大功率电力电子器件集约化应用的关键技术研究

Due to the voltage/current overshoot existed in the switching transient, usually highly over-rated power devices are required in high power converter to increase its reliability. Thus, the utilization of power device capability is quite poor, which both increases the cost and deteriorates the performance of the converters. The conventional method to reduce these voltage/current overstress to improve the power device capability utilization usually results in high power loss. In this project, we try to investigate new solution to maximize the utilization of power device capability without compromising the reliability and power loss. And we will focus on high power silicon IGBT due to its popularity. The key point is how to drive and control the IGBT device in each stage during the switching transient to achieve low electrical stress, low power loss and high reliability. For this purpose, the high speed current source gate driving method and related control method will be studied. The system level optimized driving pattern will also be studied based on the operation of the converter itself, especially for the high power inverters whose output power always varies in an output period. .The objective of the project is to propose high speed current source gate driving method and the related high speed regulation method, which can control the power device better and improve its reliability during the whole switching transient, and maximize the utilization of the power device with high efficiency and high reliability.

本项目拟对目前大功率变流装置中功率器件开关容量利用率低、器件电气应力优化与开关损耗优化相互制约等共性问题进行研究，以改变目前普遍存在的粗放、低效的器件应用方式。拟以IGBT器件为例，重点研究基于门极驱动控制方式，实现开关瞬态中各开关阶段的快速、有效控制，以充分利用现有器件的开关容量和潜力，降低其电气应力及开关损耗，改善其运行可靠性。探索高速电流型驱动及控制方法以改善器件运行的可靠性。同时，结合系统的运行状况，探索典型大功率逆变装置在功率时变情况下的优化运行模式。.通过本项目的研究，将初步建立新型的高速电流型门极驱动及调节方式，大幅度改善器件在开关瞬态各阶段运行的可靠性，为功率器件的高效、集约化应用做出深入系统的研究。

大功率电力电子变流技术是新能源发电和电能高效利用的关键技术之一,其核心是大功率电力电子器件。电力电子器件对大功率电力电子变流器的可靠性、成本和性能有直接影响。现有大功率变流装置由于寄生参数的影响，在开关瞬态过程中，存在较大的电气应力。为提高其可靠性，普遍采用增大器件容量这一方式，难以实现变流器性能、损耗和成本的优化。在这一背景下，本项目从功率器件门极驱动技术的角度出发，对器件的高效集约化利用进行深入研究，探讨提高器件利用率及开关瞬态性能的方法。. 首先，以目前较为主要的IGBT功率器件为主要研究对象，针对IGBT开关瞬态各阶段的特点，提出了一种快速的有源电流型驱动方法，利用压控电流源（VCCS）技术，基于信号反馈直接控制器件在开关瞬态的电压、电流变化率。所提出的电流源驱动方法具有响应速度快、线路简单等特点。在分析各开关阶段损耗的基础上，可实现在电流或电压变化阶段对开关器件的控制和调节，且对总开关时间影响小，克服了传统方法低开关损耗和低电气应力不能兼顾的缺点，实现了器件驱动的优化控制。其次，在此基础上，研究了这一有源电流型门极驱动的小信号模型，结合IGBT器件的小信号模型，详细分析了寄生参数及反馈设计对系统稳定性的影响，给出了反馈参数优化设计的原则，保证有源门极驱动的可靠稳定工作。第三，结合实际应用系统，将此有源门极驱动方法应用于基本的半桥结构电路（同步Buck或半桥逆变），利用不同负载条件下，改变驱动方式，以优化开关速度和开关损耗，探索了有源门极驱动在不同负载条件下改善系统性能的方法。同时，研究了器件并联中参数适配问题引起的电流不均衡问题，探讨了有源门极驱动对改善电流均衡性的可行性。. 上述研究成果为大功率电力电子器件的开关轨迹控制、器件的集约化应用以及系统性能的优化提供了新的手段和方法。项目组较好地完成了项目预定的研究内容，项目研究成果和结论达到预期目标。