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奇才vs快船:IGBT串聯有源自適應電壓平衡控制技術

nba奇才vs湖人 www.aokkq.club 2017/6/26 15:28:10 來源:互聯網 電力電子論壇|免費發布產品

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nba奇才vs湖人 www.aokkq.club 摘 要:目前柔性直流輸電技術正朝著更高電壓、更大容量方向發展,由于絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)電容及容量的限制,往往需要采用IGBT串聯技術,在實際工程中IGBT串聯閥的可靠性及效率則尤為重要,針對IGBT串聯閥可靠性及效率高的要求本文提出了IGBT串聯有源自適應電壓平衡控制技術。首先本文分析了IGBT及二極管串聯電壓不平衡機理,提出了IGBT串聯有源自適應電壓平衡控制技術,分析該控制技術的基本原理及方法,最后通過Saber仿真和試驗對其進行了驗證,實驗結果表明IGBT串聯有源自適應電壓平衡控制技術能夠有效地實現IGBT串聯電壓平衡及損耗最優控制。

  關鍵詞:柔性直流輸電; IGBT;串聯均壓;有源自適應控制;

  0 引言

  隨著電力電子技術的進步和發展,柔性直流輸電在解決遠距離,大容量輸電,新能源分布式電源接入,以及特大型交直流混合電網面臨的諸多問題時都將展現出其特有的優勢。作為新一代直流輸電技術,柔性直流輸電為電網輸電方式的變革和構建未來電網提供了有效的解決方案,將在提高電網的整體經濟效益及促進經濟社會的可持續發展等方面發揮重要作用[1]。

  隨著全球能源互聯網概念的提出,柔性直流輸電也將朝著更高電壓等級、更大容量方向發展。為了滿足電力系統高壓領域應用需求,往往采用器件或者集成組件的串聯、級聯技術。

  采用IGBT直接串聯的換流閥技術具有結構緊湊、成本低、占地面積小、控制簡單的優點[2];采用換流單元級聯的??榛嗟縉交渙鞣Ъ際蹙哂心?榛潭雀?,安裝維護方便等優點;而采用器件串聯與換流單元級聯的換流閥技術是目前高壓大容量換流器發展的方向,很好的解決了高壓環境下,IGBT器件串聯數增大帶來的應力高、均壓難及子單元串聯數量大、控制復雜的問題。因此IGBT串聯技術仍然是未來超特高壓直流輸電的核心技術之一。

  在基于晶閘管的特高直流輸電中,往往采用RC阻尼回路解決晶閘管串聯的電壓平衡問題,但是IGBT開關速度快、工作頻率高,采用RC阻尼均壓方案效率較低,在實際工程中可行性較差,因此需要通過先進的柵極控制實現IGBT串聯電壓平衡[3]。

  文獻[4,5]提出了同步控制技術,瞬時電壓平衡控制器通過對提前開關的開關管進行一定開通關斷的延時控制,使各管電壓相等。這個控制器可以采用數字離散化,保證每個開關信號同步。文獻[6]提出了通過增強密勒效應來實現動態均壓的方法,如果串聯支路的某個開關管提前關斷,被預充電后的電容就會給開關管注入一個正的脈沖,從而讓電壓均衡的承受在每個開關管上。文獻[7]提出的有源電壓控制方法讓串聯的每個開關管在動態過程中集電極-發射極電壓都跟隨同一個基準信號,因此集電極-發射極電壓的變化并不取決于器件而是取決于參考波形。目前上述方法都能有效地實現IGBT串聯電壓平衡,但是在實際工程中IGBT開關損耗的優化也十分重要,本文提出的有源自適應電壓平衡控制策略,在最大程度降低IGBT開關損耗的基礎上實現電壓平衡。

  1 IGBT串聯電壓不平衡分析

  IGBT串聯電壓不平衡分為靜態電壓不平衡及動態電壓不平衡,而由于IGBT開關速度較快,因此動態電壓不平衡是IGBT串聯需要解決的核心問題,同時與IGBT反并聯的續流二極管的電壓平衡控制也是串聯需要考慮的重要問題。造成IGBT串聯電壓不平衡因素主要分為以下五類:

  (1)IGBT漏電流不一致

  IGBT漏電流的差異性將導致IGBT斷態阻抗的不一致,而IGBT關斷后,由于串聯器件中流過的漏電流是相同的,因此不同的斷態阻抗會造成IGBT的靜態電壓不均衡,器件的結溫同樣會影響靜態均壓[8]。

  (2)驅動信號的不一致和驅動電路參數的差異

  驅動信號的不一致和驅動電路參數(例如柵極電阻)的差異,將導致IGBT柵極驅動信號的不同步,從而極大地影響了IGBT集電極-發射極電壓的平衡。關斷時,先關斷的器件會產生很高的過電壓,同理開通時滯后導通的器件也會承受較高過電壓[9]。

  (3)IGBT本身寄生參數的離散性

  器件寄生電感、寄生電容等特性不一致,會導致不同的開關特性和電壓尖峰,串聯IGBT在關斷過程中,關斷速度較快的器件要承受很高的過電壓,開通過程中導通較慢的器件也會承受較高過電壓[10]。

  (4)IGBT串聯閥雜散參數

  IGBT驅動及器件本身對地及相互之間的雜散電容會導致IGBT在開關延遲及dv/dt出現明顯的差異,造成IGBT動態電壓不平衡。

  (5)反向二極管恢復特性的差異

  IGBT內部通常反并聯一個快恢復二極管,在感性負載情況下,IGBT的開通與電感續流二極管之間存在一個換流過程。由于二極管的反向恢復問題,在IGBT開通瞬間,會在續流二極管兩端產生過電壓。同時由于二極管反向恢復電荷的差異性,串聯二極管關斷時將會出現電壓的差異,這也將導致二極管過電壓。而二極管兩端的過電壓即IGBT的過電壓。

  2 有源自適應電壓平衡控制策略

  通過文獻[]可知,IGBT開關過程中的延遲時間td及電壓變化率dv/dt,如公式(1)(2)所示

  

 

  通過調節IGBT柵極電壓,能夠有效地控制IGBT開關過程中的延遲時間td及電壓變化率dv/dt,實現IGBT串聯電壓平衡。有文獻提出的有源電壓控制,通過閉環控制讓IGBT集射極電壓VCE快速跟隨參考電壓Vref。當IGBT端電壓高于給定電壓時,產生正門極電壓信號開通IGBT;當IGBT端電壓低于給定電壓時,產生負門極電壓信號關斷IGBT,通過這種閉環控制使得與IGBT集射級電壓能快速跟隨Vref。

  

 

  Vref分為預關斷、主關斷、斷態、預開通、主開通及通態六個階段,結合公式可知,Vref各個階段參數的設計將直接影響IGBT串聯電壓平衡度及開關損耗。預開關及主開關時間越長,IGBT電壓平衡控制度越高,但IGBT開關損耗則相應增加;若預開關及主開關時間過短,則IGBT電壓平衡度則較差。因此需要在開關損耗與IGBT串聯電壓平衡度中尋找最優的Vref。

  本文提出有源自適應電壓平衡控制策略,在有源電壓控制基礎上根據IGBT串聯電壓平衡度優化Vref,如圖所示有源自適應電壓平衡控制主要由兩個閉環反饋回路構成:IGBT集射級電壓閉環控制IGBT集電極-發射極電壓Vce快速跟隨參考電壓Vref;IGBT集電極-發射極電壓閉環優化參考波形Vref的預開關及主開關時間,優化示意圖如圖所示。

  

 

  

 

  3仿真及實驗驗證

  3.1 仿真驗證

  針對有源自適應電壓平衡控制,在BOOST電路上開展兩只IGBT串聯仿真研究。仿真條件:IGBT關斷電壓400V,IGBT通態電流180A,串聯閥臂雜散電感100nH,IGBT開關頻率1kHz,Vref預關斷時間初值1µs,Vref主關斷時間初值1.5µs。

  如圖所示,為在不優化Vref下兩只IGBT電壓及電流波形,由于Vref預關斷及主關斷時間較長,IGBT預關斷時間接近1µs,關斷dv/dt為200V/µs,因此IGBT串聯電壓平衡度很高,但是IGBT關斷損耗較大,單次關斷損耗達198mJ。

  

 

  如圖所示,為在有源自適應電壓平衡控制下兩只IGBT的Vref,從圖中可以看出Vref參數得到了優化,Vref預關斷時間由1µs優化到0.5µs附近,Vref主關斷時間由1.5µs優化到0.4µs附近,由于兩只IGBT特性不同,因此各自IGBT的優化后的Vref有所差異。

  

 

  如圖所示,為在有源自適應電壓平衡控制下兩只IGBT的電壓電流波形,與圖相比IGBT關斷速度顯著提升,IGBT預關斷時間由1µs縮減到0.5µs附近,關斷dv/dt由200V/µs提高到500V/µs,單次關斷損耗由198mJ降低到95mJ,與IGBT硬關斷損耗十分接近。與圖相比,IGBT串聯電壓平衡度有所降低,但是仍然在預設的范圍之內。通過仿真可知,有源自適應電壓平衡控制能夠優化Vref, IGBT串聯電壓平衡度在允許等范圍內,提高IGBT開關速度,降低IGBT開關損耗。

  

 

  3.2 實驗驗證

  依據前面所述有源自適應電壓平衡控制策略,開發IGBT智能驅動板如圖所示。IGBT智能驅動板主要包括有源自適應電壓平衡控制、故障?;?、通訊編碼、高位取能等功能。

  

 

  利用FPGA編程設計參考電壓波形,如圖所示。預關斷時間初值為4µs,預關斷平臺幅值1.5V,主關斷時間初值為1µs,鉗位電壓幅值7V,預開通時間初值為3µs,預開通平臺幅值4V,主關斷時間初值為2µs。

  

 

  對兩個IGBT串聯進行實驗測試,實驗電路采用無源逆變電路,具體參數如下:直流電壓1000V,負載電流400A,IGBT開關頻率1050Hz。參考電壓參數:預關斷平臺時間4μs,預關斷平臺幅值1.5V,主關斷時間1μs,鉗位電壓幅值7V,預開通平臺時間3μs,預開通平臺幅值4V,主開通時間1μs。

  實驗結果如圖4-22所示,關斷階段IGBT經過2μs關斷延遲后,兩個IGBT能夠快速跟隨參考電壓波形,串聯IGBT電壓平衡性很好,但此時由于預關斷時間較長,因此IGBT關斷損耗也較大,為390mJ。

  

 

  前面分析可知,預開關平臺是用來彌補IGBT開關延遲不一致導致的電壓不平衡,而過長平臺時間將會導致IGBT開關損耗增大,而對IGBT串聯均壓卻顯得毫無意義。當采用有源自適應電壓平衡控制策略時,Vref預關斷時間明顯降低,由4μs降到3μs,此時IGBT關斷損耗則由390mJ降到350mJ。

  

 

  同時有源自適應電壓平衡控制策略在主關斷階段,根據IGBT電壓跟隨情況調整dv/dt,主關斷時間由預設的1μs降到0.4μs,IGBT關斷dv/dt則由500V/μs提升到850V/μs,因此在保證IGBT電壓平衡的基礎上,IGBT關斷損耗降到了240mJ。通過實驗可知,有源自適應電壓平衡控制能夠優化Vref, IGBT串聯電壓平衡度在允許等范圍內,提高IGBT開關速度,降低IGBT開關損耗。

  

 

  4結語

  在柔性直流輸電工程中,換流閥的可靠性及損耗是其最為重要指標。本文在有源電壓控制的基礎上提出的有源自適應電壓平衡控制策略,一方面讓IGBT電壓快速跟隨Vref,控制IGBT串聯電壓平衡度,降低IGBT開關應力,提高了換流閥可靠性;另一方面通過閉環控制,根據電壓平衡度優化Vref,最大程度降低IGBT損耗。利用該技術的IGBT串聯換流閥能夠以較高的可靠性及效率廣泛應用于柔性直流輸電、靈活交流輸電等高壓領域場合。

  參考文獻

  [1] 李庚銀,呂鵬飛,李廣凱,等.輕型高壓直流輸電技術的發展與展望[J].電力系統自動化,2003;27( 4):77-81.

  [2] 湯廣福,劉澤洪.2010年國際大電網會議系列報道:高壓直流輸電和電力電子技術[J].電力系統自動化,2011,35(5):l_4.Environment. IEEE Power Engineering Review,1998,18(8): 19~20.

  [3] 金其龍,孫鷂鴻,嚴萍,等.IGBT 串聯技術動態均壓電路的研究[J].高電壓技術,2009,35(1):176—180.白杰,電力電子變壓器的應用研究[J].電工電氣,2009(11).

  [4] Gerster, C: "Fast high-power/high-voltage switch using series-connected IGBTs with active gate-controlled voltage -balancing", Conference Proceedings of APEC 1994, vol.1, Page(s): 469 -472.

  [5] C. Gerster. P. Hofer, N. Karter. "Gate-control strategies for snubberless operation of series connected IGBTs,"Proceedings of IEEE Power Electronics Specialists Conference PESC'96 Conference, June 1996, Baveno, Italy,pp. 1739-1742.

  [6] Consoli, A.; Musumeci, S.; Oriti, G.; Testa, A: "Active voltage balancement of series connected IGBTs",Conference Record of the Industry Applications Conference, Volume: 3 , 8-12 Oct 1995, Page(s): 2752 -2758.

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  [8] Saiz, J; Mermet, M; Frey, D; Jeannin, P.0; Schanen, J.L;Muszicki, P; "Optimisation and integration of an active clamping circuit for IGBT series association" Industry Applications Conference, 2001. ConferenceRecord of the Thirty-Sixth IAS Annual Meeting,Volume: 2, 30 Sept.-4 Oct.2001, Pages: 1046- 1051 vol.2.

  [9] Sasagawa, K.; Abe, Y.; Matsuse, K.; "Voltage balancing method for IGBTs connected in series", Conference Record of the Industry Applications Conference,, Volume: 4, 13-18 Oct. 2002, Page(s): 2597 -2602.

  [10] Raciti, A.; Belverde, G.; Galluzzo, A.; Greco, G.; Melito,M.; Musumeci, S.; "Control of the switching transients of IGBT series strings by high-performance drive units", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume:48 Issue: 3 ,June 2001, Page(s): 482 -490.

  收稿日期:

  作者簡介:

  溫家良(1970—),男,博士,教授級高級工程師,研究方向為高壓直流輸電和柔性直流輸電及大功率電力電子技術。

  陳中圓(1988—),男,碩士,工程師,研究方向為大功率電力電子技術。

  鄒格(1990—),女,碩士研究生,研究方向為大功率電力電力技術及電磁兼容技術。

 

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