EAST裝置是我國九五重大科學(xué)工程,為未來聚變實(shí)驗(yàn)裝置提供重要的工程與物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元是EAST裝置建立等離子體的關(guān)鍵部件之一。本論文根據(jù)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元15 kA額定電流及2.0 kV開斷電壓的要求,研制了一種基于IGCT器件并聯(lián)的雙向H橋直流固態(tài)斷路器。對比于目前晶閘管并聯(lián)的直流固態(tài)斷路器,本斷路器具有雙向快速分?jǐn)�、維護(hù)方便及占地面積小的優(yōu)點(diǎn)。本文的主要工作內(nèi)容與創(chuàng)新如下:對基于雙向H橋固態(tài)斷路器的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元換流過程進(jìn)行了深入的研究,提出了換流回路電氣參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)。優(yōu)化和解決了在快速關(guān)斷過程中功率器件反向峰值過電壓問題,以及普通二極管組件在反向恢復(fù)過程中的振蕩問題,完成了雙向H橋固態(tài)斷路器對稱模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。分析了并聯(lián)功率組件間動(dòng)靜態(tài)均流的主要影響因素,著重分析了并聯(lián)組件結(jié)構(gòu)中雜散參數(shù)對動(dòng)靜態(tài)均流的影響。在建立并聯(lián)功率組件結(jié)構(gòu)和電路模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行了電路和結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真分析,通過不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)和改善電路中的雜散分布參數(shù),成功地解決了8支并聯(lián)IGCT器件間動(dòng)靜態(tài)均流問題。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析過程的正確性與并聯(lián)組件結(jié)構(gòu)的合理性,這種仿真模型為并聯(lián)組件的結(jié)構(gòu)與動(dòng)靜態(tài)均流設(shè)計(jì)提供了重要的工程指導(dǎo)。根據(jù)雙向H橋固態(tài)斷路器的高通態(tài)損耗特點(diǎn),首先通過功率器件工藝改進(jìn)及優(yōu)化篩選,降低了功率器件的總功率損耗;同時(shí)對功率并聯(lián)組件中水冷散熱器的流道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了深入的研究,仿真與分析對比了兩款不同流道結(jié)構(gòu)的水冷散熱器散熱性能。最后基于上述模型,提出了一種雙層阿基米德螺旋流道的水冷散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),解決了大電流運(yùn)行下功率器件的熱穩(wěn)定問題,其低熱阻特性減少了并聯(lián)功率器件數(shù)目,降低了功率器件并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。研制了2 kV/15 kA直流全控型雙向H橋固態(tài)斷路器裝置,通過常規(guī)與型式試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了額定參數(shù)電流下的快速雙向分?jǐn)?同時(shí)并聯(lián)IGCT組件間的均流系數(shù)達(dá)到0.9以上。仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果均證明了該固態(tài)斷路器設(shè)計(jì)方案的可靠性與可行性。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TL631.24
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題研究背景
    1.2 EAST裝置的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元
        1.2.1 EAST托卡馬克裝置
        1.2.2 極向場電源系統(tǒng)
        1.2.3 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元
    1.3 聚變裝置中的直流斷路器
        1.3.1 直流斷路器分類
        1.3.2 EAST裝置中直流斷路器
        1.3.3 ITER裝置中直流斷路器
        1.3.4 KSTAR裝置中直流斷路器
        1.3.5 JT-60SA裝置中直流斷路器
    1.4 課題研究內(nèi)容及難點(diǎn)
    1.5 論文框架結(jié)構(gòu)
第2章 雙向H橋固態(tài)斷路器方案優(yōu)化及設(shè)計(jì)
    2.1 引言
    2.2 雙向固態(tài)斷路器拓?fù)浞桨概c功率器件對比
        2.2.1 雙向固態(tài)斷路器方案分析
        2.2.2 全控功率器件對比分析
    2.3 雙向固態(tài)斷路器設(shè)計(jì)與分析
        2.3.1 雙向固態(tài)斷路器開斷過程分析
        2.3.2 IGCT并聯(lián)組件設(shè)計(jì)
        2.3.3 二極管并聯(lián)組件設(shè)計(jì)
        2.3.4 吸收電路參數(shù)設(shè)計(jì)
    2.4 雙向固態(tài)斷路器電氣設(shè)計(jì)
        2.4.1 二次電氣回路設(shè)計(jì)
        2.4.2 雙向固態(tài)斷路器控制設(shè)計(jì)
    2.5 本章小結(jié)
第3章 雙向H橋固態(tài)斷路器均流分析
    3.1 引言
    3.2 IGCT器件建模
        3.2.1 IGCT建模方法概述
        3.2.2 IGCT功能性建模
        3.2.3 IGCT功能性模型驗(yàn)證
    3.3 并聯(lián)功率器件均流分析
        3.3.1 并聯(lián)器件均流影響因素
        3.3.2 并聯(lián)器件均流設(shè)計(jì)要求
    3.4 雙向固態(tài)斷路器雜散參數(shù)分析
        3.4.1 Q3D雜散參數(shù)分析
        3.4.2 IGCT組件雜散參數(shù)分析
        3.4.3 二極管組件雜散參數(shù)分析
    3.5 雙向固態(tài)斷路器仿真與試驗(yàn)
        3.5.1 固態(tài)斷路器電路聯(lián)合仿真
        3.5.2 固態(tài)斷路器脈沖均流試驗(yàn)
    3.6 本章小結(jié)
第4章 雙向H橋固態(tài)斷路器熱學(xué)分析
    4.1 引言
    4.2 雙向固態(tài)斷路器熱損耗計(jì)算
        4.2.1 功率器件熱損耗分析
        4.2.2 連接銅排熱損耗分析
        4.2.3 冷卻系統(tǒng)水流量需求
    4.3 水冷散熱器熱-流耦合分析
        4.3.1 水冷散熱器結(jié)構(gòu)
        4.3.2 水冷散熱器熱流耦合仿真分析
        4.3.3 改進(jìn)方案的水冷散熱器仿真分析
    4.4 連接銅排熱-電耦合分析
        4.4.1 裝置連接排熱仿真分析
        4.4.2 IGCT組件連接排熱仿真分析
    4.5 本章小結(jié)
第5章 雙向H橋固態(tài)斷路器研制與試驗(yàn)
    5.1 引言
    5.2 雙向固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)
        5.2.1 雙向固態(tài)斷路器總體結(jié)構(gòu)
        5.2.2 雙向固態(tài)斷路器水冷系統(tǒng)
        5.2.3 雙向固態(tài)斷路器功率器件篩選
    5.3 雙向固態(tài)斷路器試驗(yàn)與分析
        5.3.1 雙向固態(tài)斷路器測試平臺
        5.3.2 雙向固態(tài)斷路器試驗(yàn)方案
        5.3.3 雙向固態(tài)斷路器分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)與分析
        5.3.4 雙固態(tài)斷路器溫升試驗(yàn)與分析
    5.4 本章小結(jié)
第6章 總結(jié)與展望
    6.1 本文工作總結(jié)
    6.2 下一步工作展望
參考文獻(xiàn)
博士在學(xué)期間發(fā)表的論文和申請的專利
致謝

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本文編號：2882337