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辅助加热系统高压开关IGBT串联均压技术的研究

戴岳  
【摘要】:为实现核聚变,需要将等离子体加热到上亿度,但常规的欧姆加热等手段无法实现,因此必须采用辅助加热手段。在辅助加热系统中,通常配备高压电源加速高能粒子或驱动射频源,电源电压达到几十至几百千伏。辅助加热系统在运行中可能会发生打火故障,此时对于高压电源向负载设备释放的能量有严格的限制,否则将会导致设备的损坏,因此需要相应的保护措施。目前使用的保护措施中,撬棒保护系统存在安全性低和动作周期长等问题,PSM电源自关断保护措施控制方法复杂,影响可靠性。基于串联IGBT的快速高压直流开关具有开关速度快(纳秒级)、可靠性高、易于实现精确控制、工作时没有电弧产生等优点,非常适合作为辅助加热系统保护装置。辅助加热系统保护装置工作在几十至几百千伏的电压下,单个IGBT耐压能力不能满足要求,需要将IGBT串联使用,而IGBT在串联使用时会由于多种原因导致动态及静态均压出现差异,从而影响电路的稳定运行,甚至导致电路设备的损坏,因此需要研究IGBT串联均压技术。通过广泛调研IGBT串联均压技术,得出有源触动电压相位控制技术的理念适合用作辅助加热系统高压开关串联IGBT的均压技术,但其控制精度和控制策略还需要进行改进,因此需要对IGBT串联均压技术进行更深入的研究。IGBT串联均压问题是各个串联IGBT动作不一致,从而引发电压不均衡现象。针对IGBT串联均压问题的成因,本文通过对IGBT的动作特性进行了分析,详细分析计算了 IGBT串联使用时的栅极参数(栅极电阻、栅极电压以及栅极触发信号延迟)、IGBT自身参数、电路中的杂散电容和杂散电感等因素造成IGBT串联均压不平衡的作用机理及影响程度,并使用OrCad/pspice软件进行了仿真实验,其结果表明,IGBT动态均压性能主要由栅极参数影响,电路中的杂散电容和杂散电感对IGBT动态均压性能也有一定的影响,IGBT静态均压性能主要由IGBT自身参数影响。该结论为IGBT串联均压技术的研究打下理论基础。针对IGBT串联使用时存在的动态均压问题,本文提出了一种新型有源栅极触发时间补偿技术,其原理是给各IGBT触发信号增加相应延时以使各IGBT能够同时开断,该技术相比于传统的有源触发电压相位控制技术,具有精度高、控制简单等优点。通过ModelSim软件对有源栅极触发时间补偿技术的控制策略进行了仿真实验,结果表明该技术可以有效调整各IGBT开断延时,以使其动作同步。针对IGBT静态均压问题,本文拟采用通过在各IGBT两端并联静态均压电阻的方案来解决。为验证所提出的IGBT动态及静态均压技术,本文搭建了以3个IGBT串联器件为主开关的1200V/6.7A斩波测试电路,并设计了配套的栅极驱动电路、控制电路及信号检测电路;此外,为优化线路中的杂散电容,采取了 IGBT垂直布置结构。实验电路的测试结果表明,本文采用的有源栅极触发时间补偿技术能够将各IGBT动作时间误差限制在20ns,从而实现良好的动态均压效果;并联静态均压电阻方案能够使各IGBT静态均压相等;IGBT垂直布置结构能够将各IGBT间的电压差距降低37%。在以上研究成果的基础上,本文设计制造了 10kV/150A串联IGBT高压开关样机,为了消除线路中杂散电感对IGBT均压的影响,本文设计了一种层叠母排,以取代传统导线。实验结果表明,该10kV串联IGBT高压开关可实现1μs以内的开断动作,各IGBT开断时间误差在20ns以内,均压效果良好;同时本文提出的层叠母排能使IGBT的过电压下降55.8%,为解决IGBT均压问题提供了有效的补充。


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