[发明专利]光控型高温超导逆变器

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温超导逆变器。

背景技术

电力电子变流器在特高压直流输电、电机调速、供电电源、日常照明、电动汽车等方面获得了广泛的应用，大功率、高频化、高集成和低功耗是电力电子变流器的重要发展趋势。

传统的半导体变流器，采用晶闸管(BJT)、MOSFET、IGBT等半导体器件作为电力电子开关器件，由于半导体开关器件存在导通电阻，流过电流时，不可避免地会产生焦耳热。随着大功率电力电子装置容量的不断提升，半导体器件将产生大量的焦耳热，严重影响元件和系统的性能，降低了变流器的运行效率，限制变流器的能量转换密度。

在某些环境温度较高、散热条件恶劣的场合，比如风力发电、地下矿物勘探、核反应堆等环境，电力电子器件的散热条件开始恶化，会造成系统的整体效率降低，性能变差，甚至会损坏电力电子器件，对整个系统的工作性能造成严重影响。为了实现良好的散热，很多大功率电力电子装置需要配套复杂庞大的散热装置，散热装置体积较大，占据了较多的空间，这也就限制了大功率电力电子装置的小型化。

超导材料有着优异的电力特性，基于超导材料制作的超导开关具有零电阻导通和高载流能力的特点，可以在某些低电压、大电流的电路中代替常规电力电子开关器件。利用超导开关制成的超导逆变器能够有效地避免导通时焦耳热的产生，提高逆变器的效率和能量转换密度。

目前，人们对高温超导材料在电力系统、电力电子和电力传动等领域已经开展了广泛的应用研究，超导输电线、超导限流器、超导储能系统(SMES)、超导变压器、超导电机等领域已经取得了突破性进展，但是高温超导材料在变流器中的应用研究相对较少。David A.Barton等人于1998年设计并搭建了DC/AC变换器，将高温超导开关单元模块应用于DC/AC的转换实验当中，成功实现了逆变功能。Kozo Osamura等人于2011年采用全桥电路拓扑设计了一台高温超导逆变器实验样机，成功将直流电流逆变，获得频率为0.2Hz～100Hz的交流电，同时，他们的实验证明该样机可以获得频率高达2000Hz的交流电。国内，中国科学院电工研究所对高温超导逆变器进行了一系列的研究，2014年，严金俊、张国民等人研究了磁控式高温超导开关的特性，为进一步研究高温超导逆变电路奠定了基础。

超导开关按触发方式分类可以分为热控式超导开关、磁控式超导开关、流控式超导开关和光控式超导开关。根据超导BCS理论，在低温下，电子与晶格的相互作用使晶格受到扰动而发射声子，该声子与另一个电子相互作用，使得两个电子之间产生引力，当引力大于两个电子之间的库仑力时，两个电子就会结合成库珀对(Cooper pair)。这种电子-声子-电子的相互作用，使得超导体在费米能级附近出现一个能隙，系统能量降低，从而形成超导态。当足够的外来能量作用在超导体上时，库珀对被破坏，超导体将从超导态转变为正常态。基于这一原理，如果将超导薄膜置于超导临界温度以下的环境中，使其处于超导态，当激光入射到该超导薄膜被吸收产生热量后，库珀对将会被破坏，该超导薄膜会从超导态转变为正常态，从而引起电阻率的跃变。没有激光入射时，超导薄膜又将重新形成库珀对，从正常态转变为超导态。光控型超导开关具有开关频率高，抗干扰性好，可靠性高等特点。在一些电磁环境较复杂的应用场合，如电信基站、超导磁共振、无线电能传输等场合，磁控式高温超导逆变器容易受到外部磁场的干扰，导致误触发，而采用光控型超导开关可以有效防止误触发，具有潜在的应用前景。。

将光控型超导开关应用在逆变电路中，取代半导体电力器件，可以消除开关器件焦耳热的产生，减少能量损耗，提高逆变器的工作效率和能源利用率，符合节能降耗的理念。同时，由于散热装置的减少，高温超导逆变器的体积将会比常规逆变器小很多。另外，采用激光进行触发，有效地避免了磁控式超导逆变器受环境背景磁场影响导致的误触发，缩短逆变开关的开关时间，提高逆变频率。

2011年日本的Kozo Osamura等人在论文中提出了一种高温超导逆变器样机，采用了单相全桥逆变电路，磁场控制触发高温超导开关。2014年国内的严金俊、张国民等人申请了高温超导逆变器的专利CN201410033464.2，同样采用磁场控制触发高温超导开关，逆变电路为三相全桥逆变电路。这些专利和文献均采用了磁控式超导开关，开关结构相对简单，但是存在开关速度慢，逆变频率低，容易受到环境背景磁场的干扰等缺点。

发明内容