电力电子学中的脉冲功率瞬态过程及其序列-中国科学.PDFVIP

中国科学 E 辑:技术科学 2007 年 第37 卷 第1 期: 60~69 SCIENCE IN CHINA PRESS 电力电子学中的脉冲功率瞬态过程 及其序列 * 赵争鸣 白 华 袁立强 (清华大学电机工程与应用电子技术 电力系统国家重点实验室, 北京 100084) 摘要 在电力电子变换器应用过程中, 经常出现各种形式的失效和损坏. 实践 表明多数的损坏与瞬态能量过于集中有关. 针对电力电子变换器的物理特征, 从 电磁能量变换的角度提出脉冲功率及其序列是电力电子变换技术的基础的观点. 分析了电力电子装置中的开关器件、导电电路和控制系统中的脉冲功率瞬态过程, 并以在高压大容量样机中的试验中发现的一些脉冲现象为基础予以阐释. 基于电 力电子学中的脉冲功率瞬态过程研究, 对于解决电力电子装置中出现的器件失 效、装置损坏等问题具有极为重要的理论和实际应用意义, 并将成为今后电力电 子领域内的一个重要的研究方向. 关键词 电力电子 脉冲功率 瞬态过程 电力电子变换器的目的是实现电磁能量特征( 电量波形和特征参数等) 的有效变换. 为得 到所期望的变换特性, 目前大部分电力电子变换器中都采用类似PWM 的调制方法以得到所需 的电力特性, 这种以 PWM 调制方法输出的电磁电量表现为脉冲功率序列形式, 有效的脉冲功 率序列是电力电子变换器中的基本形式. 这种脉冲功率序列是电磁瞬态过程的一种形式, 该 瞬态过程的时间常数在微秒或纳秒之间. 这种短时间尺度的电磁瞬态过程对于电力电子变换 器的可靠运行起决定性作用: 一方面它是电量波形变换的基础(相当于功率采样); 另一方面, 若控制不好, 它将直接导致器件失效和装置损坏. 电力电子变换器的本质又是实施电磁能量的可控变换和定向传输. 在变换和传输过程中 必须遵循电磁能量守恒和能量不能突变原则, 这是脉冲功率瞬态过程研究的理论基础. 以往 电力电子技术中的PWM 技术、软开关技术和吸收缓冲电路等本质上都是从宏观上对变换过程 中的瞬态能量的处理, 但由于没有从脉冲功率序列的角度来考虑, 没有从脉冲的微观特性(例 如非理想开关特性)来分析, 没有从有效的短时间尺度(微秒或纳秒)来量测, 这些技术的应用 都不尽人意; 尤其在高压大容量或超大容量电力电子变换装置中, 由于能量变换特征更是明 显, 现有电力电子技术凸现出明显的局限性. 因此, 研究电力电子学中的脉冲功率瞬态过程及 收稿日期: 2006-08-25; 接受日期: 2006-10-13 * 联系人, E-mail: baih02@ 第 1 期 赵争鸣等: 电力电子学中的脉冲功率瞬态过程及其序列 61 其序列是现代电力电子学的主要基础内容之一. 脉冲的定义目前并不唯一, 文献[1]在数学上将单个脉冲分为上升沿、下降沿和脉宽三部 分, 并对脉冲序列规定了一些衡量指标, 包括衡量脉冲序列中的脉冲重复频率