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电力电子功率器件已广泛用于制造业、能源、国防等重要领域,是各类高品质、高精尖电源产品的核心器件,也是实现电能变换的基石与重要保障。逆导型IGBT(Reverse-Conducting IGBT,RC-IGBT)作为将IGBT和快速恢复二极管集成至同一基板的新型功率器件,在相同封装尺寸下能够容纳更多的RC-IGBT芯片,能够满足电源产品小型化、高功率密度需求,具有广阔应用前景。但由于RC-IGBT的结构特殊,存在体二极管开通与关断过程,应用于双向DC/DC变换器会引入新的损耗,其中针对该类变换器控制与驱动的优化设计尚未能得出较好的解决方案,因此研究RC-IGBT型双向DC/DC变换器的优化驱动方法可为双向DC/DC变换器场景下RC-IGBT体二极管特性问题提供有效解决方案,对保障该类变换器的可靠运行具有重要意义,本文主要研究如下:
(1)对比了常规IGBT型双向DC/DC变换器与RC-IGBT型DC/DC变换器的差异,分析了RC-IGBT型双向DC/DC变换器在两种运行模态(Buck/Boost)下各个RC-IGBT的工作状态。并提出了RC-IGBT型双向DC/DC变换器双模态控制策略,引入了双滞环电流方向检测环节,有效消除毛刺和谐波的干扰,实现了工作模态的可靠判断以及该类变换器在两种运行模态(Buck/Boost)的可靠运行。其次,建立了RC-IGBT型双向DC/DC变换器小信号模型,选取了合适的控制参数。最后对系统进行了仿真,验证了相关模态分析和控制方法的正确性。
(2)针对RC-IGBT体二极管开通与关断过程中对驱动电平要求存在矛盾的问题,重点分析了双向DC/DC变换器中RC-IGBT体二极管开通和关断的驱动特性和需求,提出了一种RC-IGBT三电平低功耗全占空比驱动策略,解决了RC-IGBT应用于双向DC/DC变换器的驱动难题。在二极管开通过程中,采用栅射极负电平驱动,降低RC-IGBT体二极管的开通损耗;在二极管关断过程中,引入退饱和脉冲,降低RC-IGBT在二极管模式下的关断损耗;为避免误动作,在退饱和期间引入一个0V缓冲电压。同时,设计全占空比不对称调制方法,用以消除退饱和过程中带来的死区影响。最后,利用有限状态机的原理实现了RC-IGBT模态识别与切换,给出了RC-IGBT型低功耗全占空比的整体驱动方案设计。
(3)设计了RC-IGBT型双向DC/DC变换器的主电路参数、控制系统的硬件电路及软件控制程序,搭建了RC-IGBT型双向DC/DC变换器实验样机以及测试平台,对所提双模态控制策略和三电平低功耗全占空比驱动策略进行了实验验证。
(1)对比了常规IGBT型双向DC/DC变换器与RC-IGBT型DC/DC变换器的差异,分析了RC-IGBT型双向DC/DC变换器在两种运行模态(Buck/Boost)下各个RC-IGBT的工作状态。并提出了RC-IGBT型双向DC/DC变换器双模态控制策略,引入了双滞环电流方向检测环节,有效消除毛刺和谐波的干扰,实现了工作模态的可靠判断以及该类变换器在两种运行模态(Buck/Boost)的可靠运行。其次,建立了RC-IGBT型双向DC/DC变换器小信号模型,选取了合适的控制参数。最后对系统进行了仿真,验证了相关模态分析和控制方法的正确性。
(2)针对RC-IGBT体二极管开通与关断过程中对驱动电平要求存在矛盾的问题,重点分析了双向DC/DC变换器中RC-IGBT体二极管开通和关断的驱动特性和需求,提出了一种RC-IGBT三电平低功耗全占空比驱动策略,解决了RC-IGBT应用于双向DC/DC变换器的驱动难题。在二极管开通过程中,采用栅射极负电平驱动,降低RC-IGBT体二极管的开通损耗;在二极管关断过程中,引入退饱和脉冲,降低RC-IGBT在二极管模式下的关断损耗;为避免误动作,在退饱和期间引入一个0V缓冲电压。同时,设计全占空比不对称调制方法,用以消除退饱和过程中带来的死区影响。最后,利用有限状态机的原理实现了RC-IGBT模态识别与切换,给出了RC-IGBT型低功耗全占空比的整体驱动方案设计。
(3)设计了RC-IGBT型双向DC/DC变换器的主电路参数、控制系统的硬件电路及软件控制程序,搭建了RC-IGBT型双向DC/DC变换器实验样机以及测试平台,对所提双模态控制策略和三电平低功耗全占空比驱动策略进行了实验验证。