应用于四象限变流器的逆导型IGBT退饱和控制

发布时间：2020-07-06 19:55

【摘要】：随着轨道交通的蓬勃发展,作为牵引传动系统中重要组成部分的四象限变流器对开关器件的功率密度和可靠性提出了更高的要求。基于硅材料的IGBT作为四象限变流器中的主流器件经过三十多年的发展,其性能已经逼近理论极限。当前为了提升IGBT的性能主要有两种手段:一是采用氮化镓、碳化硅等宽禁带新型材料,二是对传统硅基IGBT在结构和工艺上进行改进和融合,产生功能集成型IGBT。前者虽然在器件性能上表现良好,但是材料和工艺都还存在着很多问题,且成本相对于硅器件更高,目前只在中小功率场合有部分应用。逆导型IGBT通过对IGBT芯片的结构进行改进,在IGBT芯片上实现了额外的续流二极管的功能。提高了IGBT模块的整体功率密度,降低了器件成本并且提升了稳定性。论文研究了应用于四象限变流器的逆导型IGBT退饱和控制方法,提出了基于瞬态电流控制的改进型电流阈值退饱和控制方案,该方案提高了整体控制系统的连续性,解决了电流阈值退饱和控制方法中因对脉冲进行强制分段而导致在实际应用中出现上下桥臂直通的问题。其次,充分考虑了影响电流阈值取值的因素,提出了通过实际测量结合计算的方法来确定最佳电流阈值。避免了电流阈值取值过小导致系统发出错误的退饱和脉冲,或者电流阈值取值过大导致无法充分发挥逆导型IGBT在退饱和控制下的优势等问题。然后在MATLAB/Simulink软件中搭建了仿真模型,验证了本文提出的基于瞬态电流控制的改进型电流阈值退饱和控制方案的可行性。通过仿真波形和器件手册,结合论文提出的电流阈值损耗计算方法,对应用逆导型IGBT的四象限变流器和应用普通IGBT的四象限变流器进行了损耗计算和对比分析。接着对常规PWM控制程序进行改进,并编写了适配于退饱和控制的瞬态电流控制的DSP程序。同时提出了改进型脉冲延时时序控制逻辑,解决了延时逻辑在延时时间大于脉冲宽度的情况下,延时脉冲变宽的问题,并用Verilog HDL语言编写了退饱和控制的CPLD程序。最后搭建了小功率平台,通过实验证明了论文所提方案的正确性和可行性。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM471
【图文】：

逦＆缓冲区逡逑（ｂ）逆导型ＩＧＢＴ内部结构和符号逡逑图２－１传统ＩＧＢＴ和逆导型ＩＧＢＴ内部结构示意图逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ＩＧＢＴ邋ａｎｄ邋ｒｅｖｅｒｓｅ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ＩＧＢＴ逡逑ＥｊＨｍ逡逑ｍｍ逡逑（ａ）传统ＩＧＢＴ内部逦（ｂ）丨ＧＢＴ模块外部逦（ｃ）逆导型ＩＧＢＴ内部逡逑图２－２相同封装下传统ＩＧＢＴ模块和逆导型ＩＧＢＴ模块内部芯片分布逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ｃｈｉｐ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋

逦北京交通大学硕士专业学位论文逦逡逑拥有更大的功率容量和更高的稳定性。同时在控制特性上，对逆导型ＩＧＢＴ施加退逡逑饱和控制能降低二极管模式下的导通损耗和反向恢复损耗，从而降低模块的整体逡逑损耗。为了证明退饱和控制对逆导型ＩＧＢＴ损耗的降低确实有效，文献［２７］对英飞逡逑凌公司生产的相同封装下６．５ｋＶ电压等级的逆导型ＩＧＢＴ和传统ＩＧＢＴ在逡逑３５００Ｖ／７５０Ａ的条件下进行了双脉冲实验，其结果如图２－６所示，当逆导型ＩＧＢＴ逡逑采用饱和控制时，其模块损耗略小于传统ＩＧＢＴ模块损耗，但是当对逆导型ＩＧＢＴ逡逑采用退饱和控制时，其模块损耗明显降低，虽然越宽的退饱和脉冲能减少更多的逡逑反向恢复损耗，但是也增加了导通损耗，所以退饱和脉冲也不是越宽越好，应该逡逑根据实际应用情况进行最优选取。逡逑■＞０邋000逡逑■Ｅ0Ｄ邋＜ｍＪ）逦ＢＥ0ｆｆ邋ＣｍＪ）逦－Ｈｃｏｎ－ｄｉｏｄｅ邋（ｍＪ）逡逑

Ｔｌ、Ｔ２都处于ＩＧＢＴ导通状态，造成桥臂短路。逡逑当电流方向为从半桥流出时，如图２－７邋（ｃ）、（ｄ）所示，在传统ＩＧＢＴ模块半逡逑桥（ｃ）中，当Ｔ１的门极信号为高时，Ｔ１导通，下一时刻Ｔ１门极信号变低，Ｔ１逡逑关断，Ｔ２的门极信号变高，同样由于器件的导通时间一般小于器件的关断时间，逡逑所以会造成短时间内上下管Ｔｌ、Ｔ２都处于ＩＧＢＴ导通状态，造成桥臂短路，所以逡逑需要设置死区时间７＾＾。在逆导型ＩＧＢＴ模块的半桥（ｄ）中Ｔ１从ＩＧＢＴ模式变为逡逑关断模式，Ｔ２将进入续流二极管模式，此时并不给Ｔ２的门极施加高电平，因而逡逑Ｔ２并不会进入ＩＧＢＴ模式而是进入续流二极管模式，所以不需要设置死区时间。逡逑而当Ｔ２处于续流二极管模式时，即使同时给Ｔ１和Ｔ２的门极施加高电平，也会因逡逑为Ｔ２处于续流二极管模式而反向恢复需要时间所以短时间内不会出现上下管直通逡逑的现象。在传统ＩＧＢＴ模块半桥中，续流二极管Ｄ２工作时，Ｔ２的门极信号为氋，逡逑Ｔ２处于导通状态，但是因为没有电流经过而不工作。续流二极管Ｄ２即将关闭时，逡逑Ｔ２的门极信号从高电平变为低电平，Ｔ１的门极信号从低电平变为高电平，如果没逡逑有设置死区时间同样会造成上下桥臂短路。所以退饱和控制并不适用于传统逡逑１ＧＢＴ模块。逡逑

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 钱照明;张军明;盛况;;电力电子器件及其应用的现状和发展[J];中国电机工程学报;2014年29期

2 王成;;单相PWM整流器控制方法及谐波分析[J];电子设计工程;2014年06期

3 王琛琛;周明磊;游小杰;;大功率交流电力机车脉宽调制方法[J];电工技术学报;2012年02期

4 宋文胜;冯晓云;;一种单相空间矢量脉宽调制优化方法[J];电工技术学报;2011年04期

5 高吉磊;张雅静;林飞;郑琼林;;单相PWM整流器谐波电流抑制算法研究[J];中国电机工程学报;2010年21期

6 郑琼林;;交流传动HXD1电力机车谐振原因分析与对策[J];变频器世界;2009年05期

7 伍家驹;王文婷;李学勇;杉本英彦;;单相SPWM逆变桥输出电压的谐波分析[J];电力自动化设备;2008年04期

8 易龙强;戴瑜兴;;SVPWM技术在单相逆变电源中的应用[J];电工技术学报;2007年09期

9 宋文胜;刘志敏;冯晓云;;四象限变流器控制策略研究与仿真[J];电力机车与城轨车辆;2007年02期

10 邹仁;四象限变流器瞬态电流控制的仿真研究[J];机车电传动;2003年06期

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1 陈伟中;RC-IGBT的理论模型与新结构研究[D];电子科技大学;2014年

2 李建林;载波相移级联H桥型多电平变流器及其在有源电力滤波器中的应用研究[D];浙江大学;2005年

相关硕士学位论文 前2条

1 凌超;大功率逆导型IGBT应用特性研究与专用驱动设计[D];北京交通大学;2018年

2 昌登伟;6.5kV RC-IGBT在四象限变流器中的应用[D];北京交通大学;2018年

本文编号：2744060