关键词： 逆变器   软开关   谐振   功率损耗   效率  

摘要： 现代电力电子逆变器装置在追求高频、高效、大功率的同时也希望其拥有更小的体积和更低的成本。三相谐振直流环节逆变器的辅助电路位于逆变器直流侧,具有辅助电路结构简单,辅助器件较少,硬件成本低等优点,引起了广大专家学者的广泛关注。为进一步优化辅助电路结构提高软开关逆变器转换效率,本文要对三相谐振直流环节软开关逆变器在高效率方面展开研究。本文第二章提出了直流环节零电压持续时间可调的谐振直流环节逆变器。其中辅助电路中无大体积的变压器和分压电容,不存在磁通复位问题和中性点电位漂移问题,有利于逆变器实现微型化和轻量化。同时直流环节稳态电压不高于直流电源电压,不会额外增加开关器件承受的电压值,避免了使用耐压更高和价格更高的开关器件,有利于降低硬件成本。而且当主开关需要切换时,提前使辅助电路进入谐振状态,将直流环节电压变化到零,保证主开关完成零电压软切换,提高了逆变器的转换效率,通过控制辅助开关可以获得任意的零电压持续时间,使该软开关逆变器能应用各种灵活的脉宽调制策略。第二章提出的逆变器虽说通过控制辅助开关可以获得任意的零电压持续时间,使该软开关逆变器能应用各种灵活的脉宽调制策略。但是每个开关周期中主开关都需要桥臂处于短时间的直通状态,所以对控制的可靠性要求较高,否则可能出现电源短路。为了避免出现电源短路的状况,同时可以控制零电压持续时间。在第三章提出了无需桥臂处于直通状态的谐振直流环节逆变器,辅助谐振电路只有2个辅助开关,相应地减小了电路的功率损耗,而且其中1个辅助开关的触发脉冲占空比可设计为固定值,简化了辅助电路控制。同时逆变器工作过程中不需要桥臂处于直通,可以直接使用成熟的SVPWM方法,简化了逆变器主开关的控制。第二章和第三章提出的逆变器中的主开关均无法进行零电流软关断,不能够完全消除IGBT拖尾电流,主开关关断时存在一定的功率损耗。因此第四章提出了主开关无并联谐振电容的谐振直流环节逆变器,主开关没有并联缓冲电容,主开关既可以完成零电压软开通,又可以完成零电流软关断,真正实现了开关功率零损耗,进一步提高了逆变器的转换效率,并且IGBT和MOSFET都可以作为该逆变器的开关器件,拓宽了开关器件的选型范围。辅助电路在控制过程中,并联支路上的辅助开关开通后直接触发谐振,控制辅助开关的切换时,不需要实时监测谐振电流的变化,而且辅助开关的触发脉冲占空比可以设计为固定值,简化了辅助电路的控制。同时电路既不需要主开关处于直通状态,也可以控制零电压持续时间。文中详细分析了不同形态中电路的工作过程,同时给出了参数设计规则和设计过程以及辅助电路损耗表达式,最后使用simulink模块进行波形仿真,仿真结果表明提出的三相谐振直流环节软开关逆变器的主开关和辅助开关均能够实现软切换,提高了逆变效率。

关键词： 全桥变换器   拓扑结构   调制策略   互补占空比调制   副边移相调制  

摘要： 移相全桥ZVS直流变换器由于其具有工作频率恒定、拓扑结构简单、功率密度高且能利用器件自身的寄生参数谐振实现ZVS等特点在中高功率应用场合中备受青睐。然而,传统移相全桥ZVS变换器仍存在软开关范围受限、存在环流损耗、副边占空比丢失以及整流桥寄生振荡等缺陷。这导致全桥变换器性能优化存在局限性,也是广大学者着力研讨探究的热点问题。本文针对移相全桥变换器存在的关键问题展开论述,在对相应解决方案总结综述的基础上,重点研究变换器性能的改善措施并分别提出了两种新的改进方案。本文主要研究工作如下:首先,分析了传统移相全桥ZVS变换器的工作原理,讨论了工作中所存在的关键问题,并进行了参数设计与仿真验证,通过仿真反映了分析的准确性,然后对国内外针对以上工作缺陷所提出的相关解决方案进行了总结综述,针对一些典型的拓扑结构和调制策略进行了分类并结合特性比较了各方案的优势与不足。其次,提出了一种基于互补占空比的改进全桥ZVS变换器。该变换器通过辅助谐振网络拓宽了软开关范围并大大减轻占空比丢失,通过原边箝位网络消除了整流桥寄生振荡问题。本文详细分析了该改进方案的工作原理与工作特性,具体讨论了关键电路参数的设计方法,并通过仿真验证了其相关特点。接着,又提出了一种基于副边移相调制的改进全桥变换器。该变换器通过副边移相的特点消除了原边移相环节,继而消除了环流损耗问题,由于CDD能量回收复位电路的引入,而不存在占空比丢失问题,且整流桥寄生振荡得到了抑制,副边开关能实现宽范围的ZCS,原边开关能实现重载条件下的ZVS。本文详细分析了该改进方案的工作原理与工作特性,具体讨论了关键电路参数的设计方法,并通过仿真验证了其相关特点。最后,对论文的研究内容进行了总结,并指出需要进一步研究和解决的问题。

ISBN: (纸本)9787030650702

关键词： Electrical engineering  

摘要： The three-level isolated AC-DC power factor corrected (PFC) converter provides safe and more efficient power conversion. In comparison with two-level, three-level PFC converter has the advantages of low total harmonic distortion, low device voltage rating, low di/dt, better output performance, high power factor, and low switching losses at higher switching frequencies. The high frequency transformer (HFT) grants galvanic isolation, steps up or down secondary voltage, and limits damage in case of a fault current. The existing three-level converter based on solid-state transformer (SST) topologies convert ac power from the electrical grid to a dc load while maintaining at least the minimum requirements set by the international standards (i.e., high power factor and low total harmonic distortion). The SST topologies with the capability of controlling intermediate dc-bus and output voltage simultaneously require two full bridges at the primary and secondary side of the HFT. As the power level increases, the number of cascaded bridges increases accordingly, and the price associated with these semiconductor devices becomes highly expensive. As result, the demand of converting high power level led to emphasis on high performance and cost-effective power conversion topology. The aim of this dissertation is to develop a new low-cost and high-performance three-level isolated AC-DC (PFC) converter topology. The proposed topology replaces the conventional three-level inverter in the secondary side of the HFT by only two switches and four diodes while still maintaining the basic functionality of a three-level converter (i.e., regulating the output voltage, controlling the dc-bus voltage to be within desired limits). The advantages of this new topology are: (1) low conduction losses; (2) low-cost; (3) no need to consider the issue of the power backflow; (4) zero-voltage switching (ZVS) and zero-current switching (ZCS) at turn ON are inherently guaranteed without any extra control

关键词： CFETR   开关网络单元   混合式直流开关   IGBT   快速晶闸管  

摘要： 中国核聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)是我国下一代超导聚变实验项目,开关网络单元(Switch Network Unit,SNU)是其建立等离子体的关键子系统。本文基于混合式直流开关技术,结合CFETR SNU额定电流80k A、额定电压20k V的参数要求,提出了一种新型SNU拓扑结构,并对其器件选型、参数设计、可靠性等关键问题进行了研究。本文首先对比了各直流开关技术的特点,针对CFETR SNU的参数要求,设计了一种基于混合式直流开关的新型拓扑结构。该拓扑结构包括旁路开关、固态换流开关和放电电阻三部分,其固态换流开关由全控型半导体开关与晶闸管组合构成,以辅助电容来保证晶闸管的可靠关断。该拓扑结构具有全控型器件串联数目少,系统可靠性高,关断流程简单等突出优点。然后,本文深入分析各半导体器件特性,确定IGBT与快速晶闸管为SNU中的半导体器件,再结合新型SNU的工作特点,确定了辅助电容容值、半导体器件的串并联数目等关键参数。本文还基于半导体器件的行为模型搭建了SNU的仿真模型,仿真结果显示,该拓扑结构可在15ms内完成换流过程并建立电压,符合SNU的设计要求;当固态换流开关支路与辅助电容支路杂散电感为10μH时,换流开关中IGBT仅需承受SNU端电压的41%,而降低杂散电感值可进一步降低IGBT所需耐受的电压,有利于降低IGBT的串联数目。最后,本文还对SNU中各半导体开关组件进行了可靠性分析,为提高其可靠性,基于k/n(G)模型进行了冗余设计,各半导体开关组件的各可靠性指标都有了明显提升,特别是高可靠性寿命有了数倍乃至数十倍的提高。本文的研究成果为CFETR SNU提供了一种切实可行的设计方案,还能为其他大功率直流开关的设计提供重要参考。

关键词： GaN器件   硬开关   软开关   Boost变换器   LLC谐振变换器   航空电源系统  

摘要： 航空高压DC-DC变换器是航空高压直流电源系统的重要组成部分,需要具有较高的功率密度和变换效率。采用GaN器件可以提高航空高压DC-DC变换器的开关频率,由此提高功率密度;采用软开关技术可以提高其变换效率。本文研究基于GaN器件的软开关航空高压DC-DC变换器。本文对目前主流的商用高压GaN功率器件和Si MOSFET进行了参数对比,分析了不同类型的高压GaN功率器件的特点,并分析其驱动电路和反向导通原理。介绍了GaN功率器件的开关特性测试方法,并测试了GaN功率器件在硬开关和软开关工作条件下的开关特性。实验结果表明,GaN功率器件硬开关工作时开通损耗较大,采用软开关技术可以消除开通损耗,提高变换效率。工作于直流变压器(DC Transformer,DCX)方式的LLC谐振变换器能够在全负载范围内实现软开关,同时其开关频率恒定,有利于优化磁性元件的设计和实现高的变换效率。为了调节输出电压,需加入一个预调节器或后调节器。本文分析了半桥LLC谐振变换器的工作原理,分析了电压增益特性,指出为了获得良好的负载调整率,需增大励磁电感和谐振电感的比值。针对输入电压范围较宽、输入电流纹波要求较高的航空高压DC-DC变换器,本文选择Boost变换器作为预调节器。考虑到实现软开关时Boost变换器的电感电流脉动较大,本文采用两路Boost变换器交错并联,以减小输入电流纹波。最终,本文采用两路交错并联Boost变换器+DCX-LLC谐振变换器的电路拓扑作为软开关航空高压DC-DC变换器拓扑。最后,在实验室研制了一台350W,开关频率500 k Hz的软开关航空高压DC-DC变换器。实验结果表明,Boost变换器和LLC谐振变换器在全负载范围内均实现了软开关,Boost变换器满载时效率为98.38%,DCX-LLC谐振变换器满载时效率为96.20%,整机满载时效率为94.64%。

关键词： 特高压换流站   直流隔离开关   地震响应   复合隔震   参数分析  

摘要： 特高压直流隔离开关是一种结构尺寸较大、重心较高、水平向柔度很大的电气设备,其自振频率在1～10Hz,与地震波的卓越频率很接近,在地震作用下很容易产生类共振,顶部会产生很大的加速度放大系数,电气设备本体根部会产生很大的应力,动柱与静柱顶部之间会产生很大的相对变形,发生破坏。本文首先对特高压直流隔离开关开展了现场动力特性测试,采用ANSYS有限元软件建立了有限元模型,并进行了动力特性理论分析。然后在不同峰值地震波作用下特高压直流隔离开关地震响应分析基础上,提出摩擦滑板复合隔震设计方案,建立了直流隔离开关隔震体系数值模型,通过9度大震和小震时程分析,指出了普通叠层橡胶支座及并联粘滞流体阻尼器隔震方案的优缺点,并初步分析了摩擦滑板并联复合隔震的特点以及并联增设摩擦滑板的作用。在摩擦滑板并联复合隔震设计中,首先提出了摩擦滑板+普通叠层橡胶支座并联复合隔震方案,通过时程计算分析了摩擦系数、隔震层周期对结构地震响应的影响;然后针对摩擦系数取值较小的摩擦滑板+普通叠层橡胶支座的并联复合隔震,采用并联增设粘滞流体阻尼器增大隔震层的阻尼比以优化隔震效果,分析了摩擦系数、隔震层周期、阻尼比等参数对结构地震响应的影响;最后进一步根据地震响应结果,结合铅芯橡胶支座的特点,采用铅芯橡胶支座替代普通叠层橡胶支座和粘滞流体阻尼器,形成摩擦系数取值较小的摩擦滑板+铅芯橡胶支座并联复合隔震,优化了隔震效果,分析了铅芯橡胶支座力学参数对结构地震响应的影响。结论如下:（1）特高压直流隔离开关作为一种很“高、大、柔、重”的结构,在地震作用下时结构顶部加速度放大系数最高可达7.70左右,动柱、静柱顶部会产生很大的位移,9度大震作用时绝缘子根部法兰连接处的应力安全系数不够充足,因此很需要对其进行隔震设计。（2）单纯的摩擦滑板基底隔震可以显著地控制地震水平剪力向结构的传递,但隔震层位移得不到有效控制,因此单纯的摩擦滑板不宜单独使用。（3）对于摩擦滑板+普通叠层橡胶支座并联复合隔震,当摩擦系数取值较大时,不利于大震时结构顶部加速度放大系数的降低。当摩擦系数取值较小,隔震层周期取值较大时,有利于降低结构顶部的加速度放大系数,但很难控制大震以及小震作用时隔震层的位移最大值。（4）增大摩擦系数取值较小的摩擦滑板+普通叠层橡胶支座并联复合隔震层的阻尼比,会在一定程度上增大顶部的加速度放大系数,但可以大幅度地降低大震时隔震层的位移最大值,但对小震时隔震层位移最大值的控制效果不及大震时的优良。（5）铅芯橡胶支座配以摩擦系数较小的摩擦滑板组成的并联复合隔震具有很优越的隔震效果,能通过参数取值的合理搭配,保证结构顶部加速度放大系数较小、相同时,进一步降低大震以及小震时隔震层的位移最大值,使隔震层能更易满足在小震作用时的隔震要求。

关键词： 煤矿井下   高压开关柜控制   保护电源采用直流控制的应用  

摘要： 高压开关柜的煤矿井下供电系统进行工作之时,取代交流控制电源与直流控制电源可以大大提高工作系统的可靠性能耗控制系统的开关装置,并且可以减少造成的经济损失和降低安全事故的发生来控制电源故障.同时,在开关柜中采用分布式直流控制电源,不仅成本降低,而且易于维护.因此,在煤矿井下滚动开关柜中采用直流控制电源代替交流电源模式,不仅提高了煤矿井下供电的安全系数,而且为煤矿安全可靠供电创造了巨大的经济效益.因此本文是以直流控制在煤矿高压开关柜供电控制与保护中的应用为基础进行展开的.

关键词： 隔离开关   主导电   动、静触头   偏移   风速  

摘要： 在风速34m/s的作用下,通过对400kV高压直流隔离开关主导电在合闸过程中动、静触头偏移量的计算,以分析静触头导向罩在动触头相对偏移的情况下合闸的可靠性。仿真计算分析结果表明,400kV高压直流隔离开关在风力作用下,静触头导向罩能满足动触头合闸的可靠性,且有较大的安全裕度。

关键词： 中性点箝位型三电平   零电流开关  

摘要： 提出了一种工作于电流断续模式的新型三电平零电流开关变换器,包含一个传统中性点箝位型三电平电路(neutral point clamped three-level circuit,NPC-TLC)和一个简单的辅助控制电路,共6个开关管和2个变压器。通过辅助控制电路的斩波调制可以实现NPC-TLC的零电流开关(zero-current-switching,ZCS)。由于绝大部分的功率是由NPC-TLC传递至负载侧,所以实现其ZCS可以大幅降低本文变换器的开关损耗。文中还重点讨论了辅变压器变比对开关管电流大小的影响,提出了变比优化方法,并基于PLECS软件的仿真模型进行了验证。最后,利用300~1500 V/1500 W的实验平台对理论分析和仿真结果的正确性进行了验证。