【摘要】：為了應對能源危機和生態(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用,促進了大功率電力電子變流裝置的廣泛應用。大功率變流裝置的可靠性對這些應用而言十分重要。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,而器件的可靠性與其開關瞬態(tài)的電氣應力和損耗密切相關,開關應力控制與損耗優(yōu)化主要依賴于門極驅動技術。隨著IGBT制造工藝的發(fā)展,傳統(tǒng)門極驅動方法對器件開關瞬態(tài)的電氣應力控制效果較差,器件應力和開關損耗存在折中,無法滿足器件高可靠性的要求,有源門極驅動技術受到廣泛關注。本文針對適合大功率IGBT模塊的有源門極驅動技術進行深入研究和探討。文章首先對IGBT開關瞬態(tài)的電氣應力與損耗進行分析,探索優(yōu)化的門極驅動方式。在此基礎上,提出了一種基于高速反饋的電流型閉環(huán)有源門極驅動(active current source gate drive,ACSD)方法,采用受門極驅動信號控制的電流源對門極進行充放電,實現(xiàn)快速驅動;設計了一種基于壓控電流源的高速反饋電路,對di/dt和dv/dt信號進行采樣、處理,在IGBT開關瞬態(tài)調(diào)節(jié)門極驅動電流,從而控制器件開關速度和開關應力。由于ACSD僅對電壓上升、電流上升和下降三個階段進行控制,對開關時間影響較小,開關損耗相比傳統(tǒng)門極驅動大幅下降。搭建了雙脈沖測試平臺,對ACSD控制性能進行了實驗驗證,并與傳統(tǒng)門極驅動進行對比,結果表明,ACSD開關應力控制效果顯著,開關時間、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應力,具備軟關斷特性。結合ACSD反饋電路控制特性,對di/dt反饋信號進行積分來檢測器件電流,進行短路保護。該短路保護方法能夠快速、準確地檢測短路故障,并快速關斷器件,從而降低短路保護時間和短路電流峰值;由于軟關斷特性,器件電壓應力得到控制。IGBT開關瞬態(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,文章建立了較為準確的IGBT器件以及ACSD小信號模型,進行穩(wěn)定性分析,并研究了關鍵參數(shù)對穩(wěn)定性的影響,從而優(yōu)化參數(shù)設計,提高穩(wěn)定性。由于閉環(huán)有源門極驅動的控制機理,在橋臂電路中會引入額外的串擾信號。本文以ACSD為例,建立了串擾信號產(chǎn)生的理論模型,對橋臂電路中的串擾問題進行研究,并設計了一種串擾抑制電路,解決了閉環(huán)有源門極驅動在橋臂電路應用中的可靠性問題。器件的開關應力與負載電流和母線電壓密切相關。當負載電流或母線電壓很小時,應力較小,可以適當?shù)靥岣咂骷_關速度,來降低開關損耗。因此,本文提出了一種自適應ACSD方法,反饋電阻能夠跟隨負載電流或母線電壓變化進行智能調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)器件開關損耗的優(yōu)化。搭建了滿載為5kW的Buck變換器進行實驗驗證,結果表明,自適應ACSD方法能夠優(yōu)化開關損耗,變換器總體效率相比傳統(tǒng)門極驅動在不同輸出功率范圍內(nèi)穩(wěn)定提升約0.6%。該方法適用于負載頻繁切換的變換器,以及負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)電裝機中可再生能源占比達逡逑到６８％［１］，其中風能、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，實現(xiàn)２０２０年和２０３０年非化石能源分別占一次能源消費逡逑比重１５％和２０％，太陽能光伏裝機量從１．１億千瓦增至２億千瓦，風電裝機量從２．１億千逡逑瓦增至３．５億千瓦的目標ｌ２Ｌ在用電領域，，推廣新能源汽車等清潔能源設備來替代傳統(tǒng)化逡逑石能源設備有利于改善生態(tài)環(huán)境，減小碳排放量，實現(xiàn)“巴黎協(xié)定”設定的控制未來升溫逡逑幅度“低于２°Ｃ”的目標能源互聯(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用的快速發(fā)展，對大功率電力轉換裝備的效率、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。逡逑１．１．１邋ＩＧＢＴ在大功率變流系統(tǒng)中的應用逡逑ＩＧＢＴ因其開關頻率較高、耐壓高、通流能力強等特點，廣泛應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６．５ｋＶ，最大額定電流可達３．６ｋＡ，適用于大部逡逑ｕ功率（Ｗ）逡逑

浙江大學博士學位論文逡逑分的工業(yè)應用場合。圖１．１給出了晶閘菅、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等主要電力電子器件應用與變逡逑換器功率、工作頻率的關系［９］，１ＧＢＴ模塊在中大功率、中高頻范圍內(nèi)得到廣泛應用，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，能夠實現(xiàn)高頻、高效運行，逡逑從而進一步提升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、＿風電邐灌畫逡逑邐邐？逡逑額定電壓（Ｖ）逡逑
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN322.8

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本文編號：2620328