非平穩(wěn)工況變流器IGBT模塊結溫平滑控制研究.pdf

1、功率變流器作為大型電力電子系統(tǒng)的核心組成部分，對系統(tǒng)的安全可靠運行起著舉足輕重的作用。尤其是應用在可再生能源發(fā)電中的變流器，經(jīng)常運行在處理功率大范圍隨機波動的嚴酷環(huán)境，導致變流器的可靠性和預期使用壽命遠不及傳統(tǒng)電力設備。究其原因，功率模塊內部各層封裝材料的熱膨脹系數(shù)不一致，加上變流器處理功率長時間隨機波動，導致模塊內部結溫劇烈變化，器件持續(xù)承受交變的熱應力沖擊，引起疲勞老化失效等問題，引發(fā)變流器系統(tǒng)故障。同時，隨著技術的進步，從封裝材料

2、、設計與制造工藝角度提高變流器可靠性越來越受到成本和空間的限制，且無法避免故障發(fā)生。為此，論文選擇從變流器運行層面研究提高可靠性的方法，重點研究了抑制和平滑模塊內部熱應力沖擊的變流器熱管理技術，以延緩器件疲勞老化速率，降低變流器發(fā)生故障的概率，提高系統(tǒng)可靠性。
　　首先，研究了功率器件結溫的影響因素及其估測方法。研究發(fā)現(xiàn)，除開關頻率、器件電壓電流幅值和相位，開關運行軌跡亦是一個可用于溫度控制的參量。針對傳統(tǒng)電熱耦合模型中損耗計算存

3、在精度和計算速度的矛盾，推導了空間電壓矢量調制策略下功率器件的工頻周期平均損耗計算模型?；谠撃Ｐ?，以直驅風電變流器為例，分析了風速波動時機側和網(wǎng)側變流器功率模塊的損耗分布和結溫變化規(guī)律。功率模塊結溫估測是研究變流器熱管理的基礎。針對模塊結溫無法直接測量的難題，提出了采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行大電流下結溫估測的解決方案，研究表明該方法具有較好的估測精度。
　　其次，考慮到現(xiàn)有變開關頻率調溫的研究大多以過溫保護和調節(jié)平均溫度為主，提出了平

4、滑結溫波動的變頻調溫控制方案，并對開關頻率的調節(jié)范圍進行了探討。設計了一臺小型逆變器樣機對變頻調溫方案進行了實驗驗證。采用所提變頻調溫方案實現(xiàn)了直驅風電變流器功率模塊的結溫平滑控制，借助米勒線性累積損傷理論和雨流計數(shù)法對熱管理的效果進行了理論分析與驗證。
　　再者，針對變頻調溫方案存在調節(jié)范圍受限的問題，在分析功率器件開關運行軌跡變化規(guī)律的基礎上，論文首次提出了變開關軌跡實現(xiàn)損耗調節(jié)和結溫平滑控制的思想及實現(xiàn)方案。通過在傳統(tǒng)緩沖吸

5、收電路基礎上增加溫控開關，提出了變開關運行軌跡調節(jié)結溫的硬件實現(xiàn)方案。詳細分析了所提溫控電路的原理和工作過程，構建了溫控電路用于結溫平滑控制的占空比調節(jié)方案。研究表明，變開關軌跡調溫的方法能有效平滑器件結溫波動，減小模塊內部熱應力沖擊。與變開關頻率調溫策略相比，該方法不影響變流器輸出波形。
　　最后，針對單一結溫控制方案調溫效果有限的問題，提出了多參量聯(lián)合調節(jié)實現(xiàn)結溫平滑控制的變流器綜合熱管理策略。以 FPGA為載體，通過嵌入式編

6、程設計，搭建了一套全數(shù)字化控制的功率變流器綜合熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能實現(xiàn)變流器的正常穩(wěn)定運行，滿足功率處理的要求，又能通過多參量聯(lián)合調節(jié)平滑結溫波動，減小器件內部熱應力沖擊?？紤]到從IGBT模塊底殼到周邊環(huán)境之間的熱阻可以動態(tài)調節(jié)，通過控制散熱風扇轉速調節(jié)散熱器熱阻實現(xiàn)了變流器外部熱管理。采用紅外測溫儀對開封模塊表面的溫度進行測量，以驗證結溫平滑控制的效果。研究表明，外部熱管理雖然響應速度不及內部熱管理，但能調節(jié)平均結溫；同時綜合熱管理