán)有源門極驅(qū)動的控制帶寬和穩(wěn)定性要求較高。電路寄生電感、IGBT模塊寄生參數(shù)以及反饋參數(shù)對閉環(huán)控制穩(wěn)定性影響較大。因此,文章建立了較為準(zhǔn)確的IGBT器件以及ACSD小信號模型,進(jìn)行穩(wěn)定性分析,并研究了關(guān)鍵參數(shù)對穩(wěn)定性的影響,從而優(yōu)化參數(shù)設(shè)計,提高穩(wěn)定性。由于閉環(huán)有源門極驅(qū)動的控制機(jī)理,在橋臂電路中會引入額外的串?dāng)_信號。本文以ACSD為例,建立了串?dāng)_信號產(chǎn)生的理論模型,對橋臂電路中的串?dāng)_問題進(jìn)行研究,并設(shè)計了一種串?dāng)_抑制電路,解決了閉環(huán)有源門極驅(qū)動在橋臂電路應(yīng)用中的可靠性問題。器件的開關(guān)應(yīng)力與負(fù)載電流和母線電壓密切相關(guān)。當(dāng)負(fù)載電流或母線電壓很小時,應(yīng)力較小,可以適當(dāng)?shù)靥岣咂骷_關(guān)速度,來降低開關(guān)損耗。因此,本文提出了一種自適應(yīng)ACSD方法,反饋電阻能夠跟隨負(fù)載電流或母線電壓變化進(jìn)行智能調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)器件開關(guān)損耗的優(yōu)化。搭建了滿載為5kW的Buck變換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,自適應(yīng)ACSD方法能夠優(yōu)化開關(guān)損耗,變換器總體效率相比傳統(tǒng)門極驅(qū)動在不同輸出功率范圍內(nèi)穩(wěn)定提升約0.6%。該方法適用于負(fù)載頻繁切換的變換器,以及負(fù)載電流周期性變化的逆變器。
【圖文】：

可再生能源展現(xiàn)出對化石能源的替代趨勢，２０１７年新增發(fā)電裝機(jī)中可再生能源占比達(dá)逡逑到６８％［１］，其中風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電近年來獲得了最為顯著的增長。我國《可再生逡逑能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，實(shí)現(xiàn)２０２０年和２０３０年非化石能源分別占一次能源消費(fèi)逡逑比重１５％和２０％，太陽能光伏裝機(jī)量從１．１億千瓦增至２億千瓦，風(fēng)電裝機(jī)量從２．１億千逡逑瓦增至３．５億千瓦的目標(biāo)ｌ２Ｌ在用電領(lǐng)域，，推廣新能源汽車等清潔能源設(shè)備來替代傳統(tǒng)化逡逑石能源設(shè)備有利于改善生態(tài)環(huán)境，減小碳排放量，實(shí)現(xiàn)“巴黎協(xié)定”設(shè)定的控制未來升溫逡逑幅度“低于２°Ｃ”的目標(biāo)能源互聯(lián)網(wǎng)是解決可再生能源大規(guī)模利用的一yL有效途徑ＷＷ，逡逑而直流輸配電系統(tǒng)更適合可再生能源接入，是目前的研究熱點(diǎn)ｗ＿｜８｜？新能源發(fā)電、新能源逡逑汽車、高壓直流輸配電等新興應(yīng)用的快速發(fā)展，對大功率電力轉(zhuǎn)換裝備的效率、可靠性的逡逑要求也不斷增加，而裝備的可靠性與其核心器件ＩＧＢＴ的可靠性密切相關(guān)。逡逑１．１．１邋ＩＧＢＴ在大功率變流系統(tǒng)中的應(yīng)用逡逑ＩＧＢＴ因其開關(guān)頻率較高、耐壓高、通流能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大功率變流系統(tǒng)。逡逑目前的丨ＧＢＴ工業(yè)產(chǎn)品，最大額定電壓可達(dá)６．５ｋＶ，最大額定電流可達(dá)３．６ｋＡ，適用于大部逡逑ｕ功率（Ｗ）逡逑

浙江大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑分的工業(yè)應(yīng)用場合。圖１．１給出了晶閘菅、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等主要電力電子器件應(yīng)用與變逡逑換器功率、工作頻率的關(guān)系［９］，１ＧＢＴ模塊在中大功率、中高頻范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，而逡逑采用寬禁帶材料ＳｉＣ的ＩＧＢＴ器件耐高壓高溫、拖尾電流小，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻、高效運(yùn)行，逡逑從而進(jìn)一步提升ＩＧＢＴ的市場競爭力。逡逑ｕ邋功率（Ｗ）逡逑＿＿＿邋）逡逑Ｉ＊＊邐邋ｔｆＭＷ逡逑｜家用電器丨，丨７０�。郑蓿穑村义希蓿保玻埃埃诌娏熊嚑恳义希夥l(fā)ｉ、＿風(fēng)電邐灌畫逡逑邐邐？逡逑額定電壓（Ｖ）逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN322.8

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本文編號：2620328