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高效SiC器件不間斷電源整流模塊的研究與設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2017-04-17 15:50

第一章 緒論 

1.1  研究背景和意義 
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展,電力電子技術(shù)正在向著高頻化、數(shù)字化、模塊化、綠色能源化發(fā)展[1-3]。電力電子設(shè)備的體積、智能程度、效率、諧波、功率因數(shù)等指標(biāo)也在不斷得到改善。不間斷電源作為電力電子技術(shù)的一個(gè)重要分支,在電力電子的發(fā)展中扮演著重要角色。隨著我國(guó)大力推廣互聯(lián)網(wǎng)加政策,互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,,對(duì)于不間斷電源的需求也越來(lái)越大。目前,國(guó)內(nèi)的不間斷電源提供商主要為國(guó)外三大品牌:伊頓、施耐德、艾默生,本土 UPS 廠商只占有少數(shù)市場(chǎng)份額。在各種功率等級(jí)的不間斷電源產(chǎn)品中,小功率不間斷電源占有絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。根據(jù)賽迪顧問(wèn)對(duì) 2014 年 7 月中國(guó)不間斷電源的市場(chǎng)分析報(bào)告,功率大于等于 3k VA 小于10k VA 的不間斷電源占總銷量的 33.6%,銷售額占比 19.2%,銷量和銷售額在所有功率等級(jí)中均為第一,功率小于 3k VA 的不間斷電源占總銷量的 66.7%,銷售額占比 15.5%,銷量在所有功率等級(jí)中排名第一。從以上數(shù)據(jù)可以看出,中小功率不間斷電源競(jìng)爭(zhēng)異常激烈,要想突破國(guó)外廠商的壟斷,必須在中小功率不間斷電源上下功夫;诖朔N背景,本人所在的實(shí)驗(yàn)室受企業(yè)委托為企業(yè)研制一臺(tái) 5k VA 以 IGBT 為功率器件的不間斷電源。本人負(fù)責(zé)不間斷電源整流模塊的研究,并在 IGBT 不間斷電源整流模塊研究的基礎(chǔ)上對(duì)Si C MOSFET 不間斷電源整流模塊進(jìn)行初步研究。  本文將基于 IGBT 模塊研制一臺(tái)不間斷電源整流模塊樣機(jī),驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)型PI 控制策略的正確性和有效性以及本文提出的交流電感選型方法的正確性。在完成此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì) Si C MOSFET 整流模塊進(jìn)行初步的研究,以便下一步對(duì) Si C MOSFET 整流模塊進(jìn)行全面研究。Si C 半導(dǎo)體相對(duì)于傳統(tǒng)的 Si 半導(dǎo)體具有耐壓高、導(dǎo)通電阻低、熱穩(wěn)定性好、開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)[4-6]?梢灶A(yù)見,隨著價(jià)格的降低以及技術(shù)的成熟,基于 Si C MOSFET 的不間斷電源整流模塊的市場(chǎng)份額將會(huì)逐漸擴(kuò)大。 
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1.2  整流模塊的研究現(xiàn)狀
整流模塊,也可以稱之為整流器,其性能受到開關(guān)器件、拓?fù)湟约翱刂撇呗缘榷喾N因素的綜合影響。下文將從器件、拓?fù)洹⒖刂撇呗匀齻(gè)方面闡述整流模塊的研究現(xiàn)狀。自從 20 世紀(jì) 50 年代初期電力二極管應(yīng)用于電力領(lǐng)域以來(lái),電力電子器件經(jīng)歷了從不可控到可控的變遷,先后出現(xiàn)了晶閘管、MOSFET、IGBT 等典型電力電子器件[7]。電力二極管既不能控制其開通也不能控制其關(guān)斷,屬于不可控器件,只能利用器件外部條件使其開通或者關(guān)斷。由于電力二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定,因此得到了廣泛的應(yīng)用。在全控型器件組成的拓?fù)渲,多伴有電力二極管?梢哉f(shuō),電力二極管在電力電子的發(fā)展史中具有不可替代的作用。但是由于電力二極管的不可控特性,在對(duì)性能指標(biāo)要求較高的場(chǎng)所,電力二極管往往不能滿足要求,通常作為輔助性器件存在。電力二極管種類繁多,如普通二極管、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管等等。 1956 年,半控型器件——晶閘管在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生,標(biāo)志著電力電子技術(shù)的產(chǎn)生。晶閘管屬于半控型器件,通過(guò)對(duì)門極觸發(fā)可以使晶閘管開通,但是不能通過(guò)對(duì)門極的控制使其關(guān)斷。晶閘管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特性決定晶閘管在低頻率高電壓大電流應(yīng)用場(chǎng)合中有著不可替代的作用[8],在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合已不常見。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同,晶閘管的種類也有不同,如快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等等。 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái),隨著電力電子技術(shù)與信息電子技術(shù)的交叉融合,誕生了一系列全控型電力電子器件,如門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極晶體管。與信息電子技術(shù)中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)應(yīng),電力電子技術(shù)中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,但應(yīng)用較多的是電力 MOSFET(Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。電力 MOSFET 屬于電壓控制型全控型電力電子器件,可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制其開通和關(guān)斷,且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,驅(qū)動(dòng)功率小。由于其半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特性,電力 MOSFET 可以工作在高達(dá) MHz 的頻率下,但是基于 Si  材料的電力 MOSFET 在高壓下導(dǎo)通電阻大,具有耐壓低、電流容量小的缺點(diǎn),多應(yīng)用于高頻小功率的場(chǎng)合。為了解決電力 MOSFET 導(dǎo)通電阻大的問(wèn)題,RCA 公司和 GE 公司于 1892 年開發(fā)了一種復(fù)合型全控型電力電子器件—絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。
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第二章  不間斷電源整流模塊的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型

作為對(duì)研究對(duì)象的一種理想化抽象,抓住了研究對(duì)象的主要因素,忽略了研究對(duì)象的次要因素,方便對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。本文選取的整流模塊具有網(wǎng)側(cè)電流正弦化、單位功率因數(shù)、直流側(cè)輸出電壓可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)以上功能,必須首先掌握整流模塊的數(shù)學(xué)模型。因此,本文首先推導(dǎo)不間斷電源整流模塊在三相靜止坐標(biāo)系、兩相靜止直角坐標(biāo)系、兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,以便對(duì)整流模塊進(jìn)一步研究分析。

2.1  兩電平電壓源型整流模塊的拓?fù)?nbsp;
兩電平電壓源型整流模塊的電路拓?fù)淙鐖D 2-1 所示,為表達(dá)方便,如無(wú)特別說(shuō)明,下文所述整流模塊一般指兩電平電壓源型整流模塊。其中ae、be、ce為三相對(duì)稱電網(wǎng)電壓;L為電感,其功能為濾波并為整流模塊和電網(wǎng)的能量交換提供通道;1S至6S為開關(guān)管,可以為 IGBT 或者 MOSFET 等全控型電力電子器件;1C、2C為電解電容,起著儲(chǔ)存能量的作用,并且可以為逆變單元提供電壓中性點(diǎn);LR為負(fù)載電阻。 整流模塊同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管(1S和2S、3S和4S、5S和6S)不能同時(shí)導(dǎo)通,一旦同一橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通,相當(dāng)于在直流側(cè)電解電容1C和2C兩端并聯(lián)一根電阻很小的導(dǎo)線,造成短路,燒壞裝置。因此,同一時(shí)刻每相橋臂只能有一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通。工程中為了防止橋臂直通,通常在軟件中或者硬件中加入死區(qū)。以整流模塊的 A相為例進(jìn)行分析:當(dāng) A 相開關(guān)管1S導(dǎo)通,開關(guān)管2S關(guān)斷時(shí),無(wú)論電流ai是正還是負(fù),整流模塊 A 相電路均可等效為圖 2-2 所示的電路;當(dāng) A 相開關(guān)管1S關(guān)斷,開關(guān)管2S導(dǎo)通時(shí),無(wú)論電流ai是正還是負(fù),整流模塊 A 相電路均可等效為圖 2-3 所示電路。整流模塊的 B 相和 C 相均可以進(jìn)行同樣的等效。 
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2.2  整流模塊在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型
整流模塊在三相靜止坐標(biāo)系系下的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)整流模塊在兩相靜止直角坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型和兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ),因此本文將先建立整流模塊在三相靜止坐標(biāo)系系下的數(shù)學(xué)模型。整流模塊在兩相靜止直角坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以由整流模塊在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型變換而來(lái)。完成從三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止直角坐標(biāo)系的變換稱作Clark 變換。因此,本文首先介紹 Clark 變換,再介紹整流模塊在兩相靜止直角坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 
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第三章  不間斷電源整流模塊的控制系統(tǒng) ...... 17 
3.1  鎖相環(huán) ......... 17 
3.1.1  鎖相環(huán)基本原理 ............ 17 
3.1.2  鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方法 ....... 18 
3.2  空間矢量脈沖寬度調(diào)制 SVPWM ..... 19 
3.3  電流內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計(jì) ..... 27 
3.4  電壓外環(huán)控制器設(shè)計(jì) ..... 30 
3.5  本章小結(jié) ..... 34 
第四章  系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .... 35 
4.1  硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ....... 35 
4.1.1  主電路設(shè)計(jì) .......... 35 
4.1.2  采樣電路設(shè)計(jì) ...... 43 
4.1.3  驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ...... 45 
4.2  軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ....... 51
4.3  本章小結(jié) ..... 54 
第五章  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 .... 55

第五章  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 

基于本文搭建的硬件平臺(tái)以及 TI 公司提供的代碼編寫平臺(tái) Code Composer Studio,本文進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文提出的改進(jìn)型 PI 控制策略以及電感選型方法的正確性及有效性,并對(duì) Si C MOSFET 整流模塊進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。 為了方便觀察整流模塊的暫態(tài)響應(yīng),便于對(duì)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行分析改進(jìn),本文在程序中建立了相關(guān)變量的數(shù)組,并通過(guò) TMS320F28335 與個(gè)人電腦的通信,將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺(gè)人電腦上,通過(guò) Code Composer Studio 提供的 Graph 功能將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)變量的相應(yīng)波形顯示出來(lái)。出于論文需要,最后利用 MATLB 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。為表達(dá)簡(jiǎn)便,下文中如無(wú)特別說(shuō)明,實(shí)驗(yàn)結(jié)果均指 IGBT 整流模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 圖 5-1 為整流模塊啟動(dòng)過(guò)程中 a 相電流響應(yīng)波形,圖 5-2 為整流模塊啟動(dòng)過(guò)程中直流電壓響應(yīng)波形。從圖 5-1 和圖 5-2 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,整流模塊啟動(dòng)過(guò)程中 a 相電流過(guò)渡平緩,沒(méi)有大的超超調(diào)出現(xiàn),直流側(cè)輸出電壓同樣過(guò)渡平緩,沒(méi)有出現(xiàn)大的超調(diào),且在大約 0.1s 的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)態(tài),由此證明了本文提出的改進(jìn)型 PI 控制策略可以有效解決整流模塊的啟動(dòng)超調(diào)過(guò)大的問(wèn)題且具有較快的響應(yīng)速度。 圖 5-3 為啟動(dòng)過(guò)程中 d 軸電流指令值drefI的波形,圖 5-4 為啟動(dòng)過(guò)程中 d 軸電流dI波形。

高效SiC器件不間斷電源整流模塊的研究與設(shè)計(jì)

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總結(jié)

三相半橋電壓源型 PWM 整流模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量可以雙向流動(dòng)、交流側(cè)電壓電流同相位、控制簡(jiǎn)單、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn),因此特別適合用于小功率整流模塊。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,側(cè)重于整流模塊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和功能的實(shí)現(xiàn),并且驗(yàn)證本文提出的低超調(diào)啟動(dòng)算法以及交流側(cè)電感選擇方法的正確性和有效性。在此基礎(chǔ)上,對(duì) Si C MOSFET整流模塊進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。本文完成的工作有以下幾點(diǎn): 查閱了相關(guān)文獻(xiàn),研究了整流模塊的研究現(xiàn)狀,包括開關(guān)器件研究現(xiàn)狀、整流模塊拓?fù)涞难芯楷F(xiàn)狀以及整流模塊控制策略的研究現(xiàn)狀。在開關(guān)器件研究章節(jié)中,對(duì)比了電力二極管、晶閘管、電力 MOSFET、IGBT 以及 Si C MOSFET 的優(yōu)缺點(diǎn)。在整流模塊拓?fù)溲芯恐,?duì)比了常見的電壓源型整流模塊拓?fù)淙喟霕蛲負(fù)洹⒅悬c(diǎn)鉗位三電平拓?fù)湟约?VIENNA 整流拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn),并選擇了三相半橋拓?fù)渥鳛楸疚牟捎玫耐負(fù)。在整流模塊控制策略中,簡(jiǎn)述了滯環(huán)電流控制策略以及電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙 PI 矢量控制策略的工作原理,并指出了目前存在的一些新型控制策略。 建立了整流模塊的開關(guān)函數(shù)模型。首先在三相靜止坐標(biāo)系下建立了整流模塊的開關(guān)函數(shù)模型,然后介紹了 Clark 變換和 Park 變換,并且利用 Clark 變換和 Park 變換將三相靜止坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù)模型轉(zhuǎn)換到兩相靜止直角坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系下,為下文控制器的設(shè)計(jì)打下了理論基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)了整流模塊的硬件系統(tǒng)。整流模塊的硬件系統(tǒng)主要包括開關(guān)管的選取、交流側(cè)電感的選取以及直流側(cè)電容的選取。本文詳細(xì)推導(dǎo)了采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM 的三相半橋型電壓源型整流模塊的總諧波電流畸變率與基波電流達(dá)到峰值處的電流波形以及基波電流為零時(shí)的電流波形的關(guān)系,推導(dǎo)出了電感選取的上下限,并結(jié)合仿真工具,確定了電感的取值,對(duì)于工程實(shí)踐具有一定的參考意義。同時(shí),本文詳細(xì)闡述了交流電壓、交流電流、直流電壓的采樣電路設(shè)計(jì)以及 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和 Si C MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。 
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參考文獻(xiàn)(略)




本文編號(hào):313698

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