大功率多电平逆变器寄生参数对电路性能影响和抑制的分析与研究

大功率电力电子装置从研究到工程应用,并已取得较好的社会和经济效益。但是在大功率的多电平变流器的研究中,尤其在工程应用中,其电路的非理想因素,对电路的可靠运行有着不可忽略的影响。其中,开关损耗和热管理设计,分布参数和电路瞬态工作过程,多电平电压平衡与控制的结构方法等等,都成为多电平变流器研究与应用的关键问题。本文的工作就是建立在上述研究背景下的。 电力电子器件损耗关系着系统的温升,决定了系统所采取的热管理方式。本文详细分析了三电平大功率逆变器的各器件运行状态,在此基础上推导了器件损耗计算方法,最后估算了630kW三电平大功率逆变器的器件损耗,并根据系统实际需要,提出对器件采用统一的水冷散热方式。逆变器缓冲电路采用应用较广泛的三电平RCD缓冲电路,本文首先描述了该缓冲电路的参数设计原则,然后对缓冲电路的参数进行了仿真,得到了缓冲电路各参数对开关特性的影响结果。 由于实际电路并非理想,而是具有杂散参数,其中杂散电感对IGBT开关特性造成极大的影响,主要包括IGBT关断电压尖峰和过渡时间等。尤其在大功率变流器工作过程中,其开关过程的di/dt非常大,可能损坏器件。本文详细分析了IGBT关断过程基本换流回路的工作模态,描述了考虑杂散参数的基本换流回路的等效电路,采用解析的方法,分析了杂散电感与IGBT关断特性的关系,用Saber软件对基本换流回路仿真,分析了各支路杂散参数对IGBT关断特性的影响程度,对比仿真结果和理论结果相符合。 对于二极管箝位型三电平逆变器的IGBT端压不平衡问题,分析了IGBT端压不平衡的原因,提出了电压平衡与控制的电路结构改进方法,本文采取箝位电阻的方法对电路进行改进,实验结果良好。最后针对杂散电感的影响,从减小不利杂散参数的思想角度,论述了从电路结构布局上进行改进的方案。 本文对所做的工作进行了大量仿真,并搭建了15kW三电平逆变器试验样机,通过对试验样机调试和仿真分析,验证了以上分析结果。这些分析结论,对于多电平大功率逆变器的实际应用设计具有普遍意义。