现代电力电子学中的瞬态分析

• 电力电子器件、电路、拓扑及控制
  • 脉宽调制
    1. 三角波载波比较法
    2. 增量调制法（滞环）
    3. Sigma-Delta调制法：该方法从参考信号中减去输出信号得到误差信号，对误差进行积分，当积分的误差值超过限制值时，输出信号的状态发生改变
    4. 空间矢量调制
    • 电子市场上可以找到能够完成这些PWM控制方法的模拟集成电路，这些集成电路具有功耗低、元器件数量少的主要优点，但在系统配置上往往缺乏灵活性。许多数字电路 (如微控制器) 也能产生 PWM 信号。 通常采用一个周期增量计数器, 该计数器在每个 PWM 周期结束时复位, 当计数值达到配置的参考值时, PWM 的输出从高到低或从低到高改变状态。 例如德州仪器公司推出的 TMS320F2XX, 就是一款具有 PWM 功能的微控制器。
    • 当在微控制器中启用增量计数器时, 所采用的 PWM 方法是一种相交法, 通过将均为数字量的当前计数值与参考值相比较来完成比较功能。 由于计数器的分辨率有限导致占空比不再能连续变化, 而是以离散步长进行调整。 例如, 若计数器的最大值为 256, 则占空比的分辨率为0.39%。
    • PWM的相交法
      1. 中心对齐，生成的PWM信号都是中心对齐的；采用三角波作为载波 ///\
      2. 前沿对齐，生成的PWM信号都在上升沿对齐；采用锯齿波 /|/|/|
      3. 后沿对齐，生成的PWM信号都在下降沿对齐；采用锯齿波 |||\
• 电力电子系统中的宏观和微观因素
  • 开关器件理想模型的缺点
    • 无法计算开关损耗（包括反向恢复损耗、正向恢复损耗）；对电流和电压波形进行线性化处理，是目前被普遍采纳的损耗计算方式
    • 理想模型无法描述许多重要的短时参数所产生的影响
    • 另一个指的关注的问题是理想控制算法和实际工作情况之间的互相影响：理论上，占空比的范围为[0, 1]；但是，由于半导体器件的开通和关断时间是不能忽略的，为使器件有效开通/关断，必须有一个最短的时间间隔，定义为最小脉冲宽度（MPW），因此，占空比的上限和下限都不能达到理想数值。也即，占空比被限制在一个由MPW和开关周期确定的时间间隔内。
  • 电力电子技术和微电子技术
    • 微电子技术处理的是信息（或称为小信号）的存储、传输和生成；而电力电子主要是电能的存储、传输和产生。
    • 在现代的电力系统中，微电子技术就像是大脑，而电力电子技术更像是肌肉。
    • 目前电力电子学还很难被称为一门学科。
  • 半导体器件的评述
    • 多维度：能量流不仅是时间的函数，同时也是空间的函数。能量不仅沿着导线流动，还会向空间的各个方向辐射。同时，由于功率半导体器件的尺寸远远大于微电子器件的尺寸，需要大量的并联、串联单元，（例如，最大的IGCT和GTO的直径超过100mm，单元数超过100 000），单元之间的均匀性无法保证（例如，可能某些单元会率先导通而另一些仍保持关断）
    • 大功率
    • 多介质：半导体器件、母线排、电容、电感、电阻、电缆、散热器和负载都是功率流介质。例如，应该为从门极驱动电路到门级的走线进行建模，以估算沿线的杂散电感所产生的影响。
    • 强非线性和低可预测性
    • 时间常数的大小
  • 脉冲与能量
    • 脉冲的定义：两个阶跃函数的叠加。
      1. 幅值: 脉冲的稳态值
      2. 上升时间 $t_r$：脉冲从幅值的10%上升到幅值的90%的时间间隔;
      3. 下降时间 $t_f$：脉冲从幅值的90%下降到幅值的10%的时间间隔;
      4. 脉宽 $t_w$：上升沿（RE）和下降沿（TE）之间的时间间隔
      5. 超调 $\sigma$： $\sigma_1$为峰值减去稳态值，表征RE的震荡； $\sigma_2$表征TE的震荡
      6. 超调时间：从稳态值到最大值又返回稳态值的时间。
    • 脉冲能量与脉冲功率
      • 脉冲遵循时间和空间的传递规律，表达为：
        • $k\frac{\delta^2u}{\delta x^2} = \tau\frac{\delta^2u}{\delta t^2} + \frac{\delta u}{\delta t}$
        • k和 $\tau$表示脉冲的传播介质特性
      • 脉冲的能量特性：
        • $w(x) = \int u(x,t)^2dt$
        • $P(x, t) = u(x,t)^2$
      • 对于电磁脉冲
        • $P =\iint (E \times H) dS = -\iiint (\frac{\delta (\varepsilon E^2/2 + \mu H^2/2)}{\delta t} + J \cdot E) dV$
        • $\iint (E \times H) dS = -\iiint (\varepsilon E \frac{\delta E}{\delta t}+\mu H \frac{\delta H}{\delta t} + J \cdot E) dV$ (2-11)
        • 第一项是电场包含的能量，第二项是磁场包含的能量，第三项是热耗散产生的欧姆损耗
      • IGCT的关断过程和电磁脉冲能量的对应关系
        1. 电流维持不变而电压开始上升，使电场强度增加。式（2-11）中的第二项和第三项开始增加；
        2. 电压大幅度增加而电流开始下降。磁场能量减少而电能增加。存储在杂散电感中的磁场能转换为IGCT中的电能；（能量转换的主要阶段）
        3. 电压的变化率基本不变而电流突然下降到零。杂散电感引入了一个电压尖峰，IGCT中的磁场能量释放完毕；
        4. 电压和电流下降到一个稳态值，电能和磁能也返回到稳态。
    • 瞬态过程研究的主要方向
      1. 失效机制：例如，对于GTO失效机制的研究表明，如果是由关断损耗过高引起的失效，损坏的位置发生在硅单元的中间；如果是由导通过程中di/dt过高引起的 失效，损坏发生在边缘；如果是由长期过电流引起的，硅单元会大面积烧毁。
      2. 主电路的各个部分
      3. 互相影响的控制模块和功率系统
    • 瞬态过程的研究方法
      1. 准确度高的测量手段
      2. 为半导体开关建立合适的模型
      3. 为外围电路和元器件建模
      4. 对任意时间和位置的能量流动路径进行预测
      5. 在微观层面实施宏观控制算法