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串联IGBT高压开关关键技术研究

王栋煜  
【摘要】:电子回旋共振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH)是使托卡马克装置实现高参数运行的重要辅助加热手段,其电子回旋管阴极高压电源决定着ECRH系统的加热能力,是ECRH系统的关键部件。目前J-TEXT装置上ECRH系统正在建设中,基于PSM技术的100kV/60A阴极高压电源已研制完成。在后续ECRH系统运行过程中,为了避免电子回旋管在打火、过流等情况下受损,同时提高托卡马克实验效率,需要为ECRH系统配备完善的保护装置,其中高压直流开关是极为重要的保护装置之一。本文针对J-TEXT装置ECRH系统对直流高压开关的需求,对基于串联IGBT技术的高压直流开关均压控制、冷却技术及测试方案等若干关键问题进行了研究。本文研究对比了模块式IGBT与压接式IGBT不同封装的特点,论证了压接式IGBT用于高压直流开关的巨大优势;分析了RCD缓冲电路限制串联时器件尖峰电压的原理,并根据关断速度与损耗的要求,对其参数进行了计算;针对IGBT导电导热膏热阻较大的问题,首次提出了一种基于铜铝复合的散热器表面处理技术,该方法可以大大降低传热热阻,提高开关的稳态运行能力,并通过模拟仿真验证了有效性;基于以上研究成果,设计了基于压接IGBT的开关机械结构,并搭建了5kV/200A样机对相关技术进行了验证。该样机一体化程度高、结构紧凑,测试结果表明尖峰电压能得到有效抑制。本文对基于串联IGBT的高压直流开关控制技术进行了研究。分析了IGBT的关断原理,根据其驱动过程分段的特点,提出了分级关断与时序补偿控制相结合的控制策略,并采用Simplorer/Matlab联合仿真模型进行了验证;根据分级关断的技术要求,对IGBT驱动板进行了选型与设计;开发并测试了基于Labview的上位机控制程序,实现了时序补偿控制。使用分级关断后尖峰电压有效降低了8.8%,再配合时序补偿,使开关关断一致性显著提高。针对固态开关测试电压高、缓冲电路与驱动电路参数优化难的问题,本文对高压测试平台进行了研究。根据实际需要的测试要求,分析了测试平台架构与测试电路工作原理;完成了平台中负载电感、母线电容等关键部件的参数计算及选型;开发了基于Labview的测试程序,最终完成了10kV/1kA的测试平台研制工作,该平台测试电压高,测试电流范围宽,不仅可对全电压等级的半导体器件进行测试,还适用于半导体堆栈。基于Labview软件控制的高压电源、示波器,可对测试参数自动设置、测试结果实时保存与分析。该测试平台实验效率高、测试结果准确可靠,为未来高压半导体器件的应用、评估、测试等提供了强有力的支持。


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