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具备故障限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器拓扑与控制策略

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高电压技术 2024年第5期50卷 2128-2145,I0033-I0037页

作者：黄云峰肖晃庆黄莹杨苹张勇军华南理工大学电力学院广州510641 浙江大学电气工程学院杭州310027

为解决直流电网中直流故障快速清除的技术难题,提出了一种同时具备限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器,并设计了启动、限流后开断线路和限流后复位3种控制策略。所提拓扑结构通过限流电路实现断路时刻电流值的大幅下降,通过电感... 详细信息

为解决直流电网中直流故障快速清除的技术难题,提出了一种同时具备限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器,并设计了启动、限流后开断线路和限流后复位3种控制策略。所提拓扑结构通过限流电路实现断路时刻电流值的大幅下降,通过电感旁路电路实现故障清除所需时间的缩短;所提控制策略通过复用拓扑部分回路实现直流电网对断路器电容的预充电,通过初步故障判断与二次确认方式来优化断路器的动作时序,实现断路时刻电流值的进一步下降。在PSCAD/EMTDC中搭建了三端直流电网仿真模型,对断路器的各种工况进行了仿真验证。结果表明该多端口直流断路器在各工况下均可实现多条直流线路的保护、减小断路时刻电流值和减小故障切除所需时间。

关键词：直流电网多端口直流断路器 h桥限流直流故障

h桥分时复用方法及其在电力电子变压器中的应用

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电网技术 2023年第7期47卷 2651-2658页

作者：赵崇滨张春朋姜齐荣电力系统及发设备控制与仿真国家重点实验室(清华大学电机系) 北京市海淀区100084

能源互联网中,电力电子变压器(powerelectronic converter,PET)因功率变换级数较多,体积庞大,成本高昂,且效率不佳。为此,提出了一种有助于减少PET级数的h桥分时复用方法。首先,阐明了分时复用方法的基本原理,定义了单载波周期的工作模... 详细信息

能源互联网中,电力电子变压器(powerelectronic converter,PET)因功率变换级数较多,体积庞大,成本高昂,且效率不佳。为此,提出了一种有助于减少PET级数的h桥分时复用方法。首先,阐明了分时复用方法的基本原理,定义了单载波周期的工作模式,分析了变压器原边的电流特征;其次,介绍了实用的谐振式开环工作模式切换方法,理论推导了电流脉冲与谐振角度的对应关系;通过样机实验验证了所提高频变压器间歇功率传输与模式切换方法;最后,基于分时复用方法构建了新型PET,并使用电力电子仿真软件PLECS真验证了基本功能。相关方法为优化PET的拓扑与控制提供了新思路。

关键词：能源互联网电力电子变压器 h桥分时复用模式切换

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3h桥开关次数均衡死区消除SVPWM

电机与控制学报 2023年第1期27卷 80-87,109页

作者：宋春伟何金龙李刚中国计量大学现代科技学院浙江义乌322000

针对死区时间引起h桥拓扑各桥臂输出电压波形偏离给定参考电压的问题,根据一个开关周期内调制波与输出电流极性提出了具有12种导通状态的新型开关方式。基于新型开关方式提出了3h桥开关次数均匀分布死区消除SVPWM方案。以三相感应电机... 详细信息

针对死区时间引起h桥拓扑各桥臂输出电压波形偏离给定参考电压的问题,根据一个开关周期内调制波与输出电流极性提出了具有12种导通状态的新型开关方式。基于新型开关方式提出了3h桥开关次数均匀分布死区消除SVPWM方案。以三相感应电机作为负载,推导出采用死区消除SVPWM后,在输出电流过零处工频与高频工作桥臂具有的天然死区时间。MCU输出各桥臂上下开关管相位互差180°SVPWM信号以及表征调制波与输出电流极性的电平信号,而后信号经FPGA处理后获得死区消除SVPWM信号。实验结果中给出了在相同参考电压下,采用死区消除SVPWM时输出电压最大偏离给定电压在1.3%左右,而采用有死区SVPWM时最大偏离给定电压在23%左右。由此可见,由MCU与FPGA相结合的数字系统能够很好地实现开关次数均衡死区消除SVPWM策略。

关键词：逆变器 h桥空间矢量脉宽调制死区开关次数

用于h桥功率驱动集成电路的BCD器件研究与设计

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用于H桥功率驱动集成电路的BCD器件研究与设计

作者：吴涛电子科技大学

学位级别：硕士

h桥智能功率驱动IC(Integrated Circuit,集成电路)内部集成有提供功率输出的DMOS(Double-diffused Metal Oxide Semiconductor,双扩散型金属氧化物半导体)器件、用于基准源等电路的BJT(Bipolar Junction Transistor,双极结型晶体管)、二极管器件、提供逻辑功能的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补型金属氧化物半导体)器件以及电阻、电容等无源器件。在BCD(Bipolar CMOS DMOS)工艺平台中,集成功率器件通常分为电流横向流动的LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,横向扩散金属氧化物半导体)器件和电流纵向流动的VDMOS(Vertically Double-diffused Metal Oxide Semiconductor,垂直双扩散金属氧化物半导体)器件。LDMOS器件设计灵活,耐压可通过器件横向漂移区长度调整,但电流集中在器件表面。VDMOS器件电流沿着纵向方向在体内流动,电流更加均匀,且同样的输出电流下元胞集成度更高,占用芯片面积更小。功率器件采用集成VDMOS器件可以缩小中低电压h桥功率驱动IC芯片面积,降低导通损耗。国内BCD工艺平台集成功率器件多为LDMOS器件,对集成VDMOS器件的BCD工艺平台报道较少。本文围绕一款集成准VDMOS的h桥智能功率驱动IC的BCD器件开发工作展开,主要内容有:在工艺能力限制和设计需求下,设计了60 V准VDMOS、60 V NLDMOS、60 V PLDMOS、60 V NPN、60 V PNP、15 V NMOS、15 V PMOS、60 V二极管、5.6 V齐纳二极管共计9种BCD器件。通过拉偏仿真确定外延厚度、外延浓度、JFET、Pwell、Nchs、Pchs、Pbody、NhV、PhV各阱区掺杂条件、集成VDMOS器件栅极宽度、漏侧引出区尺寸、60 V LDMOS器件和15 V CMOS器件漂移区长度、沟道长度、积累区长度、场板长度、隔离结构宽度等工艺条件和关键尺寸,评估BCD工艺兼容性和高压隔离与互连问题。根据仿真结果,确定分片和拉偏方案,并绘制各类器件版图进行流片。对实验结果测试后发现,主功率管VDMOS器件关态耐压为114 V,饱和电流达到216.34μA·μm,元胞比导通电阻为191.63 mΩ·mm;NMOS器件关态耐压达到了26 V,饱和电流达到了170μA·μm;NPN三极管BVceo为81 V,放大系数在100以上,在较大基极电流范围内能提供较好的电流放大能力;高压二极管反向击穿电压达到了100 V。上述器件均达到设计指标要求。利用新优化的工艺流程、器件结构、终端结构和隔离结构,各类器件和隔离结构的版图面积缩小。其中功率器件可以在保持3 A电流能力的同时比先前工作绘制的版图面积小20%以上;初步形成集成60 V准VDMOS BCD工艺平台,该工艺平台同时可以用于半桥、高侧、低侧开关等产品的开发工作。

关键词： h桥功率驱动IC BCD 集成VDMOS LDMOS

h桥驱动下的单绕组无轴承薄片电机功率系统故障分析及容错控制

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中国电机工程学报 2012年第15期32卷 74-83,12页

作者：任新宇王晓琳南京航空航天大学自动化学院江苏省南京市210016

针对由h桥驱动的单绕组无轴承薄片电机因功率系统开关管发生故障导致电机无法正常运行的问题,以六相单绕组无轴承薄片电机为例,分析了开关管发生开路和短路故障时h桥的工作模态以及故障对系统造成的影响。在故障分析的基础上,对电机短... 详细信息

针对由h桥驱动的单绕组无轴承薄片电机因功率系统开关管发生故障导致电机无法正常运行的问题,以六相单绕组无轴承薄片电机为例,分析了开关管发生开路和短路故障时h桥的工作模态以及故障对系统造成的影响。在故障分析的基础上,对电机短路电流数学模型进行了推导,提出统一的故障容错控制方法。该方法通过非故障相电流重构,补偿功率模块故障对系统造成的影响,提供电机稳定运行所需悬浮力与转矩。通过有限元分析,验证了短路电流模型的正确性及故障容错方法的有效性。以1相和2相绕组功率开关管发生开路或短路故障为例,在一台原理样机上实验验证了理论分析与仿真结论。

关键词：无轴承薄片电机单绕组 h桥功率逆变器故障容错控制短路开路

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一种45V双h桥直流有刷电机驱动芯片设计

一种45V双H桥直流有刷电机驱动芯片设计

作者：县文琦西南交通大学

学位级别：硕士

现代电力电子技术和BCD工艺的发展使得功率传输系统日趋智能化、小型化。直流电机驱动电路作为功率传输电路的典型应用,在当今国民经济的诸多重要领域都有广泛的应用。因此,直流电机驱动电路的集成化研究极具意义。本文采用上华0.25μm ... 详细信息

现代电力电子技术和BCD工艺的发展使得功率传输系统日趋智能化、小型化。直流电机驱动电路作为功率传输电路的典型应用,在当今国民经济的诸多重要领域都有广泛的应用。因此,直流电机驱动电路的集成化研究极具意义。本文采用上华0.25μm 60V BCD工艺设计了一款输入电压支持8.2V～45V的直流有刷电机驱动芯片。该芯片内部集成两组h桥,具有欠压,过温,过流三种保护电路,单个h桥能够支持2.5A的持续电流输出,支持快,慢和混合衰减三种电流衰减模式。芯片通过引脚复用,内置四套驱动逻辑,可实现两组h桥的独立或并联驱动,满足不同应用场景的需求。本文设计的关键模块为电荷泵,驱动电路以及过流保护电路。电荷泵采用交叉耦合结构,使用非交叠时钟信号控制,消除工作时的穿通电流,提高了效率。驱动电路通过栅极采样电路和死区产生电路防止半桥高低边功率管的直通。过流保护电路通过检测功率管的导通压降实现。针对开环系统无法实现精确电流控制的问题,使用了一种通过电阻采样电机驱动电流,并结合DAC以及比较器实现电机电流精确控制的方案,在混合衰减模式下可以实现预设电流5%以内的控制精度。完成电路和版图设计后,对芯片进行流片验证。测试结果表明:1)芯片的待机电流为15μA,静态电流6m A;2)电荷泵泵升电压5.7V;3)芯片在8V～30V的宽输入电压下慢衰减和混合衰减模式均能正常工作。但芯片在大电流,快衰减模式下工作时,h桥的输出点OUT存在超过0.7V的负压,OUT的负压会使芯片内部的寄生NPN开启并抽取周边节点的电荷,导致高边功率管在快衰减模式出现导通延时,并错误触发过流保护,影响芯片正常工作。针对上述问题,本文在最后进行分析,提出改进方案,并通过FIB确认了该方案的正确性。

关键词： h桥电机驱动 PWM控制电荷泵

基于h桥拓扑的全固态高频双极性LTD的研究

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基于H桥拓扑的全固态高频双极性LTD的研究

作者：许宁重庆大学

学位级别：硕士

恶性肿瘤作为人类的第二大死亡原因,其致死人数和发病例数居高不下。近年来,利用高频双极性脉冲电、磁场治疗肿瘤作为一种新兴的肿瘤治疗方法,相比于单极性脉冲电、磁场的治疗,其优势明显,对于肿瘤治疗具有极其重要的意义。而高频双极... 详细信息

恶性肿瘤作为人类的第二大死亡原因,其致死人数和发病例数居高不下。近年来,利用高频双极性脉冲电、磁场治疗肿瘤作为一种新兴的肿瘤治疗方法,相比于单极性脉冲电、磁场的治疗,其优势明显,对于肿瘤治疗具有极其重要的意义。而高频双极性脉冲发生器是高频双极性脉冲电、磁场的产生源,因此研制可输出高频双极性脉冲高压或脉冲强流的发生器具有重要的学术价值。首先,本文对基本拓扑结构直线变压器驱动源(LTD)的原理进行了阐述,而后介绍了双极性LTD拓扑;针对双极性脉冲磁场治疗肿瘤的需求,提出了基于传统h桥的双极性LTD,并对其在感性负载下的工作过程进行了分析,对输出电流的波形调制原理进行了说明;为提高发生器控制的可靠性,降低控制难度,简化电路结构,本文首次提出一种新型的自触发h桥拓扑,并将其引入双极性LTD拓扑构成基于自触发h桥的双极性LTD,可满足双极性脉冲电场治疗肿瘤的需要。详细的分析了其在阻容性负载下的工作过程,阐述了负载对输出电压波形的影响;最后分别建立了两种发生器的PSpice电路仿真模型,仿真分析了两种发生器的理想输出和杂散参数对输出波形的影响。其次,依照实际治疗对脉冲电、磁场参数的要求,对本文的脉冲发生器进行了设计。针对基于传统h桥的双极性LTD,完成发生器中固态开关、储能电容及磁芯等关键器件的参数计算和选型,然后选择开关的并联方式,设计并联开关的驱动电路及过压保护电路,最后结合所选器件的几何参数完成开关板及基板的PCB设计;针对基于自触发h桥的双极性LTD,先对发生器中的固态开关、储能电容及磁芯等关键器件的参数进行计算与选型,然后设计主控开关的驱动电路,而后设计自触发开关的触发电路,最后完成自触发LTD子模块的PCB设计;最后设计发生器的控制系统,采用FPGA作为控制信号源,并设计电光转换电路将电信号转换为光信号,通过光纤传输控制信号。最后,搭建发生器的测试系统测试本文研制的两种发生器的输出波形;针对基于传统h桥的双极性LTD,先测试了开关的驱动波形及集射极电压波形,再对输出电流波形进行了测试,测试结果表明该发生器可输出±800A、最高重复频率10k hz,且正负极性波形独立可调的高频脉冲电流;针对基于自触发h桥的双极性LTD,先测试了主控开关及自触发开关的驱动波形,再对输出电压波形进行了测试,测试结果表明该发生器可以输出±4k V、脉宽60～260ns、上升沿11ns、最高重复频率500k hz的高频脉冲电压;总的来说,两种发生器都能正常工作,模块化的设计方便扩展,可为脉冲电、磁场治疗肿瘤技术的研究提供硬件平台。

关键词：双极性LTD h桥脉冲发生器高重频模块化

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h桥级联式SSSC阻抗补偿域及准稳态模型

电工技术学报 2007年第4期22卷 136-143页

作者：姜旭肖湘宁赵洋华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室北京102206

根据电压源模型及电流源模型的各自特点,提出了在数学分析中将外接系统等效为电流源模型,而在仿真中采用电压源模型的静止同步串联补偿器(SSSC)电力系统分析等效方法。根据调制比的变化规律,计算出了考虑稳态最大允许电流的h桥级联式SSS... 详细信息

根据电压源模型及电流源模型的各自特点,提出了在数学分析中将外接系统等效为电流源模型,而在仿真中采用电压源模型的静止同步串联补偿器(SSSC)电力系统分析等效方法。根据调制比的变化规律,计算出了考虑稳态最大允许电流的h桥级联式SSSC在不同调制方式下的阻抗补偿域。计及直流侧电压波动及脉冲触发时刻,推导了在一定参考阻抗下h桥级联式SSSC输出电压的准稳态数学模型。最后,通过RTDS及EMTDS/PSCAD仿真及实验验证了计算结果的正确性。

关键词： h桥级联静止同步串联补偿器准稳态阻抗补偿域数学模型

h桥级联式SSSC直流侧电容值选择及自励启动充能策略

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电力系统自动化 2007年第3期31卷 41-46页

作者：姜旭肖湘宁尹忠东赵洋任爱平华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室北京市102206

为了保证h桥级联式静止同步串联补偿器(SSSC)的安全、稳定运行,减少其对电网的谐波注入,依据SSSC直流侧及交流侧的数学关系,提出了一种计及SSSC的输出谐波和直流侧电压波动的直流侧电容值的选择方法。根据SSSC与电网的串联结构关系,考... 详细信息

为了保证h桥级联式静止同步串联补偿器(SSSC)的安全、稳定运行,减少其对电网的谐波注入,依据SSSC直流侧及交流侧的数学关系,提出了一种计及SSSC的输出谐波和直流侧电压波动的直流侧电容值的选择方法。根据SSSC与电网的串联结构关系,考虑到充能过程对电网的干扰最小,提出了结合电子旁路轮换的二极管整流、等效Boost电路及全有功脉宽调制(PWM)整流3种直流侧电容自励启动充能方案,其中全有功PWM整流方案综合性能最优。最后,通过EMTDC/PSCAD仿真及实验验证了文中结论的正确性。

关键词：静止同步串联补偿器(SSSC) h桥级联电容充能