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1、浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 高压电力电子装置是新能源发电、智能电网中的核心设备。但由于受电力电 子器件耐压和功率容量的限制,适合中压、高压应用的变流器拓扑的研究工作近 年来获得关注。模块化多电平变换器( M o d u l a r M u l t i l e v e lC o n v e r t e r , M M C ) 由于采 用级联方式,避免了器件耐压对变流器电压等级的限制,成为很有发展前景的电 路结构。 本文的主要工作为设计完成模块化多电平变流器中子模块的硬件和软件结 构。根据M M C 工作原理,获得桥臂电流和器件两端电压的波形,以此来选择开 关器件。并且分析了子模块直流侧电容值
2、的取值计算方法,和子模块直流侧电压 的纹波,以及电容组的设计,并通过仿真与实验验证设计结果。 然后根据M M C 模块化的特点,设计了子模块控制电路结构,包括子模块内 部的控制电路以及控制部分的软件结构。而且比较了目前文献中提及的两种不同 的子模块构建方案。并通过实验验证了本文采用子模块构建方案的可行性。 接着根据M M C 基于“选择机制”的调制方式,基于变流器稳定工作时所有子 模块的损耗都相等的假设,对子模块内部进行了损耗分析。给出了各器件和直流 侧电容损耗的计算方法。且比较了不同负载功率因数角下子模块的损耗分布。 最后基于对M M C 子模块的损耗分布,从传热学的角度,分析散热片的热阻
3、模型,设计了三相5 0 0 k V A 模块化多电平变流器子模块的散热片,并通过A n s y s 仿真验证设计结果。最后通过实验验证散热片设计方法。 关键词:模块化多电平交流器;子模块结构;损耗分析;散热片设计 A b s t r a c t H i g h _ v o l t a g ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa r et h ec o r ec o m p o n e n t so fn e we n e r g y p o w e rg e n e r a t i o na n dt h eS m a r tG r i d H
4、o w e v e r , d u et ot h ev o l t a g ea n dp o w e r c a p a c i t yl i m i t so fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s ,t h er e s e a r c hw o r ko fm e d i u m v o l t a g ea n d h i g h v o l t a g ec o n v e r t e rt o p o l o g ya r o u s e sm a n yi n s t i t u t e s a t t e n t i o ni
5、nr e c e n ty e a r s M o d u l a rm u l t i - l e v e l c o n v e r t e r ( M M C ) p r e s e n t si t s e l fap r o m i s i n gc i r c u i t ,a d o p t i n g s t r u c t u r eo fc a s c a d e ,w h i c ha v o i d st h ev o l t a g ea n dp o w e rc a p a c i t yl i m i t so fp o w e r e l e c t r o
6、n i cd e v i c e s T h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st od e s i g nh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f S u b m o d u l ei n M M C A c c o r d i n gt oM M C w o r kp r i n c i p l e s ,l i k et h eb r i d g ea r mc u r r e n tw a v e f o r m s , s e l e c t i n gt h es w i t c h i n gd e v
7、i c e s T h e nc a l c u l a t e sD C s i d e c a p a c i t a n c ev a l u eo f s u b 。m o d u l e ,a n a l y s e sv o l t a g er i p p l e so f D C - s i d ec a p a c i t o ra n dd e s i g n st h es t r u c t u r eo f c a p a c i t o rg r o u p ,w h i c hi sv e r i f i e db ys i m u l a t i o na n
8、de x p e r m e n t A c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fM M C ,t h i sp a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p st h ec o n t r o l c i r c u i to fs u b m o d u l e ,i n c l u d i n gt h ec o n t r o lc i r c u i ta n dt h es o f t w a r ea r c h i t e c l 1 1 r e A d d i t i o n a l l y , a s
9、m e n t i o n e di nt h e l i t e r a t u r e ,t h et w od i f f e r e n tc o n s 廿c t i o n so f s u b 。m o d u l e sa r ec o m p a r e d F i n a l l y , t h ec o n s t r u c t i o np l a no fs u b m o d u l ea d o p t e db y t h i sp a p e ri sv e r i f i e db y e x p e r i m e n t s T h e nb ya p
10、 p l y i n gm o d u l a t i o no f ”s e l e c t i o nm e c h a n i s m ”a n dw i t ht h ea s s u m p t i o n t h a ta l lt h es u b m o d u l e ss h a r et h es a m el o s sw h e nt h ec o n v e r t e rw o r k si ns t a b l e t h e p a p e rg i v e so u tt h el o s sc a l c u l a t i o nm e t h o da
11、 n dp r e s e n t st h el o s sd i s t r i b u t i o ni n s u b m o d u l e ,i n c l u d i n gt h eD Cs i d ec a p a c i t a n c e W h a ti sm o r e ,t h ep a p e rc o m p a r e st h e l o s sd i s t r i b u t i o ni ns u b m o d u l eu n d e rd i f f e r e n tp o w e rf a c t o r s F i n a l l y ,
12、f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fh e a tt r a n s f e r , t h ep a p e ra n a l y z e st h et h e r m a l r e s i s t a n c em o d e lo fh e a ts i n k ,a n dd e s i g n st h eh e a ts i n ko fs u b m o d u l e b a s e do nm e l o s sd i s t r i b u t i o no f5 0 0 k V AM M Cw i t ht h r e ep h a
13、 s e s ,w h i c hi s c o m p a r e dw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t so f A n s y s A tl a s t ,t h ed e s i g no fh e a ts i n ki sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t K e yw o r d s :M o d u l a rM u l t i l e v e lC o n v e r t e r ;S t r u c t u r eo fS u b m o d u l e ;L o s s A n a
14、 l y s i s ;D e s i g no fH e a tS i n k 浙江大学硕士学位论文目录 目录 致谢I 摘要I I A b s t r a c t I I I 目勇乏一 第一章绪论1 1 1 多电平变流器的特点。1 1 1 1 多电平变流器的发展方向1 1 1 2 多电平变流器技术2 1 2 模块化多电平变流器的特点。4 1 2 1 模块化多电平变流器结构和特点4 1 2 2 目前模块多电平交流器目前研究情况6 1 3 交流器的冷却技术综述。7 1 3 1I G B T 模块散热结构7 1 3 2 目前变流器的冷却方式8 1 4本文主要工作9 第二章子模块功率电路设计1 1
15、2 1I G B T 模块选择11 2 1 1 子模块工作方式1 1 2 1 2I G B T 模块选择12 2 2 直流侧电容组设计13 2 2 1 直流侧电容量计算1 3 2 2 2 直流侧电容纹波分析1 6 2 2 3 直流侧电容组设计1 9 2 2 4 电容分压电阻设计2 1 2 3 叠层母排设计2 2 2 4 电容纹波电压实验验证2 5 2 5 本章小结2 7 第三章子模块控制电路设计2 8 3 1 硬件结构2 8 3 1 1 控制部分结构2 8 3 1 2 子模块内部控制电源结构2 8 3 1 3 子模块采样及通信结构2 9 3 2 软件结构3 1 3 3 不同子模块结构的比较3
16、2 3 4 单模块实验3 3 3 4 1B o o s t 工作模式实验3 3 3 4 2M M C 工作模式实验3 5 3 5 本章小结3 6 第四章子模块损耗分析3 8 4 1 器件特性分析3 8 4 1 1 器件工作原理及损耗计算方法3 8 浙江大学硕士学位论文目录 4 1 2 子模块的损耗计算4 1 4 2 模块化多电平变流器损耗分析4 2 4 2 1 变流器导通损耗计算4 2 4 2 2 变流器开关损耗计算4 4 4 3 损耗计算结果4 5 4 3 1电容损耗计算。4 5 4 3 2 功率因数角为0 时损耗分布4 5 4 3 3 不同功率因数角的损耗分布比较4 6 4 4 本章总结4
17、 7 第五章子模块的散热片设计4 8 5 1 子模块系统的热阻模型4 8 5 1 1 热阻的定义4 8 5 1 2 单模块系统热阻模型4 9 5 2 散热片热阻的推导5 0 5 2 1 散热片的热阻模型5 0 5 2 2 肋片热阻推导51 5 2 3 散热片热阻公式5 4 5 2 4M M C 子模块散热片设计。5 5 5 3M M C 子模块散热片设计5 6 5 3 1I G B T 模块在散热片不同位置的温度比较5 6 5 3 2M M C 子模块散热片设计。5 7 5 3 - 3 验证散热片模型5 9 5 4 本章小结6 0 第六章总结与展望6 1 参考文献6 2 f 咐录6 5 攻读硕
18、士期间发表的论文6 6 V 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 目前能源短缺越来越得到人们的关注,也使得世界各国政府广泛推广节能技 术。近年来,在高压大功率领域,多电平变流器不仅在调速方面对大功率电动机 进行变频调速,达到节约能源的目的。而且在新能源和电力系统的发展方面,得 到了极大的发展,使得风力发电,太阳能发电技术和输电技术得到飞速的发展。 同时随着变流器技术的不断发展,使得装置的整合程度也越来越高,单位体 积产生的功耗也不断增加,为了保证装置能可靠长久的运行,对装置的散热系统 也提出了更高的要求。因此对多电平变流器采用更适合的拓扑和设计装置的散热 系统有十分重要的意义。 1 1
19、 多电平交流器的特点 1 1 1 多电平交流器的发展方向 近年来变流器技术得到了极大的发展。其应用领域也越来越广。如表【1 1 。 表1 1 变流器应用场所 应用领域应用对象 风力发电,太阳能发电设备,射水机, 电力工业 电厂锅炉辅机,电动给水泵等 钢铁工业扎机主传动装置,除尘风机,卷绕机等 有色金属工业挖掘机,研磨机,传送带系统 建筑材料工业研磨机,鼓风机 化学工业压缩机 煤炭工业传送带系统,排水泵,提升机 石油天然气工业输油泵,潜油电泵,注水泵 石油化学工业压缩机,循环水泵 机电工业风扇,泵 轻工业离心传动装置 电力牵引机车,船首推力器传动装置, 交通运输 螺旋桨传动装置,动车组交流传动
20、从表1 1 可以看出,变流器几乎在所有的工业领域都有应用,也可看出主要 用于两个方向,传动调速领域和电力系统领域。 早期的大功率变流器,以晶闸管为主,进入9 0 年代后,以I G B T 和I G C T 为代表的性能优良的器件在大功率变流器领域得到极大的应用。使变流器朝着高 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 功率因数,高功率密度,易驱动方向发展。同时由于信息和计算机技术的飞速发 展,也使得变流器更加地智能化。 在调速领域,多电平变流器凭其能对大功率的负载实现变频调速而得到应用。 在发电输电领域,由于传统的交流输电线路损耗太大,而且干扰很严重,越来越 与人们日渐提倡的节能意识发生冲突。高压直流输
21、电很好地避免了以上的问题, 也越来越得到人们和各国政府的重视。目前高压直流输电以用于远距离或者超远 距离的输电,因为其相对于传统的交流输电更经济。且电能等级和方向也可以得 到快速精确的控制,由此可以提到其性能和效率。然而传统的两电平或者三电平 电压源型变流器,为了适应电网高压,大功率的要求,需要多个功率器件串联, 造成了控制上的难度,还会引来很大的损耗。 1 1 2 多电平交流器技术 随着电力电子器件,以I G B T 为代表的复合型器件的快速发展,使得电力电 子器件呈现向大容量、高频、易驱动、低损耗等方向发展的趋势。同时也伴随着 大功率变流器的日益高性能。 功率变流器根据有无中间变直流的环节
22、,可分为交交变流和交直交交流两 种。交交变流器的线路较为简单,功率等级也可以很大,但不能实现连续调频 控制,功率因数较低,而且控制较为复杂,最高输出频率一般为输入频率的1 3 到1 2 ,通常仅用于低频场合。 由于交交变流器有其固有的缺陷,所以交直交变流器一直在市场上占据着 主导的地位。目前最常见的交一直交变流器,一般为传统的两电平背靠背交流器, 二极管钳位和飞跨电容型以及级联型多电平变流器,由此还衍生出很多其他的拓 扑。以逆变器为例,如图1 1 【2 1 。 ( a ) 二极管钳位型三电平变流器( b ) 飞跨电容型三电平变流器 第一章绪论 图1 1 多电平拓扑 图1 1 中( a ) 为二
23、极管钳位型的三电平变流器,( b ) 为飞跨电容型三电平变流器, ( c ) 为级联型五电平变流器。 三电平变流器输出线电压只有三个电平,如果没有输出的滤波器,其输出电 压的T H D 很高,要是负载是电动机,则会引起电动机的附加发热,转矩波动, 若直接并网则会使谐波注入电网。而引入滤波器则会导致整个系统的效率降低, 而且体积庞大 3 1 。同时三电平变频器的冗余设计也很困难,若采用冗余设计则需 要增加1 2 个逆变的功率器件。如果不采用冗余设计则只要有一个功率器件发生 故障,整个系统就崩溃。 若直流侧电压很高,每个器件承担的电压等级也较高,则会对器件的电压等 级提出很高的要求。同样对于五电平
24、的电路也存在一样的问题。若再提高电平数, 则会造成控制困难。对于二极管钳位型,很不容易对直流分压电容实现平衡控制。 对于飞跨电容型,对钳位电容的悬浮电压进行平衡更不易。目前传统的两电平和 三电平变流器已经投运与高压直流输引4 1 ,但是其输出的电压波形和所需的正弦 波形相距很大5 ,6 1 。传统的中点钳位 7 1 和飞跨电容型的变流器【8 9 】对于提高变流器 输出电压的电平数存在很大困难 1 0 1 。 单元串联多电平拓扑一个重要的优点是可以实现冗余的设计。假设某一单元 发生故障则只需将其旁路,变流器仍可以继续运行。与传统的采用高压器件直接 串联的变流器相比,单元串联型多电平变流器采用相对
25、等级较低的I G B T 功率模 块,其驱动电路也相对简单和成熟。而且不存在器件直接串联引起的均压问题。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 同时引用模块的概念,一个变流器的所有单元都设计成一样的,便于互换,也利 于大规模地生产。但单元串联也有其缺点,即需要的器件数目比较多,而且每个 单元内的直流侧电压控制较为复杂。 1 2 模块化多电平交流器的特点 模块化多电平作为单元串联多电平拓扑的一种,近年来引起了许多研究机构 和公司的关注。它具有单元串联多电平拓扑的所有特点,且每个单元采用最简单 的形式,即半桥结构,如图1 2 。 + 一 一卜z I 量 “: I 图1 2 模块化多电平变流器背靠背系统
26、 1 2 1 模块化多电平交流器结构和特点 由图1 2 可以看出,模块化变流器( M o d u l a rM u l t i l e v e lC o n v e r t e r , M M C ) 每一 相由2 n 个子模块串联而成,且一相的上下桥臂子模块个数相等。且每个子模块 都有一个半桥及其反并二极管组成。 文献 1 1 1 7 介绍了M M C 的拓扑结构,基本工作原理和基于空间矢量的调 制方式。文献 1 8 指出了M M C 相对与传统多电平变流器拓扑的不同点和优点。 由于模块化多电平变流器结构的对称性,直流侧电流i d 被均匀地分裂成三等 份到A ,B ,C 三相,且i d 为纯
27、直流量表示为I d 。同样每相的输出电流也被均匀 地分裂到每相的上下桥臂。以A 相为例。上桥臂电流i D a 和下桥臂电流i 尬的表达 式为: 。( f ) = 三厶+ 三s m ( 研+ 矽) ( 1 - 1 ) 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 乙O ) = j 11 d 一1 2i 硎s i n ( a t + 纠( 1 - 2 ) 式( 1 1 ) ( 1 2 ) 中,i m 为A 相输出电流的峰值,为基波角速度,Q 为负载功 率因数角。 同时,对于t 时刻上下桥臂所有子模块的输出电压之和U p 。与U n a ,定义为: :粤一s 证刎( 1 - 3 ) 扰。:等+ U a r aS
28、 incot(1-4) 式( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 中,u 鼬为A 相输出电压的峰值。由式( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 可以示 意性地画出上臂电压和电流的波形,以L 桥臂为例,如图1 3 。 I 兀7 ;b 0 ,若模块被选中,则 如表2 1 a ,桥臂电流从上管I G B T 的反并二极管流入直流侧电容,直流侧电容被 充电,v u = E 。若模块未被选中,则如表2 1 b ,桥臂电流从下面的I G B T 走,直流 侧电容电压保持不变,v u = 0 。当i 豫 0 壬兰器 +,玛盯+ 己E曼E 1 i 1 毛1 廿皿- - ( a
29、) i n s e r t( b ) b y p a s s i 一V 1+ - 1 I 辱D l 兰E Z l _ J + 皇E 2 3 m F ,且U 。为1 0 0 0 V 。由此, 子模块直流侧电容需要若干个电容串并联组合而成。在设计电容组时还需考虑电 容的寿命。如图2 9 ,为子模块电容电流波形。 :1 1 0 6 0 1 0 - 4 0 L - tI iI 攫慨洲。捌| | l 傅 ;。j 。5 。0 11 1 渊一。2 。j 2 5 。未 图2 9 子模块电容电流 由图2 9 可以看出子模块电容电流为开关量,计算得到子模块电容电流的有 效值为2 4 5 7 A 。 参考日立公司电
30、解电容寿命的公式m 】: “x 2 警( 爿5 L ( 2 3 3 ) 中,L 为所要求的电容寿命,k 为最高的工作中心温度下通过额定 纹波电流时的工作寿命,T o 为最高的工作中心温度,T 。眦为实际工作时的中心温 度,w V 为额定的工作电压,V 为实际的工作电压。 由于铝电解电容实际工作时,电流流过电容会产生热量,从而发热影响电容 的寿命。对于一个电解电容,其在工作时发热量P 。由下式得到: = 厶2 陆 ( 2 3 4 ) 式中,I R 为流过电容电流的有效值,R E s R 为等效串联电阻。从而可以得到由 于E S R 发热而产生的温升A T 删: 浙江大学硕士学位论文第二章子模块功
31、率电路设计 丁:上 A H 式( 2 3 5 ) 中,A 为电解电容的表面积( e m 2 ) , ( 1 5 2 0 ) 1 0 3 W ( e m 2 。C ) 。即可得到T 。瓣的表达式: k = Z + A T ( 2 - 3 5 ) H 为散热系数,一般取 ( 2 - 3 6 ) 式( 2 3 6 ) 中,T 。为环境温度。由于实际测量电容的内部的中心温度有困难, 可以利用表2 2 ,根据电容的表面温度推算得到中心的温度蛔。 表2 2 铝电解电容中心工作温度与表面温度的关系 :豇径m mS 1 0 1 2 5 1 61 82 22 5 中心表面 1 1 1 21 2 51 31 4
32、选取日立公司H C G F A 系列的电解电容,并以耐压为4 5 0 V 4 7 0 0 1 t F 的电解电 容为设计单体。其参数如表2 3 。 表2 3 电解电容参数 R E S R m Q ( 2 0o C 10 0 H z ) 直径m m高m mT o P C k 1 1 E SL ,n H 3 07 51 4 51 0 52 0 0 02 0 设计子模块直流侧电容组时,按照常温3 0o C ,一年3 6 5 天,每天运行2 4 h 的标准,设计寿命为1 0 年。电容的R E s R 是根据环境温度和电流纹波频率变化的 量。基本上R z s R 是随着温度升高而减小,随着频率增大而变小
33、的趋势。 根据电容器手册提供的数据,纹波5 0 H z 的电流下的R E s R 为同温度下1 0 0 H z 时的1 4 倍。可由上节对电容电压纹波分析可以得到,电压纹波主要由基波频率 的电压和两倍基波频率组成,可得电容电流纹波成分也主要为5 0 H z 与1 0 0 H z 。 流过子模块直流侧电容的电流频谱见图2 1 0 。 图2 1 0 子模块电容电流谐波分布 浙江大学硕士学位论文第二章子模块功率电路设计 P c = 1 7 4 2 2x 1 4 ( 3 0 1 0 。3 ) + 1 7 2 8 2 ( 3 0 1 0 刁) ( 2 - 3 7 ) = 2 1 7 W L = 2 0
34、0 0 2 幽1 0 ( 生) 2 一= 8 9 5 1 x 1 0 4 h 1 0 0 0 3 ( 2 3 8 ) = ( = 二一1 2 = 4 ( 2 3 8 1 、, 2 0 1 撇偏差。则负偏差的电容分到的电压U c 印为【4 1 】: 2 丽磊U , o j , xTo石lera嘁ncenx ( 2 3 9 ) :! Q Q Q 兰! :兰:4 2 8 6 矿 浙江大学硕士学位论文 第二章子模块功率电路设计 2 E 一互 R 2 而面面nj(2-40) 0 O 0 0 7 5 C 形 7 其中,R 为均压电阻( M Q ) ,V r 为加在电容两端最大的电压,V b 为加在n 个
35、电容器两端的直流母线电压,C 为各个电容的容值O F ) 。则子模块所选取的分压 电阻为3 0 0 k Q 。电容组的最终结构如图2 1 1 所示。 图2 1 1 直流侧电答组结构 从图2 1 1 可以得到,电容组为3 串2 并的结构,且每个电容两端都并上分 压电阻。其中每个电容的规格为4 5 0 V 4 7 0 0 p F ,每个分压电阻的阻值为3 3 0 k Q 。 2 3 叠层母排设计4 2 J 器件开关动作产生的电压尖峰会产生严重的E M I 干扰,且容易通过耦合途 径影响驱动以及控制电路的正常工作,与此同时也会增加器件的损耗。 砌删= L 删磊d ( 2 - 4 1 ) 式( 2 4
36、 1 ) 中,L s 唧为直流环节的杂散电感,V o v c r s l a o o t 为I G B T 关断时的过电压, 若V o v e r s h o o t 大于器件的耐压,则会损坏器件。 L 。嘲为直流环节中电解电容自身电感L c 。I G B T 内部寄生电感L i g :b t ,以及母 线电感之和。叠层母排技术可以很大程度上减少主直流环节回路中的母线电感, 进而可以减小开关动作时在I G B T 模块上产生的电压尖峰,而广泛地应用在电力 电子领域。 叠层母排由两块平且薄的导体一般为铜板以及中间的绝缘层组成,如图2 1 2 。 两块平而薄的导体即为正负母排,电流方向相反。若可以
37、使流经正负母线的电流 没有环路,则可是两者电流产生的磁场互相抵消而消除寄生电感。这就是叠层母 排的原理。 2 2 浙江大学硕士学位论文 第二章子模块功率电路设计 铜板 Ls的尸100一余环路L咖旷-。蓥-逗I交叉 L 二二= 二= 二二- 二_ J 剩余环路 L s t r a y = 3 0 ( a ) 电流流动没有环路( b ) 电流流动没有交叉 图2 1 3电流回路比较 由图2 1 3 ( a ) ,可以看出,电流流动没有环路比有环路电感量可以降低7 0 。 从图2 1 3 m ) ,可以看出电流没有交叉比有交叉电感量可以减小5 0 。从而可知, 直流侧电容的放置应该纵向放置,即电容的正
38、负端连成的直线应平行于电流方向。 且电容的并联也能有效降低电感。且由文献 4 2 可知,母排的电感量和上下两层 铜排的间隙d 以及长度l 为敏感变量,随着l 与d 的增加,母排电感量也会较明 显地增加。但与母排的宽度W 关系很小。文献 4 2 通过实验证明,母排宽度从 1 2 0 r a m 减小到5 0 m m ,电感量只降低了l n H 。所以在设计母排时,应该合理设计 宽度,可有效避免材料的浪费,减少成本。在设计选取母排长度以及间隙时应尽 量减小,使装置紧凑以减小母排的电感量。 子模块的电容组结构可由图2 1 1 转化成另一种形式如图2 1 4 。两种结构耐 压和电容量都保持一致。 2
39、3 浙江大学硕士学位论文 第二章子模块功率电路设计 ( a ) 3 串2 并结构( b ) 2 并3 串结构 图2 1 4 电容组结构变化 由于电容组结构是3 串2 并,电容数目较多,若采用图2 1 5 ( a ) 的结构会导 致母排的层数过多,结构复杂。变化后图2 1 4 ( b ) 的结构,可以看出只需4 层铜 板。将点C ,D ,E ,F 用一块铜板连接,点G ,H ,I ,J 用一块铜板连接,最后 引出A ,B 正母排与K ,L 负母排即可。 ( a ) 正负母排未完全重叠( b ) 正负母排完全重叠 图2 1 5 不同结构母排的电感比较 图2 1 5 为文献【4 2 中的实验结果。文
40、献【4 2 实验结果得出,结构如图2 1 5 ( 6 ) 的母线电感比图2 1 5 ( a ) 减小2 1 7 。最后根据子模块选用的电解电容尺寸以及 I G B T 模块放在散热片的中心位置等条件设计的叠层母排如图2 1 6 所示。 图2 1 6 叠层母排俯视图 2 4 浙江大学硕士学位论文第二章子模块功率电路设计 为防止各层铜板边缘之间爬电,各层铜板之间的绝缘纸都比铜板多出5 m m 。 且在铜板中打孔时,都比电容端子的直径大出很多,使得电容端子中心点与铜板 之间距离为l e n a 。铜板之间的绝缘材料采用具有良好的机械强度、介电性能和较 高的耐热性能的D M D 绝缘纸。 2 4 电容
41、纹波电压实验验证 图2 1 7 为基于M M C 电路的单相电路,上下桥臂各3 个子模块。实验参数 见表2 4 。采用文献 2 2 提出的基于“选择机制”的调制方式。 表2 4 单相M M C 电路参数 功率 P2 k W 直流电压 U a 6 0 0 V 电压调至比 m0 9 7 开关频率 色2 l 【H z 子模块电容C3 1 m F 桥臂电感 L3 7 5 m H 子模块数 2 n6 V 1 V 2 V 3 ( a ) 单相M M C 电路 一j r 、 札 j 剐皂 、 - 【 i 上 - I 图2 1 7 M M C 单相实验电路 由式( 2 3 2 ) 可以得到子模块直流侧电容电压
42、的理论的波动波形,和实验测得 的电容电压波形进行对比。如图2 1 8 。由表2 4 以及M M C 的工作原理可知,子 模块直流侧电容电压稳定在2 0 0 V ,并在2 0 0 V 上下波动。 , 三 V V V 浙江大学硕士学位论文第二章子模块功率电路设计 图2 1 8 电容电压波动实验验证 由图2 1 8 可得,子模块直流侧电容电压波形的实验值与理论值比较吻合。 为测得叠层母排的电感量,采用电路如图2 1 9 所示。 ( a ) 测得叠层母排的电感电路 负载 历藤i 惦俪1 响尉颤 ( b ) 叠层母排测试电感模型( c ) 下管I G B T 关断波形 图2 1 9 测叠层母排电感实验
43、由图2 1 9 ( e ) 可以看出,在下管I G B T 关断时,器件两端有电压过冲大约为 3 0 V ,对应的电流变化率为1 0 A 4 0 n s 。由式( 2 4 1 ) 可以得到直流环回路电感量约 为1 2 0 n i l 。由图2 1 9 ( b ) 可知直流环回路电感量由三部分组成,I G B T 模块自身电 感L I G B T ,叠层母排电感L l 脚b a r 以及电解电容的电感E S L 。电解电容的E S L 为2 0 n i l , 则3 串2 并的电容组电感量为3 0 n i l 。I G B T 的L c E 的典型值为2 0 - - 4 0 n i l ,取L c E 为3 0 n i l ,则母排的电感量为6 0 n i l 。 2 6 浙江大学硕士学位论文第二章子模块功率电路设计 2 5 本章小结 本章从模块化多电平变流器的电流波形出发,根据子模块的工作模式和电压 电流的等级,选择I G B T 模块为富士电机的半桥I G B T 模块2 M B l 3 0 0 U 4 H 1 7 0 , 3 0 0 A 1 7 0 0 V 。
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