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压接式IGBT串联时动态电压不均衡特性的研究

张冰婧  
【摘要】:高压大功率直流输电技术在远距离输电、可再生能源发电、城市配电网及分布式发电等诸多领域发挥着越来越重要的作用,而换流系统是直流输电系统的核心部件。随着电力电子技术的发展,基于绝缘栅双极型晶体管(insulation gate bipolar transistor, IGBT)的电压源换流器开始在直流输电中得到广泛应用。由于柔性直流输电系统中直流电压等级较高,远大于单个IGBT所能承受的电压,所以IGBT模块的串联技术对于实现高压大功率输出至关重要。串联技术对于IGBT的动作一致性要求较高,但是由于IGBT自身参数以及外围电路参数都具有分散性,加上其开关动态过程较为短暂,各个串联IGBT模块在开关动态过程中的电压分布不均衡问题尤为突出,严重情况下可导致某些器件因为承受较高的过电压而损坏。因此,为确保换流器阀安全运行,研究影响串联IGBT电压分布不均衡的因素并量化分析,从而在此基础上提出相应的均压保护措施十分必要。 本文针对IGBT串联时的电压不均衡问题,在IGBT的建模、串联IGBT电压分布不均衡的影响因素分析以及栅极RCD均压策略等方面进行了深入研究与分析,开展的工作如下: 首先,根据IGBT器件的结构及工作原理,基于saber软件建立了压接式IGBT的动态行为模型,详细研究了模型参数的选取及模型有效性验证方法,使模型可以准确的反映IGBT的开关动态过程。 其次,搭建了两个IGBT串联的仿真电路,深入分析总结了影响IGBT串联时电压分布不均衡的因素,并对各个影响因素的影响程度进行了量化分析。 再次,在前文分析的基础上,针对电压源换流器一个阀段内的七个串联IGBT模块,建立了等效电路并对串联IGBT工作时的电压分布不均衡问题进行了分析,分析结果可为串联IGBT电路的设计提供参考。 最后,根据上文的研究和分析结果,分析了栅极RCD均压策略的均压效果,并对均压回路中各参数的选取原则进行了讨论,仿真结果证明了此均压方法的有效性及参数匹配策略的合理性。


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