基于有源控制技术降低器件开关损耗的方法研究

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在电机传动、新能源应用领域、UPS电源、有源电力滤波器等很多重要的电力电子技术应用场合,变换器的性能和效率越来越多的受到重视。随着变换器输出性能和功率密度需求的不断提高,较高频率下,功率器件的损耗显得尤为突出,为了提升变换器效率,功率器件高频操作时,减小功率器件的损耗,变得越来越重要。  本文以变换器中逆变器为例,首先分析了逆变器在SPWM调制方式下的损耗,结果表明,若要提升逆变器转换效率,可以通过减小功率器件的开关损耗来实现;对减小功率器件损耗方案进行比对,提出了基于有源控制技术以提高功率器件开关性能进而提升逆变器效率的研究方案。  其次分析了IGBT的结构及工作特性,并对器件的开关损耗以及开关过程进行分析,进一步明确影响功率器件损耗的因素,并对功率器件损坏的诱因进行分析,作为基于有源控制方案设计的理论依据;通过对大功率IGBT模块YMIF1200-33进行实验分析,得到设计电路所需参数。在IGBT正常开通与关断过程中,基于dic/dt反馈控制,设计软开通以及软关断电路,有效缩短IGBT的开通与关断时间,提高IGBT的开关频率,减小器件功率损耗;在IGBT发生短路时,设计改进型有源钳位保护电路,实现IGBT短路保护,有效减小门极触发电阻Rg上的损耗,并对IGBT实施软关断,防止关断时产生较大的过冲电压损坏IGBT。  随后利用Saber软件对所设计的电路进行仿真,给出仿真结果。通过与传统驱动模式的比对,采用有源控制技术之后,在开通过程中,开通时间提升了49.5%:关断过程中,关断时间缩短了46.8%;短路故障时,在将VCE有效钳位的同时,降低门极驱动电阻的损耗,并对其实施软关断。结果表明,所设计方案均能有效解决现有逆变器存在的效率转换问题,达到设计要求。  最后利用大功率IGBT模块YMIF1200-33搭建实验平台,采用传统驱动保护方案,测试IGBT开通及关断过程,分析其开通及关过程中若干个构成阶段,以此作为开关方案设计的理论支撑;进行短路实验,测试IGBT模块中主发射极与辅助发射极之问的寄生电感LEe,并观察保护电路在故障情况下的动作过程,为短路保护及降低门极触发电阻的损耗的方案实施提供数据支撑。
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