EAST聚变装置大电流全控型固态断路器研制

发布时间：2020-11-13 15:30

　　 EAST装置是我国九五重大科学工程,为未来聚变实验装置提供重要的工程与物理实验基础,开关网络单元是EAST装置建立等离子体的关键部件之一。本论文根据开关网络单元15 kA额定电流及2.0 kV开断电压的要求,研制了一种基于IGCT器件并联的双向H桥直流固态断路器。对比于目前晶闸管并联的直流固态断路器,本断路器具有双向快速分断、维护方便及占地面积小的优点。本文的主要工作内容与创新如下:对基于双向H桥固态断路器的开关网络单元换流过程进行了深入的研究,提出了换流回路电气参数的设计依据。优化和解决了在快速关断过程中功率器件反向峰值过电压问题,以及普通二极管组件在反向恢复过程中的振荡问题,完成了双向H桥固态断路器对称模块化结构的设计。分析了并联功率组件间动静态均流的主要影响因素,着重分析了并联组件结构中杂散参数对动静态均流的影响。在建立并联功率组件结构和电路模型基础上,进行了电路和结构联合仿真分析,通过不断优化结构和改善电路中的杂散分布参数,成功地解决了8支并联IGCT器件间动静态均流问题。试验结果验证了仿真分析过程的正确性与并联组件结构的合理性,这种仿真模型为并联组件的结构与动静态均流设计提供了重要的工程指导。根据双向H桥固态断路器的高通态损耗特点,首先通过功率器件工艺改进及优化筛选,降低了功率器件的总功率损耗;同时对功率并联组件中水冷散热器的流道结构模型进行了深入的研究,仿真与分析对比了两款不同流道结构的水冷散热器散热性能。最后基于上述模型,提出了一种双层阿基米德螺旋流道的水冷散热器结构设计,解决了大电流运行下功率器件的热稳定问题,其低热阻特性减少了并联功率器件数目,降低了功率器件并联结构设计难度。研制了2 kV/15 kA直流全控型双向H桥固态断路器装置,通过常规与型式试验实现了额定参数电流下的快速双向分断,同时并联IGCT组件间的均流系数达到0.9以上。仿真分析与试验结果均证明了该固态断路器设计方案的可靠性与可行性。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL631.24
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景
    1.2 EAST装置的开关网络单元
        1.2.1 EAST托卡马克装置
        1.2.2 极向场电源系统
        1.2.3 开关网络单元
    1.3 聚变装置中的直流断路器
        1.3.1 直流断路器分类
        1.3.2 EAST装置中直流断路器
        1.3.3 ITER装置中直流断路器
        1.3.4 KSTAR装置中直流断路器
        1.3.5 JT-60SA装置中直流断路器
    1.4 课题研究内容及难点
    1.5 论文框架结构
第2章 双向H桥固态断路器方案优化及设计
    2.1 引言
    2.2 双向固态断路器拓扑方案与功率器件对比
        2.2.1 双向固态断路器方案分析
        2.2.2 全控功率器件对比分析
    2.3 双向固态断路器设计与分析
        2.3.1 双向固态断路器开断过程分析
        2.3.2 IGCT并联组件设计
        2.3.3 二极管并联组件设计
        2.3.4 吸收电路参数设计
    2.4 双向固态断路器电气设计
        2.4.1 二次电气回路设计
        2.4.2 双向固态断路器控制设计
    2.5 本章小结
第3章 双向H桥固态断路器均流分析
    3.1 引言
    3.2 IGCT器件建模
        3.2.1 IGCT建模方法概述
        3.2.2 IGCT功能性建模
        3.2.3 IGCT功能性模型验证
    3.3 并联功率器件均流分析
        3.3.1 并联器件均流影响因素
        3.3.2 并联器件均流设计要求
    3.4 双向固态断路器杂散参数分析
        3.4.1 Q3D杂散参数分析
        3.4.2 IGCT组件杂散参数分析
        3.4.3 二极管组件杂散参数分析
    3.5 双向固态断路器仿真与试验
        3.5.1 固态断路器电路联合仿真
        3.5.2 固态断路器脉冲均流试验
    3.6 本章小结
第4章 双向H桥固态断路器热学分析
    4.1 引言
    4.2 双向固态断路器热损耗计算
        4.2.1 功率器件热损耗分析
        4.2.2 连接铜排热损耗分析
        4.2.3 冷却系统水流量需求
    4.3 水冷散热器热-流耦合分析
        4.3.1 水冷散热器结构
        4.3.2 水冷散热器热流耦合仿真分析
        4.3.3 改进方案的水冷散热器仿真分析
    4.4 连接铜排热-电耦合分析
        4.4.1 装置连接排热仿真分析
        4.4.2 IGCT组件连接排热仿真分析
    4.5 本章小结
第5章 双向H桥固态断路器研制与试验
    5.1 引言
    5.2 双向固态断路器结构
        5.2.1 双向固态断路器总体结构
        5.2.2 双向固态断路器水冷系统
        5.2.3 双向固态断路器功率器件筛选
    5.3 双向固态断路器试验与分析
        5.3.1 双向固态断路器测试平台
        5.3.2 双向固态断路器试验方案
        5.3.3 双向固态断路器分断能力试验与分析
        5.3.4 双固态断路器温升试验与分析
    5.4 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 本文工作总结
    6.2 下一步工作展望
参考文献
博士在学期间发表的论文和申请的专利
致谢

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本文编号：2882337