高效SiC器件不间断电源整流模块的研究与设计

发布时间：2017-04-17 15:50

第一章 绪论 

1.1  研究背景和意义 
随着半导体技术的发展、数字信号处理技术以及控制技术的发展，电力电子技术正在向着高频化、数字化、模块化、绿色能源化发展[1-3]。电力电子设备的体积、智能程度、效率、谐波、功率因数等指标也在不断得到改善。不间断电源作为电力电子技术的一个重要分支，在电力电子的发展中扮演着重要角色。随着我国大力推广互联网加政策，互联网产业快速发展，，对于不间断电源的需求也越来越大。目前，国内的不间断电源提供商主要为国外三大品牌：伊顿、施耐德、艾默生，本土 UPS 厂商只占有少数市场份额。在各种功率等级的不间断电源产品中，小功率不间断电源占有绝大多数市场份额。根据赛迪顾问对 2014 年 7 月中国不间断电源的市场分析报告，功率大于等于 3k VA 小于10k VA 的不间断电源占总销量的 33.6%，销售额占比 19.2%，销量和销售额在所有功率等级中均为第一，功率小于 3k VA 的不间断电源占总销量的 66.7%，销售额占比 15.5%，销量在所有功率等级中排名第一。从以上数据可以看出，中小功率不间断电源竞争异常激烈，要想突破国外厂商的垄断，必须在中小功率不间断电源上下功夫。基于此种背景，本人所在的实验室受企业委托为企业研制一台 5k VA 以 IGBT 为功率器件的不间断电源。本人负责不间断电源整流模块的研究，并在 IGBT 不间断电源整流模块研究的基础上对Si C MOSFET 不间断电源整流模块进行初步研究。  本文将基于 IGBT 模块研制一台不间断电源整流模块样机，验证本文提出的改进型PI 控制策略的正确性和有效性以及本文提出的交流电感选型方法的正确性。在完成此实验的基础上，对 Si C MOSFET 整流模块进行初步的研究，以便下一步对 Si C MOSFET 整流模块进行全面研究。Si C 半导体相对于传统的 Si 半导体具有耐压高、导通电阻低、热稳定性好、开关频率高、开关损耗低等诸多优点[4-6]。可以预见，随着价格的降低以及技术的成熟，基于 Si C MOSFET 的不间断电源整流模块的市场份额将会逐渐扩大。 
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1.2  整流模块的研究现状
整流模块，也可以称之为整流器，其性能受到开关器件、拓扑以及控制策略等多种因素的综合影响。下文将从器件、拓扑、控制策略三个方面阐述整流模块的研究现状。自从 20 世纪 50 年代初期电力二极管应用于电力领域以来，电力电子器件经历了从不可控到可控的变迁，先后出现了晶闸管、MOSFET、IGBT 等典型电力电子器件[7]。电力二极管既不能控制其开通也不能控制其关断，属于不可控器件，只能利用器件外部条件使其开通或者关断。由于电力二极管结构简单、工作稳定，因此得到了广泛的应用。在全控型器件组成的拓扑中，多伴有电力二极管。可以说，电力二极管在电力电子的发展史中具有不可替代的作用。但是由于电力二极管的不可控特性，在对性能指标要求较高的场所，电力二极管往往不能满足要求，通常作为辅助性器件存在。电力二极管种类繁多，如普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管等等。 1956 年，半控型器件——晶闸管在美国贝尔实验室诞生，标志着电力电子技术的产生。晶闸管属于半控型器件，通过对门极触发可以使晶闸管开通，但是不能通过对门极的控制使其关断。晶闸管的半导体结构特性决定晶闸管在低频率高电压大电流应用场合中有着不可替代的作用[8]，在中小功率应用场合已不常见。根据应用场合的不同，晶闸管的种类也有不同，如快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等等。 20 世纪 80 年代以来，随着电力电子技术与信息电子技术的交叉融合，诞生了一系列全控型电力电子器件，如门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管。与信息电子技术中的场效应晶体管对应，电力电子技术中的场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但应用较多的是电力 MOSFET（Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。电力 MOSFET 属于电压控制型全控型电力电子器件，可以通过驱动电路控制其开通和关断，且驱动电路简单，驱动功率小。由于其半导体结构特性，电力 MOSFET 可以工作在高达 MHz 的频率下，但是基于 Si  材料的电力 MOSFET 在高压下导通电阻大，具有耐压低、电流容量小的缺点，多应用于高频小功率的场合。为了解决电力 MOSFET 导通电阻大的问题，RCA 公司和 GE 公司于 1892 年开发了一种复合型全控型电力电子器件—绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）。
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第二章  不间断电源整流模块的数学模型数学模型

作为对研究对象的一种理想化抽象，抓住了研究对象的主要因素，忽略了研究对象的次要因素，方便对研究对象进行研究与设计。本文选取的整流模块具有网侧电流正弦化、单位功率因数、直流侧输出电压可调的优点。为了实现以上功能，必须首先掌握整流模块的数学模型。因此，本文首先推导不间断电源整流模块在三相静止坐标系、两相静止直角坐标系、两相旋转直角坐标系下的数学模型，以便对整流模块进一步研究分析。

2.1  两电平电压源型整流模块的拓扑 
两电平电压源型整流模块的电路拓扑如图 2-1 所示，为表达方便，如无特别说明，下文所述整流模块一般指两电平电压源型整流模块。其中ae、be、ce为三相对称电网电压；L为电感，其功能为滤波并为整流模块和电网的能量交换提供通道；1S至6S为开关管，可以为 IGBT 或者 MOSFET 等全控型电力电子器件；1C、2C为电解电容，起着储存能量的作用，并且可以为逆变单元提供电压中性点；LR为负载电阻。 整流模块同一桥臂的两个开关管（1S和2S、3S和4S、5S和6S）不能同时导通，一旦同一桥臂的上下两个开关管同时导通，相当于在直流侧电解电容1C和2C两端并联一根电阻很小的导线，造成短路，烧坏装置。因此，同一时刻每相桥臂只能有一个开关管导通。工程中为了防止桥臂直通，通常在软件中或者硬件中加入死区。以整流模块的 A相为例进行分析：当 A 相开关管1S导通，开关管2S关断时，无论电流ai是正还是负，整流模块 A 相电路均可等效为图 2-2 所示的电路；当 A 相开关管1S关断，开关管2S导通时，无论电流ai是正还是负，整流模块 A 相电路均可等效为图 2-3 所示电路。整流模块的 B 相和 C 相均可以进行同样的等效。 
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2.2  整流模块在三相静止坐标系下的数学模型
整流模块在三相静止坐标系系下的数学模型是推导整流模块在两相静止直角坐标系下的数学模型和两相旋转直角坐标系下的数学模型的基础，因此本文将先建立整流模块在三相静止坐标系系下的数学模型。整流模块在两相静止直角坐标系下的数学模型可以由整流模块在三相静止坐标系下的数学模型变换而来。完成从三相静止坐标系到两相静止直角坐标系的变换称作Clark 变换。因此，本文首先介绍 Clark 变换，再介绍整流模块在两相静止直角坐标系下的数学模型。 
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第三章  不间断电源整流模块的控制系统 ...... 17 
3.1  锁相环 ......... 17 
3.1.1  锁相环基本原理 ............ 17 
3.1.2  锁相环的实现方法 ....... 18 
3.2  空间矢量脉冲宽度调制 SVPWM ..... 19 
3.3  电流内环控制器设计 ..... 27 
3.4  电压外环控制器设计 ..... 30 
3.5  本章小结 ..... 34 
第四章  系统设计与实现 .... 35 
4.1  硬件系统设计 ....... 35 
4.1.1  主电路设计 .......... 35 
4.1.2  采样电路设计 ...... 43 
4.1.3  驱动电路设计 ...... 45 
4.2  软件系统设计 ....... 51
4.3  本章小结 ..... 54 
第五章  实验结果及分析 .... 55

第五章  实验结果及分析 

基于本文搭建的硬件平台以及 TI 公司提供的代码编写平台 Code Composer Studio，本文进行了大量的实验，验证了本文提出的改进型 PI 控制策略以及电感选型方法的正确性及有效性，并对 Si C MOSFET 整流模块进行了初步的实验研究。 为了方便观察整流模块的暂态响应，便于对软硬件系统进行分析改进，本文在程序中建立了相关变量的数组，并通过 TMS320F28335 与个人电脑的通信，将相关数据传输到个人电脑上，通过 Code Composer Studio 提供的 Graph 功能将实验过程中的相关变量的相应波形显示出来。出于论文需要，最后利用 MATLB 对数据进行了处理。为表达简便，下文中如无特别说明，实验结果均指 IGBT 整流模块实验结果。 图 5-1 为整流模块启动过程中 a 相电流响应波形，图 5-2 为整流模块启动过程中直流电压响应波形。从图 5-1 和图 5-2 的实验结果中可以看出，整流模块启动过程中 a 相电流过渡平缓，没有大的超超调出现，直流侧输出电压同样过渡平缓，没有出现大的超调，且在大约 0.1s 的时间内系统已经达到了稳态，由此证明了本文提出的改进型 PI 控制策略可以有效解决整流模块的启动超调过大的问题且具有较快的响应速度。 图 5-3 为启动过程中 d 轴电流指令值drefI的波形，图 5-4 为启动过程中 d 轴电流dI波形。

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总结

三相半桥电压源型 PWM 整流模块结构简单、能量可以双向流动、交流侧电压电流同相位、控制简单、易于数字化实现，因此特别适合用于小功率整流模块。本文在前人研究的基础上，侧重于整流模块实验平台的搭建和功能的实现，并且验证本文提出的低超调启动算法以及交流侧电感选择方法的正确性和有效性。在此基础上，对 Si C MOSFET整流模块进行了初步的实验研究。本文完成的工作有以下几点： 查阅了相关文献，研究了整流模块的研究现状，包括开关器件研究现状、整流模块拓扑的研究现状以及整流模块控制策略的研究现状。在开关器件研究章节中，对比了电力二极管、晶闸管、电力 MOSFET、IGBT 以及 Si C MOSFET 的优缺点。在整流模块拓扑研究中，对比了常见的电压源型整流模块拓扑三相半桥拓扑、中点钳位三电平拓扑以及 VIENNA 整流拓扑的优缺点，并选择了三相半桥拓扑作为本文采用的拓扑。在整流模块控制策略中，简述了滞环电流控制策略以及电压外环电流内环双 PI 矢量控制策略的工作原理，并指出了目前存在的一些新型控制策略。 建立了整流模块的开关函数模型。首先在三相静止坐标系下建立了整流模块的开关函数模型，然后介绍了 Clark 变换和 Park 变换，并且利用 Clark 变换和 Park 变换将三相静止坐标系下的开关函数模型转换到两相静止直角坐标系和两相旋转直角坐标系下，为下文控制器的设计打下了理论基础。 设计了整流模块的硬件系统。整流模块的硬件系统主要包括开关管的选取、交流侧电感的选取以及直流侧电容的选取。本文详细推导了采用空间矢量脉冲宽度调制SVPWM 的三相半桥型电压源型整流模块的总谐波电流畸变率与基波电流达到峰值处的电流波形以及基波电流为零时的电流波形的关系，推导出了电感选取的上下限，并结合仿真工具，确定了电感的取值，对于工程实践具有一定的参考意义。同时，本文详细阐述了交流电压、交流电流、直流电压的采样电路设计以及 IGBT 驱动电路设计和 Si C MOSFET 驱动电路设计。 
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参考文献(略)

本文编号：313698