新型混合式断路器结构及动作特性研究

混合式断路器(HCB)结合了机械式断路器和固态断路器的优点,是国际上断路器研究的新方向.介绍了几种混合式断路器的典型结构,阐述了自然换流和强制换流的原理.着重研究了一种基于自然换流和IGBT软关断技术的新型混合式结构,并针对该拓扑结构研制了混合式断路器.试验表明,该新型混合式断路器具有合闸和分闸动作的快速性、一致性以及限压限弧特性.     

基于自然换流和软关断的混合式断路器研制

混合式断路器(HCB)结合了机械式断路器和固态断路器的优点,是国际上断路器研究的新方向.阐述了自然换流和强制换流的原理及IGBT软关断技术.基于自然换流和IGBT软关断技术,研制了一种新型的HCB.试验表明,该新型HCB具有合闸和分闸动作的快速性、一致性及限压限弧特性.     

一种适用于混合式高压直流断路器负载换流开关的新型缓冲电路

基于混合式高压直流断路器的工作原理,提出了一种新型的负载换流开关缓冲电路。该电路通过2个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的简单控制,在混合式高压直流断路器分闸时,能阻断缓冲电容经超快速机械开关的放电通路;在混合式高压直流断路器短时间多次动作时,能保证缓冲电容每一次过电压的吸收效果,提高混合式高压直流断路器的速动性和可靠性。     

基于IGBT的混合式自动转换开关研究

对目前国内外自动转换开关的发展情况以及性能进行了分析和比较,在深入研究新型混合式断路器的基础上,阐述了一种基于IGBT混合式自动转换开关(HATS)的结构和工作原理,重点研究了该HATS的本体开关部分的合闸、分闸及限压特性,针对其动作特性,搭建实验平台模拟了该HATS的并联切换和串联切换方式,并具体分析和比较了2种不同切换方式的性能,实验结果表明:该HATS在保持机械转换开关静态特性的同时,其合闸和分闸动作的快速性、一致性及动作时的限压性能均得到改善。     

基于新型混合式断路器的IGBT缓冲电路研究

分析了新型混合式断路器的IGBT开关特性,在总结3种传统IGBT缓冲电路的基础上,提出一种优化的适合于新型混合式断路器的IGBT缓冲电路。该电路能在不降低吸收过电压效果的基础上,改变充、放电回路的电容,使放电时间跟随电容改变而改变,满足具体主电路对IGBT导通时间变化的要求和满足不同IGBT开关频率的要求。通过仿真和理论分析证明了该优化缓冲电路的有效性和适用性。     

机电混合式功率控制器的研究与设计

机电混合功率控制器是集断路器线路保护功能和固态继电器可靠性于一体的智能开关装置,是飞机负载管理中心的一个组成部分。采用IGBT作为开关器件,设计了一种机电混合式大电流功率控制器,该控制器在高压（270VDC）、大电流（200A）情况下,具有开通关断无触点抖动、接触器故障时关断主回路、出现过电流时对固态开关器件保护等特性。最后给出了实验结果,验证了设计的可行性与正确性。     

新型混合式限流断路器设计及其可靠性分析

混合式限流断路器兼备了机械开关良好的静态特性和固态开关无弧快速分断的动态特性,是国际上断路器研究的新方向。文中提出了一种基于快速晶闸管的新型混合式限流断路器结构,并针对低压场合,开展了2kA/320V混合式限流断路器样机的设计研制工作。深入分析了限流断路器的关断可靠性,证明了关键参数设计的正确性,并对参数设计进行了优化。试验结果表明,自行研制的超高速斥力开关能够在接到分闸指令280μs时间内完成触头分离,将电流转移到由大功率快速晶闸管组成的固态开关电路上,该快速晶闸管开关电路可在最短53μs时间内实现对10kA短路电流的可靠分断。     

基于零电压零电流的混合式直流断路器

基于IGBT的直流断路器存在导通损耗高、开断过程耗能量大的缺点,传统基于人工过零技术的直流真空断路器难以实现短路大电流的可靠开断。提出了一种综合了“零电压”、“零电流”混合开断原理,同时结合机械开关和半导体开关优点的新型混合式直流断路器方案。该直流断路器能够快速可靠地完成“零电压”电流转移过程,并通过晶闸管短时导通短路电流,确保机械开关弧后介质的可靠恢复,实现断路器的成功开断。样机等效短路电流开断试验结果表明,该新型混合式直流断路器能够用于电力系统配网完成预期10 kV/50 kA短路电流的开断。     

NB/T《混合式高压直流断路器》能源行业标准制定工作组第二次工作会议召开

正NB/T《混合式高压直流断路器》能源行业标准制定工作组第二次工作会议于5月8日在西安市召开,来自高校、科研院所、检测认证机构、制造商和用户的共30余位高压开关设备行业专家参会。高压直流断路器是柔性直流电网的重要支撑设备。根据工作原理不同,高压直流断路器可分为机械式、混合式和固态式三种。混合式高压直流断路器主要由机械开关装置和电力电子器件     

基于IGBT软关断的混合式限流断路器结构与分析

回顾了混合式限流断路器的发展,针对4000 A/400V低压场合,提出了一种新型的基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)软关断技术的混合式限流断路器的结构,在保证能迅速切断故障的同时兼顾了IGBT的瞬间特性,这种结构具有简单、实用的特点.文中介绍了其工作原理及设计要点,并进行了相关的仿真实验,在此基础上分析了混合式限流断路器的性能参数.实验表明,它综合了机械式断路器和固态开关的优点,可以在故障发生后极短时间内达到限制短路电流增大的目的,将在电力系统中得到更广泛的应用.     

使用表面回应法与群集分析优化IGBT特性

近年来电力电子正朝向高电压、高电流及低切换损失方向迈进，而绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在功率组件市场上更是占有重要的一席之地。但受限于组件晶闸管结构(Thyristor Structure)及组件本身之阻抗，故IGBT击穿电压及功率消耗常备受限制。因此如何提高耐压，同时降低组件本身之阻抗，避免组件提早击穿烧毁，便成为一重要课题，而本研究将提出如何应用表面回应方法 (Response Surface Method， RSM)，配合实验设计(Design of Experiment， DOE)及群集分析法(Cluster Analysis)，建构出一套组件实用的数值建模及分析流程，以利于分析如何抑制IGBT组件提前击穿，同时降低组件本身导通电阻。另外，本研究方法，有别于以往组件建模方法，藉由群集分析的加入，使吾人在分析问题上，更能察觉组件关键因子。     

高压大容量混合型MMC半桥子模块下部IGBT损耗优化控制策略

混合型MMC存在器件损耗分布不均的问题,尤其是在逆变工况下,半桥子模块下部IGBT损耗远高于其他器件,导致其热应力与故障率均较高,是换流器可靠性的薄弱环节。为此,本文提出一种器件损耗分布优化控制策略。首先,计算混合型MMC中各器件的损耗,分析器件损耗的分布特性,确定损耗优化的主要目标。其次,根据损耗计算公式,明确降低半桥子模块电容电压方法可用于降低其下部IGBT的损耗。然后,通过三次谐波电压注入,初步降低半桥子模块的电容电压,再通过桥臂输出电压指令值差异化分配,进一步降低半桥子模块的电容电压,进而最大程度减小其下部IGBT损耗,实现器件损耗分布优化。最后,通过MATLAB/Simulink和PLECS的联合仿真以及MMC样机实验验证,证明了所提控制策略可以改善混合型MMC损耗分布不均的问题,能够提高换流器的整体可靠性。     

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其应用研究

综述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在门极优化控制策略、集成驱动设计、热电耦合损耗模型、芯片尺寸配比优化和混合功率模块研制等方面的最新研究成果与进展。Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结合了SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力和低成本优势,已有文献的最新研究和实验结果验证了该类器件的优异特性,表明其对高性能电力电子器件实现更高电流容量、更高开关频率和较低成本具有重要意义,是高性能变换器应用中非常有潜力的功率器件类型。     

混合式直流断路器IGBT关断能力提升技术研究

混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根据直流断路器IGBT的特殊工作条件和电气应力,分析影响IGBT关断能力提升的影响因素,分别从降低IGBT导通损耗、关断损耗和抑制IGBT关断过电压等3个方面提升IGBT的可关断电流能力。文中首先仿真不同回路参数对IGBT损耗的影响,通过优化IGBT退饱和能力和关断过程暂态特性,降低关断损耗,最终完成IGBT结温仿真校核。同时通过研究IGBT关断过电压的影响因素,仿真不同回路参数对IGBT过电压的影响,提出抑制IGBT的关断暂态过电压的具体方法。研制50 kV转移支路阀组,搭建试验平台,完成26 kA的大电流开断,IGBT稳态损耗和暂态损耗都得到有效控制,相关技术和研制设备已经应用张北工程±535 kV混合式高压直流断路器项目,具有十分重要的工程意义。     

Hybrid multilevel power conversion system: a competitive solutionfor high-power applications

Trends in power semiconductor technology indicate a tradeoff in the selection of power devices in terms of switching frequency and voltage-sustaining capability. New power converter topologies permit modular realization of multilevel inverters using a hybrid approach involving integrated gate commutated thyristors (IGCTs) and insulated gate bipolar transistors (IGBTs) operating in synergism. This paper investigates a hybrid multilevel power conversion system typically suitable for high-performance high-power applications. This system, designed for a 4.16 kV⩾100 hp load is comprised of a hybrid seven-level inverter, a diode bridge rectifier, and an IGBT rectifier per phase. The IGBT rectifier is used on the utility side as a real power flow regulator to the low-voltage converter and as a harmonic compensator for the high-voltage converter. The hybrid seven-level inverter on the load side consists of a high-voltage slow-switching IGCT inverter and a low-voltage fast-switching IGBT inverter. By employing different devices under different operating conditions, it is shown that one can optimize the power conversion capability of the entire system. A detailed analysis of a novel hybrid modulation technique for the inverter, which incorporates stepped synthesis in conjunction with variable pulsewidth of the consecutive steps is included. In addition, performance of a multilevel current-regulated delta modulator as applied to the single-phase full-bridge IGBT rectifier is discussed. Detailed computer simulations accompanied with experimental verification are presented in the paper     

一种大容量变流器

为了提高高压大容量变流器的输出精度和可靠性,提出了一种采用不同类型器件组合的变流器新方案,即主电路每个桥臂上侧采用m只低速开关的大功率电力电子器件IGCT(ETO)串联,下侧采用n只高速开关的大功率电力电子器件IEGT(IGBT)并联。该结构除了增大变流器单元容量外,上侧串联的IGCT(ETO)可防止全部由IEGTI、GBT并联产生的直流源短路,且即使其中一个器件损坏,变流器仍能正常运行,便于事故报警后及时更换所坏器件,防止事故扩散,故可靠性高;同时,脉宽调制(PWM)控制采用分时处理技术,定量分析了采用分时处理技术对器件发热量以及载波信号极限频率的影响。最后,给出了由不同类型器件组成的二电平变流器的实用电路,并对实现该方案的不同类型器件的参数匹配进行了探讨,为今后设计、使用此类变流器提供参考。     

双向IGBT理论模型及其封装形式可行性研究

针对常规IGBT在应用中存在的一些不足,提出了一种五层四端结构的新型双向IGBT功率半导体器件,其核心是以平面栅型IGBT为基础,通过对新器件采取对称结构和两路输入控制的方法,从而达到对新器件双向控制的目的.文中详细分析了它的原理,首先推导该双向IGBT的理论模型及其控制策略,然后建立实验电路验证,最后对该双向IGBT的封装形式做了一定的探讨.综合分析的结果表明,该双向IGBT具备双向导通和双向阻断能力,文中提出的双重关断方案,不但能有效减小器件在关断时的拖尾电流,还能提高器件的工作频率.