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齐磊教授课题组在电力电子开关组件性能提升领域取得重要进展

信息发布于:2022-05-04

柔性直流输电已成为构建新型电力系统的重要技术手段。以柔性直流换流阀和直流断路器为代表的柔性直流装备正朝着更高电压、更大容量以及更高可靠性的方向发展。为了实现更高的电压和电流等级,直流断路器内部电力电子开关组件的瞬时电压电流性能已成为制约整机性能提升的技术瓶颈。然而,构成电力电子开关组件的半导体器件成本较高且相对脆弱,工作过程中易受到一二次回路多种复杂因素的综合影响,高电热应力下存在多种潜在的失效模式(如通态退饱和、动态闩锁、动态雪崩等)。因此,亟需探明电力电子开关组件规模化成组后的复杂瞬态电磁作用机制,提高半导体器件在断路器高电热应力下的许用阈值。

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齐磊教授课题组针对脉冲工况应用场景下的电力电子开关组件性能提升的技术瓶颈,深入分析了半导体器件大电流关断特性与失效机理,突破了一体化低杂散电感设计、驱动参数协同优化、避雷器高效配合等多项关键技术,成功实现了单只4.5kV/3kA器件在3ms内通流并关断31.2kA的极限性能,将单个器件所能关断的最大电流提升至额定电流10倍以上,同时将开关组件的串联电压利用率由44%提升至72%。本研究成果大幅提升了电力电子开关组件的瞬时电压电流性能,可将现有工程中直流断路器所需器件数量降低50%以上,有效降低了直流断路器的制造成本,为柔性装备性能提升提供了基础理论与关键技术支撑。

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2022年初,该研究工作的系列成果《An IGBT Current Boosting Method by Using Ultrahigh Driving-Voltage in HVDC Circuit Breaker Applications》和《A Novel Solid-State Switch Scheme With High Voltage Utilization Efficiency by Using Modular Gapped MOV for DC Breakers》连续发表在国际顶级一区SCI期刊IEEE Transactions on Power Electronics上,论文的通讯作者是新能源电力系统国家重点实验室齐磊教授,新能源电力系统国家重点实验室是论文唯一通讯单位。

该研究工作还得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等项目资助,申请了多项专利保护,计划在相关工程中进行应用。

初审:张翔宇

审核:齐磊

编辑:张洪



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