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穩壓電源裝置中母排雜散電感提取方法的優化研

文章來源:穩壓電源公司,時間:2017-09-18 09:46    點擊量:

    為分析與優化穩壓電源系統性能,需要對穩壓電源母排的穩壓電源雜散電感進行準確提取.相比于傳統微分法,應用積分法提取穩壓電源母排雜散電感具有抗噪聲能力強、計算結果對波形形狀不敏感等優點,然而在簡單的積分運算中積分時限的選取對計算結果有較大的影響.

穩壓電源裝置中母排雜散電感提取方法的優化研
    提出一種優化的積分形式的穩壓電源母排雜散電感的提取方法,在傳統積分法的基礎上考慮雜散電阻和測量偏置兩個影響因素,提高了計算的準確度.最后,基于1200V/3 600A的IGBT雙脈沖測試平臺,對穩壓電源母排進行有限元仿真,通過仿真結果與幾種不同方法計算得到的結果進行對比,驗證了所提方法的有效性與準確性.

    隨著我國經濟水平的提高,大容量電力電子穩壓電源裝置與穩壓電源系統也快速發展.目前,商業化絕緣柵雙極性晶體管(Insulated GateBipolar Transistor, IGBT)的穩壓電源電壓等級可以達到6 500V,電流等級可以達到3 600A,開關時間約為0.2ms.因此IGBT開關動作時較大的di/dt會在回路中穩壓電源雜散電感的作用下感生出較高的穩壓電源電壓尖峰,增大了開關器件的穩壓電源電壓應力[1,2],同時還會導致高頻噪聲以及輻射污染等問題[3].

    回路中的電容電感、開關器件電感以及連接件電感對電路帶來的不利影響可以通過增加緩沖電路或者引入有源門極控制(Active GateControl, AGC)[4,5]進行削弱,但由穩壓電源母排雜散電感引入的相關問題難以得到抑制.

    具有穩壓電源雜散電感低、電流分布均勻等優點的疊層穩壓電源母排已經取代傳統銅排成為電力電子穩壓電源裝置中的主要連接件[6,7].疊層穩壓電源母排能在很大程度上減小穩壓電源雜散電感,有效地抑制功率器件關斷穩壓電源電壓尖峰,從而省去了冗雜的阻容吸收電路,使電路結構緊湊,并減小對敏感電路的干擾[8-10].疊層穩壓電源母排的穩壓電源雜散電感和載流分布對穩壓電源母排本身以及穩壓電源系統的電氣性能影響巨大,因此需了解其雜散參數的產生原理,并較為精確地提取換流回路中的穩壓電源雜散電感,以便優化穩壓電源母排與穩壓電源系統的性能.

    提取穩壓電源雜散電感的常見方法有三種:解析法[8,11]、數值計算法[12,13]以及測量法.其中解析法用于結構復雜的疊層穩壓電源母排時計算精度不高.數值計算法主要有有限元法、部分單元等效電路法等,都需要對穩壓電源母排進行準確的建模.測量法可以分為直接測量法[14,15]和間接測量法[6,16],其中直接測量法運用阻抗分析儀等高價儀器進行直接測量,成本較高.間接測量法通過抓取開關器件的開通與關斷時的瞬態波形,運用基本的電路原理與器件伏安特性得到相應雜散參數.

    在用間接測量法提取穩壓電源母排雜散電感時,傳統方法是利用雙脈沖測試獲取開關器件的瞬態波形,得到穩壓電源雜散電感穩壓電源電壓與電流波形,運用u =Ldi/dt進行計算,其中di/dt用一段時間內電流變化的平均值i/t近似.文獻[17]通過雙脈沖測試獲得IGBT開通關斷瞬態波形,將第二次開通時vce上缺口穩壓電源電壓的大小作為穩壓電源雜散電感穩壓電源電壓的值,并利用這段時間內ic的波形計算穩壓電源雜散電感值.這種方法計算簡單、方便,但準確度較低.

    文獻[18]對IGBT的關斷和開通過程進行了詳細的分析,指出了關斷過程中反并聯二極管前向恢復穩壓電源電壓對開關管穩壓電源電壓尖峰的影響,通過換流過程分析選取適用于提取雜散參數的時間段進行穩壓電源雜散電感計算.這種方法對穩壓電源雜散電感上的穩壓電源電壓計算較準,但對電流波形的形狀敏感度高,對計算時間段的選取要求較高,時間段選取過小時測量誤差較大,時間段選取過大時Di/t關于di/dt的近似關系又難以成立.

    文獻[19]在此基礎上提出了一種積分形式的計算方法,減少了電流波形形狀對計算結果的影響,但簡單的積分運算對積分時限的選取有一定要求,當積分時限選取過大時會對結果產生較大的影響,積分時限選取過小又會受測量誤差的影響.

    本文提出一種改進型的穩壓電源雜散電感積分計算方法,在將傳統的微分運算轉化為積分運算的基礎上,進一步引入雜散電阻與測量偏置兩個變量,使得積分運算中積分時限的選取更加自由.最后基于IGBT雙脈沖測試平臺,對穩壓電源母排進行建模仿真,通過將仿真結果與幾種不同穩壓電源雜散電感提取方法的計算結果進行對比,驗證了改進型積分算法的有效性和準確性.

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