高性能功率变换器DC-Link电容模组关键技术研究

The great breakthrough of the new semiconductor materials and devices accelerates the research and development of high-performance power converters, and also presents high performance requirements and challenges for the DC-link capacitor modules with large volume and low reliability. This project proposes a systematical analysis and design solutions of the DC-Link modules towards the high-performance power converter by considering the various working conditions, such as normal and abnormal operations. For the DC-link capacitor module solution, based on the electrical, thermal, and electromagnetic coupling effectiveness analysis, this project proposes a multi-physical coupling model for investigating the solutions (e.g., layout and heat dissipation) for smaller parasitic parameters and other better features. Moreover, the multi-objective evaluation and optimization of the DC-link capacitor module, in terms of efficiency, power density, reliability and cost, is also considered in this project. This research will provide a strong scientific guidance and theoretical foundation for both the academia and industry to design and optimize the DC-link capacitor module in high performance power electronic applications.

新型半导体材料和器件的突破，加速了高性能功率变换器的研究和发展，同时，对变换器中体积大、可靠性低的DC-link电容模组提出了新的需求和挑战。本项目针对高性能功率变换器，提出一套考虑多种运行工况（稳态、动态和故障等）的DC-link电容参数分析和设计方法；针对DC-link电容模组，通过揭示模组中电、热、磁之间的耦合机理，提出DC-link电容模组的多物理场耦合模型；通过优化布局走线和散热设计构造DC-link电容模组方案；并建立效率、功率密度、可靠性和成本模型，对电容模组性能进行评估，优化DC-link电容模组设计方案。本项目提出的电容模组选型方法、多物理场耦合模型和多目标优化设计流程，将为高性能功率变换器DC-link电容模组的规范化选型与设计提供强有力的科学指导和理论支撑。

变频调速驱动系统的直流侧需要滤波器实现前后端的功率解耦。常见的无源直流侧滤波器有含铝电解电容的LC型滤波器和大量薄膜电容组成的C型滤波器，直流侧滤波器中的电容称为DC-link电容。电容作为电力电子变换器中最脆弱的器件之一，其可靠性评估对系统的安全可靠运行具有重要意义。已有文献讨论过单个变频调速驱动系统中DC-link电容的可靠性。在大多数应用中，常常是多台变频调速驱动并联挂网运行。在多变频调速驱动系统中，非线性整流器产生的大量谐波失真会在电网和变频驱动之间传递和耦合，从而改变DC-link电容应力。因此，多变频驱动中的DC-link电容可靠性评估需要进一步研究，且需综合考虑各种不同变频驱动结构和工况。.本项目通过解耦各个并联变频驱动之间的相互作用，对多变频调速驱动系统提出等效电路模型及DC-link电容电流解析模型，以获得多驱动系统中DC-link的连续电流。本项目通过分析电容失效机理，研究电容可靠性评估方法，建立电容的热模型和寿命模型，并基于Monte Carlo仿真，考虑寿命模型中参数波动的影响，使电容的可靠性分析更精准。本项目应用电容可靠性评估方法，量化研究驱动数量、电网阻抗条件、驱动类型和电网电压条件等几方面对多变频调速驱动系统中DC-link电容可靠性的影响。本项目还考虑了DC-link电容可靠性，对DC-link电容的参数进行优化设计。.通过案例研究，对所提出的等效电路模型、电容电流解析模型和电容热模型分别进行了验证。验证结果表明所提出的模型具有较高的准确性，而且对于多个变频驱动系统，等效电路模型能缩短仿真时间，降低复杂性。DC-link电容可靠性评估结果表明：a) 对于多个LC型驱动系统，随着变频驱动并联个数和电网阻抗值的增加，DC-link电容的可靠性越高，但是对于多个C型驱动系统来说，并不遵循此规律；b) 与单一类型的多个C型变频驱动系统相比，混合变频驱动系统中C型驱动的DC-link电容可靠性更高；c) 电网电压不平衡会大大降低变频驱动中DC-link电容的可靠性。DC-link电容可靠性评估的结果可以为多驱动系统中DC-link电容的设计提供参考。